CN102331314A - 通过简单的外部测量对单格电池核心温度的动态估算 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过简单的外部测量对单格电池核心温度的动态估算，具体地，用于在操作周期期间动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的方法和系统。该方法包括：通过至少一个控制器接收表面温度、电流、电压、荷电状态和从休眠期的初始到休眠期的终止的时间周期；确定该至少一个单格电池的集总内电阻的初始值；基于所述初始值、电流和电压实时递归地确定集总内电阻的后续值；和基于表面温度、电流、所获取的时间和集总内电阻确定该至少一个单格电池的核心温度。用于动态估算电池中单格电池的核心温度的系统包括：构造为传送与电池的表面温度、电流和电压有关的信号的多个传感器；构造为传送与从休眠期的初始到休眠期的终止的时间周期有关的信号的计时设备；以及控制系统，其中控制系统包括存储设备和控制器。

Description

通过简单的外部测量对单格电池核心温度的动态估算

本申请要求2010年5月26日申请的序列号为61/348,286的美国临时申请的优先权。

技术领域

本公开涉及用于估算电池中至少一个单格电池的核心温度的方法和系统。更具体而言，本公开涉及用于在操作周期期间通过简单外部测量来动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的方法和系统。

背景技术

逐渐增加的对改善车辆燃料经济性以及减少车辆排放的需求，已经导致混合动力车和纯电动车两者的发展。纯电动车可由电池组(其由多个较小的模块或单格电池(cell)组成)来供能，而混合动力车包括两种或更多种能量源，诸如汽油(也称作内燃)发动机，其作为电池组的备用品或与电池组协作。目前在使用中有两大类型的混合动力车。在第一类型(公知为电荷泄放的混合体系结构)中，电池由常规电网诸如120VAC或240VAC的电源线损耗。在第二类型(公知为电荷持续的混合体系结构)中，电池接纳来自内燃发动机和再生制动中的一个或两个的其全部充电。在任一构造中，可监测与电池组相关联的各种参数以确保适当操作。

电池(或电池组)中单格电池的温度是与电池的寿命和性能有关的关键因素。所以，对单格电池的温度的准确确定对于电池的寿命和性能是必要的。虽然确定电池中单格电池的温度的一种方法是使传感器与电池中单格电池的核形成接触，但是该方法通常只能在实验室设定下实现，因为其置于电池的封闭区域中，这在生产环境中将是难以达到的。因此，目前电池中的单格电池的温度是通过使用传感器直接测量单格电池的表面温度来确定的。然而，电池中单格电池的表面温度与电池中单格电池的核心的温度通常是不同的。例如，在操作周期期间，电池中单格电池的表面温度和单格电池的核心温度之间的温度差可大至10℃。10℃的温度差可以明显改变电池的寿命和性能。例如，如果电池在25℃工作，则电池运行可超过十二年；但是，如果电池在35℃工作，则电池可运行仅七年。另外，电池在0℃可提供大约14kW的动力；但是在-10℃，电池仅可提供大约8kW的动力。因此，使用表面温度作为核心温度的表示可引起对涉及电池中单格电池的核心温度的计算的误差并且还可对电池的寿命和性能有重大影响。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种用于在操作周期期间动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的方法。该方法包括：由至少一个控制器接收所述至少一个单格电池的表面温度、电流、电压和荷电状态、以及从休眠期的开始到休眠期的终止的时间周期；确定所述至少一个单格电池的集总内电阻的初始值；基于所述初始值、电流和电压来实时递归地确定所述集总内电阻的后续值；以及基于所述表面温度、电流、所获取的时间和集总内电阻确定所述至少一个单格电池的核心温度。

可选地，独立于冷却空气温度、冷却空气流速以及电池的扇速中的至少一个来确定所述核心温度。可经由最小二乘关系来实时递归地确定所述集总内电阻的后续值。可基于表面温度和荷电状态在休眠期的终止时确定初始值。

可选地，所述方法包括将表面温度限制到预定值范围内。该方法还可包括对表面温度、电流和电压中的至少一个经由低通滤波器方法来过滤。该方法还可包括经由移动平均法来对表面温度进行过滤。

可选地，所述方法包括过滤所估算的内电阻。可选地，该方法还可包括在周期时间间隔更新所确定的核心温度。所述周期时间间隔可为大约25ms。该方法还可包括存储一个或多个单格电池故障时单格电池的温度信息。

可选地，该至少一个单格电池的所确定的核心温度通过下式来表征：

$T_{\mathrm{est}}(k+1)=\frac{\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{est}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{sur}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{int}}{I}^2\left(k\right)$

其中τ是热力学时间常量，α是热传递常量，T_est是该至少一个单格电池的所估算的核心温度，T_sur是该至少一个单格电池的表面温度，ΔT是从该至少一个单格电池的核心温度的先前估算到该至少一个单格电池的核心温度的当前估算的时间周期，R_int是该至少一个单格电池的内电阻，I是所述至少一个单格电池的电流。

在另一实施例中，公开了一种用于在操作周期期间动态估算车辆中的电池中至少一个单格电池的核心温度的系统，在所述操作周期期间车辆从所述电池接收车辆的动力的至少一部分。所述系统包括：多个传感器，其被构造为传送与电池的表面温度、电流和电压中的至少一个有关的信号；计时设备，其构造为传送与从休眠期的开始至休眠期的终止的时间周期有关的信号；以及与所述多个传感器信号通讯的控制系统，其中所述控制系统包括存储设备和控制器，所述控制器与所述存储设备通过指令进行信号通讯以便在操作周期期间以及休眠期之后动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度。所述指令编写为接收该至少一个单格电池的表面温度、电流、电压和荷电状态并获得从休眠期的开始至休眠期的终止的时间周期，以：确定集总内电阻的初始值、基于所述初始值、电流和电压实时递归地确定集总内电阻的后续值、以及基于所述表面温度、电流、所获取的时间以及集总内电阻确定该至少一个单格电池的核心温度。

可选地，独立于至少一个冷却空气温度、冷却空气流速以及电池的扇速确定核心温度。在休眠期的终止时可基于表面温度和荷电状态确定初始值。所述指令还可编写为限制表面温度和所估算的集总内电阻中的至少一个。所述指令还可以进一步编写为对表面温度进行过滤。

可选地，所述指令编写为在周期时间间隔内更新所确定的核心温度。所述指令还可以编写为该至少一个单格电池中的一个或多个故障时存储该至少一个单格电池的温度信息。同样，车辆可以包含该系统以便动态估算核心温度。

根据本公开的这些以及其它各种实施例的这些以及其它特征和优点通过附图、具体描述以及后面所附的权利要求将变得更加清晰。

本公开还提供下面的解决方案：

1.一种用于在操作周期期间动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的方法，所述方法包括：

由至少一个控制器接收所述至少一个单格电池的表面温度、所述至少一个单格电池的电流、所述至少一个单格电池的电压、所述至少一个单格电池的荷电状态、以及从休眠期的开始至休眠期的终止的时间周期；

确定所述至少一个单格电池的集总内电阻的初始值；

基于所述初始值、所述电流和所述电压实时递归地确定所述集总内电阻的后续值；以及

基于所述表面温度、所述电流、所获取的时间以及所述集总内电阻确定所述至少一个单格电池的所述核心温度。

2.如解决方案1所述的方法，其特征在于，所述核心温度独立于冷却空气温度、冷却空气流速以及所述电池的扇速中的至少一个来确定。

3.如解决方案1所述的方法，其特征在于，所述集总内电阻的所述后续值经由最小二乘关系来实时递归地确定。

4.如解决方案1所述的方法，其特征在于，所述初始值基于所述表面温度和所述荷电状态在所述休眠期的终止时来确定。

5.如解决方案1所述的方法，其特征在于，其还包括将所述表面温度限制到预定值范围。

6.如解决方案1所述的方法，其特征在于，其还包括经由低通滤波器方法对所述表面温度、所述电压和所述电流中的至少一个进行过滤。

7.如解决方案1所述的方法，其特征在于，其还包括经由移动平均法来过滤所述表面温度。

8.如解决方案1所述的方法，其特征在于，其还包括在周期时间间隔更新所确定的核心温度。

9.如解决方案8所述的方法，其特征在于，所述周期时间间隔包括大约25ms。

10.如解决方案1所述的方法，其特征在于，其还包括存储所述至少一个单格电池的温度信息，其中所述至少一个单格电池中的一个或多个故障。

11.如解决方案1所述的方法，其特征在于，所述至少一个单格电池的所确定的核心温度由下面关系式来表征：

$T_{\mathrm{est}}(k+1)=\frac{\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{est}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{sur}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{int}}{I}^2\left(k\right)$

其中τ是热力学时间常量，α是热传递常量，T_est是所述至少一个单格电池的所估算的核心温度，T_sur是所述至少一个单格电池的表面温度，ΔT是从所述至少一个单格电池的所述核心温度的先前估算到所述至少一个单格电池的所述核心温度的当前估算的时间周期，R_int是所述至少一个单格电池的内电阻，以及I是所述至少一个单格电池的电流。

12.一种用于在操作周期期间动态估算车辆的电池中至少一个单格电池的核心温度的系统，其中所述车辆从所述电池中接收车辆的动力的至少一部分，所述系统包括：

多个传感器，其构造为传送与所述电池的表面温度、电流和电压中的至少一个有关的信号；

计时设备，其构造为传送与从休眠期的开始至所述休眠期的终止的时间周期有关的信号；

与所述多个传感器和所述计时设备信号通讯的控制系统，其中所述控制系统包括存储设备和控制器，所述控制器与所述存储设备通过指令进行信号通讯以便在操作周期期间以及休眠期之后动态估算所述电池中至少一个单格电池的核心温度，所述指令编写为：

接收所述至少一个单格电池的表面温度、所述至少一个单格电池的电流、所述至少一个单格电池的电压、所述至少一个单格电池的荷电状态、以及从所述休眠期的开始至所述休眠期的终止的时间周期；

确定所述至少一个单格电池的集总内电阻的初始值；以及

基于所述初始值、所述电流和所述电压实时递归地确定所述集总内电阻的后续值；以及

基于所述表面温度、所述电流、所获取的时间和所述集总内电阻确定所述至少一个单格电池的所述核心温度。

13.如解决方案12所述的系统，其特征在于，所述核心温度独立于冷却空气温度、冷却空气流速以及所述电池的扇速中的至少一个来确定。

14.如解决方案12所述的系统，其特征在于，所述初始值基于所述表面温度和所述荷电状态在所述休眠期的终止时来确定。

15.如解决方案12所述的系统，其特征在于，所述指令还被编写为限制所述表面温度和所估算的集总内电阻中的至少一个。

16.如解决方案12所述的系统，其特征在于，所述指令还被编写为对所述表面温度、所述电压和所述电流中的至少一个进行过滤。

17.如解决方案12所述的系统，其特征在于，所述指令被编写为在周期时间间隔更新所确定的核心温度。

18.如解决方案12所述的系统，其特征在于，所述指令还被编写为存储所述至少一个单格电池的温度信息，其中所述至少一个单格电池中的一个或多个故障。

19.如解决方案12所述的系统，其特征在于，所述指令被编写为根据下面关系式确定所述至少一个单格电池的所述核心温度：

$T_{\mathrm{est}}(k+1)=\frac{\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{est}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{sur}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{int}}{I}^2\left(k\right)$

其中τ是热力学时间常量，α是热传递常量，T_est是所述至少一个单格电池的所估算的核心温度，T_sur是所述至少一个单格电池的表面温度，ΔT是从所述至少一个单格电池的核心温度的先前估算到所述至少一个单格电池的核心温度的当前估算的时间周期，R_int是所述至少一个单格电池的内电阻，I是所述至少一个单格电池的电流。

20.一种包含解决方案12的系统的车辆。

附图说明

附图中阐明的实施例实际上只是示意性和例证性的，并非意欲限制权利要求所限定的主题。当结合下面附图阅读时，可最好地理解下面对本公开实施例的具体描述，其中附图中相似结构由相似的参考标记表示，其中：

图1是温度相对时间的曲线图，其示出了电池中至少一个单格电池的表面温度和电池中至少一个单格电池的核心温度之间的关系；

图2A示出了应用根据本公开的至少一个实施例的用于在操作周期期间动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的系统的车辆；

图2B示出了具有为其提供原动力的各部件的图示表示的车辆平台，以及用于动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的系统，所述电池用于提供这种原动力的至少一部分；

图3是示出根据本公开至少一个实施例的在休眠期期间电池中至少一个单格电池的表面温度和电池中至少一个单格电池的核心温度之间的关系的温度相对时间的曲线图；

图4是两参数电池电路等价模型的示意图示；以及

图5是根据本公开至少一个实施例的用于在操作周期期间动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的系统的示意图示。

具体实施例

下列术语用于本申请中：

术语“动态的”和“动态地”在此用于指电池中至少一个单格电池的核心温度的可变或变化估算。例如，电池中至少一个单格电池的核心温度是动态地估算的，使得无延迟地实时更新所确定的核心温度。在一个实施例中，所确定的核心温度大约每25ms得到更新。

术语“大约”和“基本上”在此使用以表示固有的不确定性程度，其可归因于任何的定量比较、值、测量或其它表达。术语“大约”和“基本上”在此还使用以表示在没有导致所述主题的基本功能变化的情况下定量表达可与所述参考改变的度。

术语“操作周期”在此用于指电池中单格电池充电或放电的时间周期。就车辆而言，在一个具体方面，操作周期表示开启车辆使得电池中单格电池充电或放电的时间周期。

术语“正在充电”、“充电”和“已充电”在此用于指控制器开始将电能转换成电池的化学能的状态。

术语“正在放电”、“放电”和“已放电”在此用于指控制器开始将电池的化学能转换成电能的状态。

术语“休眠期”在此用于指电池中单格电池既没充电也没放电的时间周期。就车辆而言，在一个具体方面，休眠期指将车辆关闭使得电池中单格电池既没充电也没放电的时间周期。

就休眠期而言，术语“初始”在此用于指休眠期开始时的时间。在一个特定方面，初始指控制器停止对电池的单格电池进行充电或放电的时间。就车辆而言，初始指将钥匙转向关断位置使得控制器停止对电池的单格电池开始充电或放电、或“切断”的时间。

相似地，就休眠期而言，术语“终止”在此用于指休眠期结束时的时间。在一个特定方面，终止指控制器开始对电池单格电池进行充电或放电的时间。就车辆而言，终止指将钥匙从关断位置转向控制器开始对电池的单格电池充电或放电的位置、或“开启”时的时间。例如，钥匙可以从关断位置转向开启位置或任何辅助位置。

同样就休眠期而言，术语“休眠期终止之后”在此用于指紧随休眠期的终止之后的时间周期，其中核心温度以定期的时间间隔被动态地估算。在一个具体方面，核心温度大约每25ms得到动态地估算。

术语“故障”在此用于指与电池有关的可导致失败的缺陷或异常情形。在一个具体方面，故障是与电池的温度、电压和电流有关的缺陷或异常情形。

本公开的实施例涉及用于在操作周期期间动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的方法和系统。如上所述，在电池(或电池组)中单格电池的表面温度和核心温度之间存在差别。如图1所示，操作周期期间电池中单格电池的表面温度210和核心温度220之间的温度差可大到10℃。

动态估算核心温度的方法

公开了一种在操作周期期间动态估算电池(或电池组)中至少一个单格电池的核心温度220的方法。该方法包括：通过至少一个控制器接收至少一个单格电池的表面温度210、电流、电压和电荷状态、以及从休眠期240的初始250到休眠期240的终止230的时间周期；确定该至少一个单格电池的集总内电阻的初始值；基于所述初始值、电流和电压实时递归地确定集总内电阻的后续值；以及基于所述表面温度210、电流、所获取的时间和集总内电阻确定该至少一个单格电池的核心温度220。

具体地，根据下面的热力学模型动态估算单格电池的核心温度220：

$\mathrm{\τ}\frac{{\mathrm{dT}}_{\mathrm{est}}}{\mathrm{dt}}+T_{\mathrm{est}}\left(t\right)=T_{\mathrm{sur}}\left(t\right)+R_{\mathrm{int}}\mathrm{\α}{I}^2\left(t\right)---\left(1\right)$

其中τ是热力学时间常量，α是热传递常量，t_est是所确定的核心温度220(例如，所确定的核心温度220)，T_sur是表面温度210，R_int是内电阻，以及I是电流。在离散化等式(1)时，确定出下面的等式：

$\mathrm{\τ}\frac{T_{\mathrm{est}}(k+1)-T_{\mathrm{est}}\left(k\right)}{\mathrm{\ΔT}}+T_{\mathrm{est}}\left(k\right)=T_{\mathrm{sur}}\left(k\right)+\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{int}}{I}^2\left(k\right)---\left(2\right)$

$T_{\mathrm{est}}(k+1)=\frac{\mathrm{\τ}-\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{est}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}{T}_{\mathrm{sur}}\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{int}}{I}^2\left(k\right)---\left(3\right)$

其中τ、T_cst、T_sur、α、R_int和I如上所述，并且其中ΔT是从单格电池的核心温度220的先前估算到单格电池的核心温度220的当前估算的时间周期，τ_f(I_cell，T_{cell_sur})和α_f(I_cell，T_{cell_sur})是单格电池的电流和表面温度210的函数并且如可校准的查找表所设定。单格电池的核心温度220基于单格电池的表面温度210、单格电池的电流80、所获取的从休眠期240的初始到休眠期240的终止230的时间周期、以及内电阻来动态估算。

参照图2A和2B，电池(或电池组)110可以是能量存储系统(“ESS”)100的一部分。ESS100可以是空气冷却的BAS+ESS。ESS100可用于车辆400中，所述车辆400的一部分原动力来自ESS100，或者ESS100可以应用至本领域普通技术人员已知的其它车辆和设备。本领域普通技术人员应理解的是，用于动态估算单格电池110a-110h的核心温度220的方法可以随任何类型的电池(或电池组)110包括但并不局限于锂粒子电池和铅酸电池来执行。在另一方面，电池110包括至少一个单格电池110a-110h，其中单格电池110a-110h包括表面和核。本领域普通技术人员还应理解的是，用于动态估算核心温度220的方法可随任何形状、尺寸和连通性的电池110a-110h来执行。例如，单格电池110a-110h的形状可以是大致圆柱形和/或大致棱柱形。另外，单格电池110a-110h的连通性可包括并联电路或串联电路。在一个特定方面，电池110包括串联连接的三十二个单格电池110a-110h。

单格电池110a-110h的表面温度210可以根据本领域已知的任何方法进行测量和/或确定。在一个实施例中，单格电池110a-110h的表面温度210由至少一个传感器120来测量。传感器120可包括能够测量电池110中单格电池110a-110h的表面温度210的任何设备。在一个特定实例中，传感器120是热敏电阻。在另一实例中，电池110包括串联连接的三十二个单格电池110a-110h，其中单格电池110a-110h的表面温度210由附接至电池110的单格电池110a-110h中的六个上的六个传感器120来测量。

单格电池110a-110h的电流可以根据本领域已知的任何方法来测量和/或确定。在一个实施例中，电流由至少一个传感器120来测量。传感器120可包括能够测量电池110中的单格电池110a-110h的端电流的任何设备。例如，单格电池110a-110h的端电流可以由电流表、钳形表(clamp meter)、或电流计以及它们的组合来测量。

单格电池110a-110h的电压可以根据本领域已知的任何方法来测量和/或确定。在一个实施例中，电压由至少一个传感器120来测量。传感器120可包括能够测量电池110中的单格电池110a-110h的电压60的任何设备。例如，电压可由伏特计、电位器或示波器以及它们的组合来测量。

单格电池110a-110h的荷电状态可以根据本领域已知的任何方法来估算和/确定。例如，可以通过如共同拥有的美国专利US7324902中所述的基于电压或基于电流的方法来确定荷电状态，所述专利的整个内容通过参考在此并入。在测量出表面温度210以及确定出单格电池110a-110h的荷电状态时，单格电池110a-110h的内电阻50可以经由2D查找表来确定。

如图3所示，休眠期240由从休眠期240的初始250至休眠期240的终止230的时间周期来限定。从休眠期240的初始250至休眠期240的终止230的时间周期可以根据本领域已知的任何方法来测量和/或确定。在一个实施例中，从休眠期240的初始250至终止230的时间周期由计时设备来测量。所述计时设备可包括能够测量从休眠期240的初始250至休眠期240的终止230的时间增加的任何计时设备。例如，所述计时设备可包括在“切断期间”测量时间的电子计时器。

单格电池的核心温度220的确定可额外地基于来自之前估算的所确定核心温度220的之前所确定值。在之前所确定的核心温度220在随后于休眠期240的终止230后来估计的一个实施例中，所确定的核心温度220如在前面和后面部分所述来估算。在该特定实施例中，之前所确定的核心温度220可储存在存储设备中，如在后面部分所述。

在另一实施例中，单格电池的核心温度220的确定可额外地基于在休眠期240的终止230时所估算的所确定核心温度220的初始值。在该特定实施例中，所确定的核心温度220由不同于前面所述的用于动态估算核心温度220的方法来估算。可根据本领域已知的任何方法来估算在休眠期240的终止230处的单格电池110a-110h的核心温度220。例如，在休眠期240的终止230处的所确定核心温度220可如在2011年5月20提交的共同拥有的美国申请No.13/112,376中所述来估算，所述申请的整个内容通过参考在此并入。

参照图3，在一个特定实施例中，休眠期240的终止230处的核心温度220基于在休眠期240的初始250处的单格电池110a-110h的所确定核心温度220、在休眠期240的初始250处的单格电池110a-110h的表面温度210、从休眠期240的初始250至休眠期240的终止230的时间周期、在休眠期240的初始250处的单格电池110a-110h的表面温度210与在休眠期240的初始250处的单格电池110a-110h的所确定核心温度220会聚(converge)所需的时间260所需的时间、以及休眠期240的终止230处的单格电池110a-110h的表面温度210来确定。

独立于冷却空气温度、冷却空气流速和电池的扇速中的至少一个来确定核心温度220。

过滤和限制

所述方法还包括对表面温度210、电流和/或电压进行过滤。在一个实施例中，表面温度210可通过移动平均法来过滤。例如，表面温度210的当前值可通过表面温度210的之前值来平均。在一个特定实例中，表面温度210的当前值可通过表面温度210的之前四个值来平均。然后，该平均值可用作表面温度210。在休眠期的终止处，第一表面温度210用作为表面温度210。相似地，在表面温度的之前值少于四个的情形中，表面温度210通过可获得的之前值来平均。在该实施例中，所述方法还可包括储存之前估算的表面温度210的值。

表面温度210、电流80和/或电压60也都可以经由低通滤波器来过滤。例如，与表面温度210、电流80和/或电压60相关的超过截止频率的信号和/或信息被衰减。在一个特定实施例中，截止频率为大约200Hz。这可通过防止来自之前值的表面温度210、电流80和/或电压60的当前值中出现尖峰来增强用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法的鲁棒性。

所述方法还可包括将表面温度210限制在预定值范围内。例如，预定值范围包括理论上的最小值和最大值，表面温度210应不低于所述最小值也不超过所述最大值。具体地，表面温度210可被限制在落入从大约-40℃至大约+85℃的范围内。例如，如果表面温度210低于最小值(如-40℃)，那么该最小值可用作表面温度210的值。相似地，如果表面温度210高于最大值(如+85℃)，那么该最大值可用作表面温度的值。这可通过防止表面温度210的理论上不可能的值来增强用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法的鲁棒性。

估算内电阻

所述方法还包括确定该至少一个单格电池110a-110h的集总内电阻50的初始值和基于所述初始值、电流80和电压60实时递归地确定所述集总内电阻50的后续值。所述集总内电阻50被确定为单格电池110a-110h的内电阻50的近似值。如图4所示，内电阻50是两参数电池电路等价模型中的一个参数。单格电池110a-110h的内电阻50是单格电池110a-110h的核心温度220的主要热源并且随老化而增大。基于单格电池110a-110h的表面温度210和单格电池110a-110h的荷电状态确定休眠期240的终止处的集总内电阻的初始值。如前面部分所述，可以测量、确定和/或估算单格电池110a-110h的表面温度210和荷电状态。基于单格电池110a-110h的表面温度210和荷电状态经由2D查找表来确定集总内电阻的初始值。

基于所述初始值、电流和电压实时递归地确定集总内电阻的后续值。在一个实施例中，经由最小二乘关系实时递归地确定集总内电阻的后续值。更特别而言，根据如下关系表示的两参数电池电路等价模型基于集总内电阻的初始值、电流和电压实时递归地确定集总内电阻的后续值：

V_terminal(k)＝V_oc(k)+R_intI_terminal(k)    (4)

其中V_terminal是单格电池110a-110h的端电压60，V_oc是单格电池110a-110h的开电路电压70，R_int是单格电池110a-110h的内电阻50，以及I_terminal是单格电池110a-110h的端电流80。

在一个实施例中，通过确定集总阻抗来递归地估算集总内电阻50。集总阻抗取决于单格电池110a-110h的内电阻50和单格电池110a-110h的电容。基于两参数电池电子电路等价模型根据多个函数关系可实时确定集总阻抗。该多个函数关系式简化为一组时间分段递归函数关系。例如，根据下面关系式可确定所述集总阻抗：

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{int}}(k+1)\\ V_{\mathrm{oc}}(k+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{int}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{oc}}\left(k\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{K}_1(k+1)(V_i(k+1)-R_{\mathrm{int}}\left(k\right)\·I_i(k+1)-V_{\mathrm{oc}}\left(k\right))\\ K_2(k+1)(V_i(k+1)-R_{\mathrm{int}}\left(k\right)\·I_i(k+1)-V_{\mathrm{oc}}\left(k\right))\end{array}\right]---\left(5\right)$

$\left[\begin{array}{c}{K}_1(k+1)\\ K_2(k+1)\end{array}\right]=\frac{\left[\begin{array}{cc}{p}_{11}\left(k\right)& p_{12}\left(k\right)\\ p_{21}\left(k\right)& p_{22}\left(k\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_i(k+1)\\ 1\end{array}\right]}{\mathrm{\λ}+\left[\begin{array}{cc}{I}_1(k+1)& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{p}_{11}\left(k\right)& p_{12}\left(k\right)\\ p_{21}\left(k\right)& p_{22}\left(k\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_i(k+1)\\ 1\end{array}\right]}---\left(6\right)$

$\left[\begin{array}{cc}{p}_{11}(k+1)& p_{12}(k+1)\\ p_{21}(k+1)& p_{22}(k+1)\end{array}\right]=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}\left[\begin{array}{cc}1-K_1(k+1)I_i(k+1)& -K_1(k+1)\\ -K_2(k+1)I_i(k+1)& 1-K_2(k+1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{p}_{11}\left(k\right)& p_{12}\left(k\right)\\ p_{21}\left(k\right)& p_{22}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(7\right)$

该递归方法从以下面顺序导出以便估算单格电池110a-110h的内阻抗50：

$R_{\mathrm{int}}\left(k\right),V_{\mathrm{oc}}\left(k\right),P\left(k\right)\stackrel{V_i(k+1),I_i(k+1)}{\→}K(k+1),P(k+1)\stackrel{R_{\mathrm{int}}\left(k\right),V_{\mathrm{oc}}\left(k\right)}{\→}{R}_{\mathrm{int}}(k+1),V_{\mathrm{oc}}(k+1)---\left(8\right)$

其中R_int和V_oc如在上面所描述。

如在等式(5)-(8)中所述，所述多个函数关系被时间分段成在于，在一个时间的集总内电阻可通过在之前时间的集总内电阻的函数表达来建模。例如，集总内电阻可基于之前所确定的内电阻的值和开电路电压70而递归地估算。

限制内电阻

用于动态估算核心温度220的方法还可包括将内电阻50限制到预定值范围。因为内电阻50是单格电池的电化学参数，所以内电阻50基于荷电状态和温度具有理论设计值范围。内电阻50被限制到在理论设计值范围内的范围。内电阻50通过设置值限制而被限制到预定值范围，使得如果内电阻50超过值限制，则其将饱和至限制值。内电阻50被限制到落入在对于在单格电池110a-110h的寿命开始处给定荷电状态和温度的内电阻50与对于在单格电池110a-110h的寿命结束处相同荷电状态和温度的内电阻50之间的预定值范围。

上限值和下限值可设定成使得内电阻50被限制到小于或等于上限值并且大于或等于下限值的预定值范围。该函数根据下面的关系来实现：

其中R_int是如上述的内电阻50，R_{int_upper_lim}是上限值，以及R_{int_lower_lim}是下限值。在一个实例中，将内电阻50限制到预定值范围内可以增强用于动态估算单格电池110a-110h的核心温度220的方法的鲁棒性。

在正常操作情形下，内电阻50不会显著改变。根据下面的关系来描述内电阻50变化的速率：

其中dR_int(t)/dt是内电阻50变化的速率，R’_{int_upper_lim}是上限值，而R’_{int_lower_lim}是下限值。

更新所确定的核心温度220

用于动态估算核心温度220的方法还可包括在周期的时间间隔更新单格电池110a-110h的所确定的核心温度220。更新所确定的核心温度220包括使用当前所确定的核心温度220替代之前所确定的核心温度220。估算的速率应不高于采样和/或测量表面温度220的速率。估算的速率和/或所确定的核心温度220得到更新的周期时间间隔取决于单格电池110a-110h的表面温度210改变的速率。在一个特定实例中，估算方法包括大约每25ms更新单格电池110a-110h的所确定的核心温度220。

储存温度信息

用于在操作周期期间动态估算电池110中至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法还可包括储存在至少一个单格电池110a-110h故障的休眠期240的初始250时的温度信息。在操作周期期间可出现各种单格电池110a-110h故障，包括但并不局限于温度故障、电压60故障和电流80故障。在一个实例中，可储存温度信息，其中至少一个单格电池110a-110h经历温度故障。在该实例中，在休眠期240的开始250处待被存储的表面温度210如下面的表I中所列。表I提供为用于混合电动车电池系统的实例，其中六个单格电池110a-110h的核心温度220根据本公开的实施例来动态地估算。

表I

如表I所示，在0至5个单格电池110a-110h故障的情形下，待存储的表面温度210从以下组选择，该组由至少一个非故障单格电池的表面温度210、多个非故障单格电池的平均表面温度210和多个非故障单格电池的平均的所确定核心温度220组成。另外，在0个单格电池110a-110h故障的情形下，在休眠期240的初始250待存储的表面温度210是非故障单格电池的表面温度210。另外，在所有六个单格电池110a-110h经历温度故障的情形下，在休眠期240的初始或在切断时待存储的表面温度210是故障温度，或25℃。

用于动态估算核心温度220的方法还可包括存储温度信息，其中至少一个单格电池110a-110h经历电压故障、温度故障或电流故障中的至少一种。在该实施例中，在休眠期240的初始250处待被存储的表面温度210如下面的表II中所列。表II提供为用于混合电动车电池系统的实例，其中用于六个单格电池110a-110h的核心温度220根据本公开的实施例来动态地估算。

表II

如表II所示，在其中0个单格电池110a-110h经历电压故障、温度故障或电流故障的情形下，在休眠期240的初始250待存储的表面温度210是所确定的核心温度220。另外，在该特定方面，在操作周期期间用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法设定成执行。在0至5个单格电池110a-110h经历电压故障或温度故障的情形下，在休眠期240的初始250待存储的表面温度210是平均的多个非故障单格电池110a-110h的动态地所估算的核心温度220或非故障伙伴(sister)单格电池的动态地所估算的核心温度220。另外，在该实施例中，在操作周期期间用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法设定成不执行。最后，在所有六个单格电池经历电压故障、温度故障或电流故障的情形下，在休眠期240的初始250待存储的表面温度210是故障温度，或25℃。另外，在该实施例中，在操作周期期间用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法设定成不执行。

本领域普通技术人员应该理解的是，用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法可设想为多步操作。而且，用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的方法的步骤可以任何顺序执行，使得如在此所述的对单格电池110a-110h的核心温度220进行估算。更特别而言，接收该至少一个单格电池110a-110h的表面温度210、电流、电压和荷电状态、以及从休眠期240的开始至休眠期240的终止230的时间周期的步骤可以任何顺序执行，使得内电阻可以基于表面温度210、电流、时间和集总内电阻50来确定。替代地，接收该至少一个单格电池110a-110h的表面温度210、电流80、电压60和荷电状态、和从休眠期240的初始到休眠期240的终止230的时间周期的步骤可以任何顺序执行，使得内电阻50可同时或大致同时来执行以使内电阻50可基于表面温度210、电流80、时间和集总内电阻50来确定。

用于动态估算核心温度220的系统

参照图2A、2B和5，在另一实施例中，公开了一种用于在操作周期期间以及休眠期240之后动态地估算车辆400中电池110中至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的系统300，其中车辆400从电池110中接收该车辆的动力的至少一部分，该电池110由单格电池110a-110h组成。系统300包括多个传感器120，其被构造为传送与电池110的温度、电压60和电流80中的至少一个相关的信号；计时设备340，其被构造为传送与从休眠期240的初始250到休眠期240的终止230的时间周期相关的信号；以及控制系统310，其与多个传感器120信号通讯。所述控制系统310包括存储设备320和通过指令与所述存储设备320信号通讯的控制器330，该指令用于在操作周期期间动态估算电池110中的该至少一个单格电池110a-110h的核心温度220。所述指令编写为：接收该至少一个单格电池110a-110h的表面温度210、电流80、电压60和荷电状态并且获得从休眠期240的初始250到休眠期240的终止230的时间周期，以确定集总内电阻50的初始值、以基于所述初始值、电流80和电压60实时递归地确定所述集总内电阻50的后续值、并且以基于表面温度210、电流、所获取的时间和集总内电阻50确定该至少一个单格电池110a-110h的核心温度220。所述指令编写为如上面等式(1)中列出的关系所表征确定核心温度220。

用于动态估算电池110中单格电池110a-110h的核心温度220的系统300可提供在车辆400中。电池110和单格电池110a-110h如在前面部分所述。如图2A和2B所示，车辆400可以是任何车辆，其中该车辆从电池110接收所述车辆的动力的至少一部分。例如，车辆400可以是混合动力车、电动车、电动混合车或燃料驱动车。在替代方面，用于动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的系统300可以提供在除车辆400以外的其他设备中，其中该设备的至少一部分动力来自电池110。

本领域普通技术人员应该理解的是，车辆400除电池110之外还可包括混合系统控制器410、内燃机420、多个运动生成部件430、432、前轮副440和后轮副442、多个DC转换器450、差速器460、和多个功率逆变器模块470。车辆400还可包括在此没有讨论的其它组件，这些组件与混合动力车、电动车、电动混合车或燃料驱动车的结合是有用的。

参照图5，用于在操作周期期间动态估算至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的系统300包括多个传感器120，其被构造为传送与电池110中的该至少一个单格电池110a-110h的温度、电压60、电流80中的至少一个有关的信号。传感器120如前面部分所描述。在一个特定实施例中，传感器120可选自由热敏电阻、电压表、电位器、示波器、电流表、钳形表或检流计、以及其组合组成的组。系统300还包括计时设备340。计时设备340可包括能够测量和/或确定从休眠期240的初始250到休眠期240的终止230的时间的任何设备，如前面部分所述。在一个实施例中，计时设备340与控制器330信号通讯(如在图5中双箭头线所指示)。

控制系统310与传感器120和计时设备340信号通讯(如图5中双箭头线所示)。控制系统310包括信号通讯(同样在图5中双箭头线所示的)的存储设备320和控制器330。控制系统310包括用于以如上面所述等式(1)至(3)所表示的方式在休眠期240的终止230估算电池110中至少一个单格电池110a-110h的核心温度220的指令。

存储设备320可以是RAM、DRAM、SDRAM、ROM、闪存或静态存储器。控制器330可以是集成电路、微芯片、计算机、专用集成电路(“ASIC”)、或现场可编程门阵列(“FPGA”)。在一个特定实施例中，存储设备320和控制器330可以是彼此信号通讯的分立部件。但是，本领域普通技术人员应理解的是，存储设备320和控制器330也可以形成集成装置。

控制系统310可集成在车辆400的其它系统中。例如，控制系统310可与车辆400的其它系统信号通讯，使得其可以将与动态估算的核心温度220有关的信息传送至所述系统中，从而允许这些系统操作车辆400以便最大化性能、效率、耐久性和其它可优化参数。更特别而言，将与所确定核心温度220有关的信息传送至车辆400中的各种系统可以提供以下优点，包括但并不局限于：(1)改善电池可用性以便改善车辆中的燃料经济性和性能；(2)增强动力容量估算；(3)防止车辆中停车情形；(4)增加车辆中自动停止/起动功能的有效性；(5)提高了在与单格电池的表面温度相比转换至各种电池磨损失效模式与单格电池的核心温度紧密联系时的担保(warranties)；(6)提供传感器的弹性布置，从而允许成本有效和鲁棒的硬件方案；(7)将温度传感器从高电压或有孔电池材料中分离；(8)将温度传感器从电池模块设计中功能性去耦(脱开)；(9)当不需要冷却空气温度、扇速或空气流率时，独立于电池冷却系统而提供电池管理控制系统，其防止HVAC和OBD-II顺从(即在线诊断)和将电池温度传感从热系统中去耦；以及(10)在电池老化并且变化时调节内电阻特征。

所述指令编写为接收该至少一个单格电池110a-110h的表面温度、电流80和电压60。表面温度210、电流80和电压60可在操作周期期间由传感器120来测量和/或确定，如前面部分所述。在一个实施例中，表面温度210、电流80和电压60存储在存储设备320中，使得控制器330可以从存储在其上的存储设备320获取表面温度210、电流80和电压60。

所述指令还编写为接收该至少一个单格电池110a-110h的荷电状态。可如前面部分所述的确定和/或估算荷电状态。荷电状态可被存储在存储设备320上，使得控制器330从存储设备320获取荷电状态。所述指令还编写为获取从休眠期240的开始250到休眠期240的终止230的时间周期，如前面部分所述。在一个实施例中，从休眠期240的开始250到休眠期240的终止230的时间存储在存储设备320上，使得控制器330从存储其上的存储设备320中获取从休眠期240的开始250到休眠期240的终止230的时间周期。

指令还编写为确定集总内电阻50的初始值、基于初始值、电流80和电压60实时递归地确定所述集总内电阻50的后续值、并且基于表面温度210、电流80、所获取的时间以及集总内电阻50确定该至少一个单格电池110a-110h的核心温度220，如前面部分所述。基于表面温度210和荷电状态在休眠期240的终止230处确定初始值。经由最小二乘方关系实时递归地确定集总内电阻50。例如，指令编写为根据上面所列的等式(4)-(8)来估算内电阻50。集总内电阻50的初始值和后续值可存储在存储设备320上。

指令编写为独立于冷却空气温度、冷却空气流率和电池的扇速中的至少一个确定核心温度220。指令还编写为将表面温度210限制在预定值范围内，如前面部分所述。例如，指令还可以编写为根据等式(9)中表达的关系限制集总内电阻50。指令还可以编写为在至少一个单格电池110a-110h故障时在休眠期240的初始250处将温度信息存储在存储设备320中，如前面部分所述。

另外，指令还编写为经由低通滤波器方法对表面温度210、电压60和电流80中的至少一个进行过滤。指令还编写为经由移动平均法对表面温度210进行过滤，如前面部分所述。

在另一实施例中，指令编写为从之前估算中获取所确定核心温度220，如前面部分所述。例如，之前所确定的核心温度220可存储在存储设备320中。之前所确定的核心温度220可在休眠期240的终止230之后或者在休眠期240的终止230处得到估算，如前面部分所述。指令还可以编写为在定期的时间间隔更新所确定的核心温度220，如前面部分所述。

以上描述和图示仅被认为为获得本公开的特征和优点的典型实施例的示意。在不超出本公开的意图和范围的情况下可以对所述的特征和步骤进行修改和替代。因此，不应认为本公开受之前描述和图示的限制，而是仅受所附权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种用于在操作周期期间动态估算电池中至少一个单格电池的核心温度的方法，所述方法包括：

由至少一个控制器接收所述至少一个单格电池的表面温度、所述至少一个单格电池的电流、所述至少一个单格电池的电压、所述至少一个单格电池的荷电状态、以及从休眠期的开始至休眠期的终止的时间周期；

确定所述至少一个单格电池的集总内电阻的初始值；

基于所述初始值、所述电流和所述电压实时递归地确定所述集总内电阻的后续值；以及

基于所述表面温度、所述电流、所获取的时间以及所述集总内电阻确定所述至少一个单格电池的所述核心温度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述核心温度独立于冷却空气温度、冷却空气流速以及所述电池的扇速中的至少一个来确定。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集总内电阻的所述后续值经由最小二乘关系来实时递归地确定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始值基于所述表面温度和所述荷电状态在所述休眠期的终止时来确定。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括将所述表面温度限制到预定值范围。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括经由低通滤波器方法对所述表面温度、所述电压和所述电流中的至少一个进行过滤。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括经由移动平均法来过滤所述表面温度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括在周期时间间隔更新所确定的核心温度。

9.一种用于在操作周期期间动态估算车辆的电池中至少一个单格电池的核心温度的系统，其中所述车辆从所述电池中接收车辆的动力的至少一部分，所述系统包括：

多个传感器，其构造为传送与所述电池的表面温度、电流和电压中的至少一个有关的信号；

计时设备，其构造为传送与从休眠期的开始至所述休眠期的终止的时间周期有关的信号；

与所述多个传感器和所述计时设备信号通讯的控制系统，其中所述控制系统包括存储设备和控制器，所述控制器与所述存储设备通过指令进行信号通讯以便在操作周期期间以及休眠期之后动态估算所述电池中至少一个单格电池的核心温度，所述指令编写为：

接收所述至少一个单格电池的表面温度、所述至少一个单格电池的电流、所述至少一个单格电池的电压、所述至少一个单格电池的荷电状态、以及从所述休眠期的开始至所述休眠期的终止的时间周期；

确定所述至少一个单格电池的集总内电阻的初始值；以及

基于所述初始值、所述电流和所述电压实时递归地确定所述集总内电阻的后续值；以及

基于所述表面温度、所述电流、所获取的时间和所述集总内电阻确定所述至少一个单格电池的所述核心温度。

10.一种包含权利要求9的系统的车辆。

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