储能电池监测预警装置与方法

1.本发明属于储能电站储能电池过充故障监测技术领域，涉及储能电池监测预警装置，本发明还涉及上述监测预警装置的预警方法。


背景技术：

2.目前电力系统用电负荷的不断增长，电网运行峰谷差日益扩大，为解决用电高峰时电力不足问题，储能电站孕育而生。电站不仅能利用储能电池将用电低谷期富余的电能进行存储，而且能解决新能源系统在大规模入网时功率不足等问题，保证整个电网运行的连续性和稳定性。在目前许多储能电站中，对于火灾的报警处理仍采用烟雾报警装置，然而电站中储能电池过充爆炸后引起的火灾烟雾已经是发生了事故，因此需要对储能电池进行早期预警工作。
3.储能电池过充会导致内部温度升高，内部的化学物质受温度影响会分解大量气体，使电池内部压力变大，一段时间后会导致电池安全阀突然打开，如果此时电池继续过充，将有可能导致电池热失控，引发火灾事故。在该过程中，安全阀被冲破的瞬间会产生一种特殊声音，且该安全阀声信号特征较为明显，灵敏性优于现有可见光、红外及气体探测等方案，因此可将该声信号作为特征声信号进行有效识别，来对储能电池进行监测并提前预警。
4.相比于传统的声压传感器，基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,mems)制造的mems声压传感器具有智能化、体积小、成本低、性能高、功耗低、等优点，已经广泛应用于仪器测量、无线通信、航空航天等领域。此外，相对于电类传感器，光纤传感器本质无源并且抗电磁干扰能力强，十分适用于电网中各种设备的测量，近年来国内外也在此方面展开了大量研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种储能电池监测预警装置，采用该装置可以对储能电站中储能电池的热失控进行实时监测和早期预警。
6.本发明的目的是还提供一种储能电池监测预警装置的监测预警方法。
7.本发明的另一目的是还提供一种储能电池监测预警装置中mems薄膜光纤声压传感器的制作方法。
8.本发明所采用的第一种技术方案是，储能电池监测预警装置，包括mems薄膜光纤声压传感器，mems薄膜光纤声压传感器通过光纤连接光纤调节仪，光纤调节仪通过网线连接监控计算机。
9.本发明第一种技术方案的特点还在于：
10.mems薄膜光纤声压传感器的结构为：包括氮化硅膜，氮化硅膜的下方设有硅衬底，氮化硅膜与硅衬底之间形成空腔，且氮化硅膜与硅衬底的两端分别通过支撑层进行固定支撑；硅衬底的中心处设有圆通孔，圆筒孔内沿竖直方向安装有准直扩束光纤；氮化硅膜的底
部设有高反射率膜。
11.氮化硅膜为纹膜结构，该纹膜结构的波纹为三角形。
12.准直扩束光纤在高放射率膜上形成干涉条纹，在氮化硅膜与硅衬底之间形成f-p干涉腔。
13.本发明采用的第二种技术方案是，储能电池监测预警装置的监测预警方法，具体包括如下过程：储能电池过充导致内部温度升高，储能电池内部的化学物质受温度影响会分解大量气体，储能电池内部压力变大，导致储能电池上的安全阀突然打开，安全阀被冲破的瞬间产生了一种特征声信号，此时安装于安全阀2附近的mems薄膜光纤声压传感器接收到该信号后，利用光纤把光信号传输至光纤解调仪中，经光纤解调仪解调后转换为电信号经网线上传至监控计算机，监控计算机实现对该信号的定位监测并通过安全报警模块通知工作人员进行及时处理。
14.本发明采用的第三种技术方案是，mems薄膜光纤声压传感器的制作方法，具体包括如下步骤：
15.步骤1，在硅衬底上表面涂一层光刻胶；
16.步骤2，将平行光束通过掩模版mask衍射的光线在光刻胶中进行曝光、显影后形成图形；
17.步骤3，在光刻胶图形形成后，利用koh各向异性湿法刻蚀法通过将图形化光刻胶作为掩模，对硅衬底进行刻蚀；
18.步骤4，刻蚀完成后，利用丙酮溶液将光刻胶去除，接着利用低压化学气相沉积法lpcvd技术在已图形化处理好的硅衬底上沉积形成氮化硅膜；
19.步骤5，利用drie深刻蚀技术通过氢氟酸溶液将硅衬底刻蚀掉形成支撑层，并在氮化硅膜下表面溅射沉积有sio2高反射率膜；
20.步骤6，准备一块与氮化硅膜直径相同的圆形硅片，同样利用drie技术在圆形硅片的中心处沿轴向刻有圆通孔，圆通孔的直径大于准直扩束光纤的直径；
21.步骤7，利用硅-硅键合技术将步骤5处理后的氮化硅膜与步骤6处理后的圆形硅片键合为一体，实现空腔式结构；
22.步骤8，通过焊料将准直扩束光纤安装于圆通孔之中，封装得到mems薄膜光纤声压传感器。
23.本发明的有益效果是：在每个电池上安装微型预警传感器，直接具备了对故障电池的定位能力，解决了利用声速传达的时间来数学分析故障距离并定位故障电池方法所具有的误差问题。此外，本发明中mems薄膜光纤声压传感器基于mems制造工艺与光学干涉技术，利用光纤进行快速、低损耗光信号传输，并具有体积小、成本低、灵敏度高及抗电磁干扰能力强等优点，可以更好地为储能电池过充事故进行实时监测和早期预警，为避免安全事故的发生提供了一种有效的方法。
附图说明
24.图1为本发明储能电池监测预警装置的结构示意图；
25.图2为本发明储能电池监测预警装置中mems薄膜光纤声压传感器结构示意图；
26.图3为本发明储能电池监测预警装置的工作原理框图；
27.图4为本发明储能电池监测预警装置中mems薄膜光纤声压传感器的工艺流程图。
28.图中，1.mems薄膜光纤声压传感器，101.氮化硅膜，102.支撑层，103.硅衬底，104.准直扩束光纤，105.高反射率膜；
29.2.安全阀，3.储能电池，4.光纤，5.光纤解调仪，6.网线，7.监控计算机。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
31.本发明储能电池监测预警装置，如图1所示，包括mems薄膜光纤声压传感器1、光纤解调仪5、监控计算机7，其中mems薄膜光纤声压传感器是基于微机电技术和法布里-珀罗(fabry-perot)干涉技术来制造的微型传感器；
32.mems薄膜光纤声压传感器1安装于电站中每块储能电池3的安全阀2附近，由于传感器基于mems工艺制造，具有体积小的优点，占用空间较小，图中仅用一个储能电池3来进行描述。由此形成安全阀2的声音预警传感器装置，多块储能电池安全阀的声音预警传感器装置形成储能电池系统的声音预警传感器阵列。
33.mems薄膜光纤声压传感器基于mems技术制造，主要由氮化硅薄膜、支撑层、硅衬底、高反射率膜及准直扩束光纤等构成，可以将声信号转换为光信号并通过光纤进行光信号传输；所述光纤解调仪用于将传感器经声-光转换后所采集的光信号进行解调为电信号，再通过网线上传至监控计算机中；所述监控计算机对接收到储能电池安全阀的声信号进行实时监测，在安全阀突然打开后可以提前预警。
34.如图2所示，mems薄膜光纤声压传感器1的结构为：包括氮化硅膜101，氮化硅膜101的下方设有硅衬底103，氮化硅膜101与硅衬底103之间形成空腔，且氮化硅膜101与硅衬底103的两端分别通过支撑层102进行固定支撑；硅衬底103的中心处设有圆通孔，圆筒孔内沿竖直方向安装有准直扩束光纤104；氮化硅膜101的底部设有高反射率膜105，基于光学法布里-珀罗(fabry-perot)干涉技术，通过准直扩束光纤104在高反膜上形成干涉条纹，腔内形成f-p干涉腔，可简称为f-p腔。
35.氮化硅膜101为纹膜结构，表面波纹为三角形，可以有效的提升膜片的机械形变性能，减少薄膜自身的内应力，提高了检测安全阀弹出时产生声压的灵敏度。支撑层102为刻蚀后硅衬底，对氮化硅薄膜起固定支撑作用。所述硅衬底经刻蚀后用于安装准直扩束光纤，并利用硅-硅键合技术与支撑层进行连接。
36.mems薄膜光纤声压传感器1采用微机电技术进行加工处理，体积较小，便于与储能电池系统结合，对于安全阀被气体冲破而产生的特征声信号检测也更加准确、灵敏，有利于点对点式的安装。
37.mems薄膜光纤声压传感器1可安装于每块储能电池的安全阀附近，对其特征声信号进行检测。在计算机检测端预置单个特征声信号的对应信息数据，将传感器所检测的声信号通过转换传输到检测端与预置信息进行对比来实现对故障电池的及时准确定位。
38.mems薄膜光纤声压传感器1利用光纤4进行信号传输，光纤4体积较为纤细，因此将传输光纤4安装于电池存放架中相邻两个电池的间隙里进行走线，然后在电池存放架背面，将每一个传感器的光纤4捆绑整理在一起，引入电站监控中心，连接至光纤解调仪5中。
39.光纤解调仪5可以在电站监控中心内定点安装，并基于解调仪的复用技术收集每
一根光纤4的传输数据，只需通过一根网线6连接并将信号上传至监控计算机7即可进行实时数据监测。
40.光纤解调仪5中设置有ase宽带光源、3db耦合器和光电转换模块。ase宽带光源发射的光信号和由光纤传输的光信号一起通过3db耦合器发射至光电转换模块，对光信号进行解调，将光信号转换为电信号，并利用光纤多路复用技术，实现对储能电站内储能电池阵列式的实时监测。
41.监控计算机7设置有监控预警安全模块，可以对安全阀被冲破产生的特征声信号进行实时监控，在监控计算机实现对该信号的监测并通过安全报警模块通知相关人员进行及时处理，以防止电池持续过充而造成火灾。
42.本发明储能电池监测预警装置的工作原理为，如图3所示，储能电池3过充导致内部温度升高，内部的化学物质受温度影响会分解大量气体，内部压力变大，导致电池安全阀2突然打开，安全阀2被冲破的瞬间产生了一种特征声信号，此时安装于电池安全阀2附近的mems薄膜光纤声压传感器1(由于每块储能电池3的安全阀2附近均安装有mems薄膜光纤声压传感器1，因此，mems薄膜光纤声压传感器1的数量为n个，图3中传感器即代表mems薄膜光纤声压传感器1)接收到该信号后，利用光纤4把光信号传输至光纤解调仪5中，经光纤解调仪5解调后转换为电信号经网线6上传至监控计算机7，在监控计算机7实现对该信号的定位监测并通过安全报警模块通知相关人员进行及时的处理，以防止火灾的发生。
43.本发明实现了对于储能电池3因过充引发安全阀2弹出的实时监测及早期预警，并实现了储能电站内每块储能电池3的故障定位，有助于安全人员及时进行抢救预防，防止进一步过充引起火灾事故，导致更大的财产损失和人员伤亡。
44.本发明储能电池监测预警装置工作过程中：当外部发生声响后，产生的声压作用于氮化硅膜101之上，引起氮化硅膜101朝腔内方向发生形变，导致f-p腔长发生改变，从而引起干涉光束反射光强ir与干涉相位差之间发生改变，简单来讲就是引起光信号发生改变，其关系式如下：
[0045][0046]
式中，r为反射面的反射率，i0为入射光强。
[0047]
因此可通过光纤4来对该光信号进行传输，并利用光纤解调仪5进行解调为电信号，上传至监控计算机7中，可以实现对安全阀2特征声信号的监测。
[0048]
本发明还提供一种mems薄膜光纤声压传感器1的工艺制作方法，具体步骤如下：
[0049]
(1)图4a为硅衬底，在硅片上通过旋转的方法涂上一层光刻胶，如图4b所示；
[0050]
(2)在光刻胶旋涂后，平行光束通过掩模版mask衍射的光线在光刻胶中进行曝光、显影后形成图形，如图4c所示；
[0051]
(3)在光刻胶图形成功形成后，利用koh各向异性湿法刻蚀法通过将图形化光刻胶作为掩模，对下面硅衬底103进行刻蚀，如图4d所示；
[0052]
(4)刻蚀完成后，利用丙酮溶液将光刻胶去除，接着利用低压化学气相沉积法lpcvd技术在已图形化处理好的硅衬底103上沉积形成氮化硅薄膜101，如图4e所示；
[0053]
(5)利用drie深刻蚀技术通过氢氟酸(hf)溶液将硅衬底103刻蚀掉形成支撑层
102，并在氮化硅膜101下表面溅射沉积有sio2高反射率膜105，如图4f所示。
[0054]
(6)接着准备一块与薄膜直径相同的圆形硅片g,同样利用drie技术轴向刻有圆通孔，其直径大于准直扩束光纤104的直径，如图4h所示；
[0055]
(7)利用硅-硅键合技术将4h与4f键合为一体，实现空腔式结构，如图4i所示；最后通过焊料将准直扩束光纤104安装于圆通孔之中，封装得到mems薄膜光纤声压传感器1。