CN102473975B - 蓄能器的电池核心温度的确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定蓄能器的电池核心温度的方法，该蓄能器包括至少一个电池，在该方法中，测量所述电池的温度；确定单位体积热量；基于所述电池的几何结构求得电池核心温度。本发明还涉及对应的装置以及具有这种装置的车辆。

Description

蓄能器的电池核心温度的确定

技术领域

本发明涉及用于确定蓄能器的电池核心温度的方法以及对应的装置。还涉及具有这种装置的车辆。

背景技术

例如使用在混合动力车辆中的基于电池的蓄能器（例如大功率蓄能器或高能蓄能器）不仅在充电时而且在放电时都产生废热。为了确保蓄能器的尽可能高的使用寿命，各个电池的最大温度（该最大温度经常出现在电池核心中）在操作时不应超过预定的界限温度（例如，40℃至50℃）。因此需要主动地冷却蓄能器的电池。

电池的需要排出的热量主要受混合动力车辆的行为（加速、减速、同流换热等）影响。这种行为的时间变化曲线几乎不可预见。因此，蓄能器所需的电功率以及因此在电池中产生的废热随时间剧烈波动。

为了检查实际的电池温度，蓄能器的一些电池可例如在电池壁上或在相应的电池电极上设有温度传感器。这些温度传感器可经由电子装置读出数据和评估。然而，这种温度测量仅提供不完善的关于各个电池内的真实温度的信息、即关于实际出现的最大电池温度的信息。

电池的冷却经由其电池壁或电池电极实现。例如在商业通用的圆柱形电池中，对于10W大小的废热，电池核心与电池壁之间的温差为约13K。电池核心与电池电极之间的温差为约5K。

为了保证蓄能器的长使用寿命，并为了能够高能效地使用各个电池以及冷却系统，关于电池核心温度的精确认识是十分重要的。然而由于蓄能器或电池的结构，不能直接测量电池核心温度。

各个电池可借助于壁冷却而排出热量，然而电池的壁温度不是恒定的并随时间波动。通过电池的热惯性（由于其高热容量）以及电池中不断变化的发热量，借助于瞬时的壁温度不足以精确地推导出电池核心温度。

在圆柱形电池中，电池壁或电池电极与电池核心之间的高的温差的问题特别突出。然而特别是在较厚构造的电池中，其他几何结构例如棱柱形或袋形几何结构也具有类似的问题。

发明内容

本发明的目的在于避免前述缺点，并且特别是提供关于蓄能器的优化操作策略的可能性。

为了实现该目的，提供一种用于确定蓄能器的电池核心温度的方法，所述蓄能器包括至少一个电池，在该方法中：测量所述电池的温度，其中，在所述电池的电池电极上和/或在所述电池的电池壁上测量温度；确定单位体积热量，其中，根据电池的内阻、电池的测量的电流和电池的体积求得所述单位体积热量；基于所述电池的几何结构求得电池核心温度，其中，根据所述蓄能器的求得的电池核心温度冷却该蓄能器，其中，基于与时间相关的单位体积热量确定电池核心温度，根据如下关系式在频域中求得电池核心温度：

$T_{\mathrm{Kern}}\left(s\right)=\frac{k}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·q\left(s\right)+\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·T_{\mathrm{mess}}\left(s\right)$

其中：s表示频率，

τ表示特征时间，

k表示热阻抗，

q表示单位体积热量，

T_kern表示电池核心温度，

T_mess表示测量位置的温度。

因此可以以高精确度确定电池核心温度。在此可以考虑具有各种不同几何结构的不同电池，例如主要有圆柱形电池、棱柱形电池或具有袋形几何结构的电池。

特别是可测量多个温度。还可能的是，电池的温度经由电池壁或电池电极测量。

电池温度也可基于电池的材料特性求得。

通过在此提出的方程，能以高精确度确定或预测电池核心中的温度、即电池内部的温度，并且因此例如这样设计电池的冷却，使得电池不超过预定的最大温度，然而同时充分利用电池的高功率潜力。

还有利的是，通过更好地确定蓄能器（特别是高伏蓄能器）的电池核心温度，可以实现用于冷却蓄能器的优化和符合要求的操作策略。由此可以实现：冷却仅仅在所需范围内实现，并且绝大多数不需要的能量不利的冷却被避免。

一种扩展方案在于，根据蓄能器的求得的电池核心温度来冷却蓄能器，其中特别是，蓄能器或电池经由电池壁和/或经由至少一个电池电极进行冷却。

就此而言，该冷却器可安置在电池或蓄能器的可从外部够到的不同位置。特别是，该冷却器可经由存在的冷却回路、例如机动车的空调器实现或联接到该空调器上。

另一扩展方案在于，在电池的电池电极上和/或电池的电池壁上测量温度。

为此优选可使用已存在于电池上的传感器。

特别是一种扩展方案在于，蓄能器是大功率蓄能器或高能蓄能器，并且特别是包括多个电池。

例如可设置蓄能器的具有高充填密度的多个电池。还可能的是，电池之间的间隔用于冷却。

一种扩展方案还在于，根据电池的内阻、电池的测量的电流和体积求得单位体积热量。

此外一种扩展方案在于，根据如下关系式求得单位体积热量q：

q=R_iI²/V

其中：R_i表示内阻，I表示测量的电流，V表示电池的体积。

在另外的扩展方案的范围内，基于与时间相关的单位体积热量确定电池核心温度。

再一扩展方案在于，在频域中求得电池核心温度。

为此，例如在连续时间范围内执行信号的拉普拉斯变换。这一点可例如通过采样实现。因而，电池核心温度的确定或包括多个依次的离散的电池核心温度的电池核心温度变化曲线的确定可在频谱范围（频率范围）内实现。这具有如下优点：可在频率范围内无需高费用地执行计算、例如滤波，并由此具有小复杂度的控制器足以确定电池核心温度。

一种实施方案在于，根据如下关系式在频域中求得电池核心温度：

$T_{\mathrm{Kern}}\left(s\right)=\frac{k}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·q\left(s\right)+\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·T_{\mathrm{mess}}\left(s\right)$

其中：s表示频率，τ表示特征时间，k表示热阻抗，q表示单位体积热量，T_kern表示电池核心温度，T_mess表示测量位置的温度。

基本上，参数τ和k也可以理论上通过已知的材料特性和电池尺寸确定。

上述关系式特别适用于构造为基本上圆柱形的电池。

上述目的还通过一种用于确定蓄能器的电池的电池核心温度的装置实现，该装置具有处理单元，该处理单元被设置为能够执行本发明的方法。

处理单元可例如为模拟的或数字的处理单元，其可构造为处理器和/或至少部分固定布线的电路装置，该模拟的或数字的处理单元被设计为能够执行如在此所述的方法。

前述处理单元可以是或包括各种类型的处理器或计算器或具有对应所需的外围设备（存储器、输入/输出接口、输入输出设备，等）的计算机。还可设置固定布线的电路单元，例如FPGA或ASIC或其他集成电路。

一种实施方案在于，设置冷却器，蓄能器或相关电池可借助于该冷却器经由电池的电池壁和/或经由至少一个电池电极冷却。

一种实施方案还在于，所述蓄能器是车辆特别是混合动力车辆或所谓电动车辆的蓄能器。

一种扩展方案在于，蓄能器的电池具有基本上圆柱形的几何结构、基本上棱柱形的几何结构或基本上袋形的几何结构。

上述目的还通过一种车辆特别是混合动力车辆或电动车辆实现，其具有如在此所述的装置。

附图说明

下文中借助于附图显示和阐释本发明的实施例。

附图如下：

图1示出用于基于电池的蓄能器的温度调节的示意性框图，该蓄能器的电池温度根据测量的壁温度和蓄能器的输出功率求得；

图2示出在此介绍的解决方案的示意性实施，其中传递函数接收作为输入信号的检测的热量和壁温度或电极温度，并且提供作为结果的在离散时刻n的实际电池核心温度。

具体实施方式

介绍的方程允许借助于能容易检测的参数以高精确度确定蓄能器的电池核心温度。通常用于检测这些参数的传感器已存在于蓄能器中。

蓄能器特别可以是大功率蓄能器或高能蓄能器。

此外，所提出的方程的优点在于，其可节约资源地在控制器上实现，且不对外部存储器和/或计算性能提出高要求。

一般性的多维的热量方程式是：

$\mathrm{\ρ}\·C_p\·\frac{\∂T}{\∂t}=\stackrel{\→}{\▿}\·(\mathrm{\λ}\·\stackrel{\→}{\▿}\left(T\right))+q\left(t\right)---\left(1\right)$

其中：

ρ表示材料密度，

C_p表示热容量，

T表示温度，

λ表示导热率，

q(t)表示与时间相关的单位体积热量，

表示倒三角算子。

在圆柱坐标系中，方程式（1）可重新如下给出：

$\mathrm{\ρ}\·C_p\·\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{r\λ}\frac{\∂T}{\∂r}\right)+\frac{1}{r^2}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q\left(t\right)---\left(2\right)$

考虑到径向分量，由方程式（2）得出：

$\mathrm{\ρ}\·C_p\·\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}\·\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(r\frac{\∂T}{\∂r}\right)+q\left(t\right)---\left(3\right)$

对于圆柱形电池，由按圆柱坐标系的方程式（3）得出如下在频域中的关系式：

$T_{\mathrm{Kern}}\left(s\right)=\frac{k}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·q\left(s\right)+\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·T_{\mathrm{mess}}\left(s\right)---\left(4\right)$

其中：s=i·2π·f并且q=R_iI²/V

其中：

f表示频率，

τ表示特征时间，

k表示单位为（m³K）/W的热阻抗，

q表示单位为W/m³的单位体积热量，

T表示温度，

R_i表示内阻，

I表示测量的电流，

T_Kern表示核心位置的温度，

T_mess表示测量位置的温度，

V表示电池的体积。

可在不同位置测量温度。例如可测量电池壁的温度（T_mess＝T_Wand）或者可测量电池的电极的温度（T_mess＝T_Pol），并根据方程式（4）相应地考虑电池壁的温度或电池的电极的温度。

检测与时间相关的电流I(t)并由此在内阻R_i已知且体积V已知的情况下确定与时间相关的热量q(t)以及与时间相关的温度T(t)。

根据由信号处理已知的转换，可借助于拉普拉斯变换在频域中确定这些参数与频率的关系。利用上述关系式，可以确定在频域中的核心温度T_Kern(s)。通过逆变换到时域，获得与时间相关的核心温度T_Kern(t)。

核心温度作为波动的自加热的影响的叠加得出：

$\frac{k}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·q\left(s\right).$

如果壁温度被测量（T_mess＝T_Wand），则项表示变化的壁温度的影响。

这些影响也可彼此无关地考察，以例如在恒定的壁温度的情况下确定时间波动的自加热对电池核心温度的影响。

项代表用于传递热源q和测量的温度（T_Wand或T_Pol）对核心温度（T_Kern）的影响的低通滤波器。

由已知的材料参数（材料密度ρ、电池的导热率λ、热容量C_p）和几何参数（电池半径r），可以将在此提出的方程应用到不同几何结构的电池，并因此通过相应的参数化而可以广泛地使用。

例如，特征时间和热阻抗对于圆柱形电池可在测量的壁温度下如下分析地确定：

$T_{\mathrm{Kern}}\left(s\right)=\frac{k_{\mathrm{Wand}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Wand}}\·s+1}\·q\left(s\right)+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Wand}}\·s+1}\·T_{\mathrm{Wand}}\left(s\right)---\left(5\right)$

其中：

τ＝ρ·C_p·k并且

其中：

τ表示单位为s的特征时间，

k表示单位为(m³K)/W的热阻抗，

ρ表示单位为kg/m³的材料密度，

C_p表示单位为J/(kg K)的热容量，

r表示单位为m的电池半径，

λ表示单位为W/(m K)的导热率。

如果是电极温度而不是壁温度被测量，则特征时间和热阻抗二者都需与电池特性相匹配。

图1示出用于基于电池的蓄能器104的温度调节的示意性框图，该蓄能器的电池温度根据测量的壁温度T_Wand和蓄能器104的输出功率Q求得。

测量的传感器值T_Wand、Q输送给处理单元101，该处理单元根据在此提出的方程进行对电池核心温度T_Kern的确定并提供给调节器102。调节器102将电池核心温度T_Kern与允许的温度范围相比较并相应地控制冷却器103、特别是电池壁冷却器。特别是，调节器102可在接近预定的最大温度值时或在超过用于电池核心温度的预定的阈值时这样控制冷却器103，使得蓄能器104较剧烈地冷却。冷却器103相应地影响蓄能器104的温度、特别是蓄能器104的电池的温度。

在图1中示例性示出的处理单元101也可为调节器102的一部分。

图2示出在此提供的解决方案的示意性实施。传递函数201接收作为输入信号的检测的热量q_n以及壁温度T_Wand(n)或电极温度T_Pol(n)并提供在离散时刻n的实际的电池核心温度T_Kern(n)。

传递函数可如下表示：

$T_{\mathrm{Kern}}\left(n\right)=(k\·q_n-T_{\mathrm{Kern}}(n-1))\·\frac{{\mathrm{\τ}}_s}{\mathrm{\τ}}+T_{\mathrm{Kern}}(n-1)---\left(6\right)$

其中：τ_s表示采样率，q表示检测的热量，n表示离散的检测时刻。

特别是，项T_Kern(n-1)代表核心温度的上一次存储的值。通过许多检测时刻n的序列得出温度变化曲线T_Kern(n)。

在此有利的是，该实施仅对需要提供的资源提出很少的要求，并可特别是在车辆的控制器上实现。

因此可能的是，操作策略如同电池核心温度已知的那样进行设计。电池的冷却可因此比在不知电池核心温度或基本上不知时明显更精确地执行。此外，能量优化的冷却防止电池到达其界限温度。这有利地影响电池的使用寿命。

在持久冷却以及电池的波动输出功率时得到另一优点。由于电池核心温度利用在此提出的方程已知，因此现在蓄能器的最大功率可这样长地调用，直到不超过电池的界限温度。由此在不危害电池使用寿命的情况下形成混合动力车辆或电动车辆的最大可能的电行驶功率。

附图标记列表

101   处理单元

102   调节器

103   冷却器、蓄能器的电池的冷却器

104   蓄能器

201   传递函数

Claims (12)

1.用于确定蓄能器的电池核心温度的方法，所述蓄能器包括至少一个电池，在该方法中：

测量所述电池的温度，其中，在所述电池的电池电极上和/或在所述电池的电池壁上测量温度；

确定单位体积热量，其中，根据电池的内阻、电池的测量的电流和电池的体积求得所述单位体积热量；

基于所述电池的几何结构求得电池核心温度，其中，根据所述蓄能器的求得的电池核心温度冷却该蓄能器，其中，基于与时间相关的单位体积热量确定电池核心温度，根据如下关系式在频域中求得电池核心温度：

$T_{\mathrm{Kern}}\left(s\right)=\frac{k}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·q\left(s\right)+\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1}\·T_{\mathrm{mess}}\left(s\right)$

其中：s表示频率，

τ表示特征时间，

k表示热阻抗，

q表示单位体积热量，

T_kern表示电池核心温度，

T_mess表示测量位置的温度。

2.按照权利要求1所述的方法，其中：所述蓄能器或电池经由电池壁和/或经由至少一个电池电极进行冷却。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中：所述蓄能器为大功率蓄能器或高能蓄能器。

4.按照权利要求3所述的方法，其中：所述蓄能器包括多个电池。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其中：根据如下关系式求得所述单位体积热量q：

q=R_iI²/V

其中：R_i表示内阻，

I表示测量的电流，

V表示电池的体积。

6.按照权利要求1或2所述的方法，其中：在离散时刻n的电池核心温度如下确定：

$T_{\mathrm{Kern}}\left(n\right)=(k\·q_n-T_{\mathrm{Kern}}(n-1))\·\frac{{\mathrm{\τ}}_s}{\mathrm{\τ}}+T_{\mathrm{Kern}}(n-1)$

其中：τ_s表示采样率，

q表示检测的热量，

T_kern表示电池核心温度，

τ表示特征时间，

k表示热阻抗。

7.用于确定蓄能器的电池的电池核心温度的装置，其中：该装置具有处理单元，该处理单元被设计为能够执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

8.按照权利要求7所述的装置，其具有冷却器，所述蓄能器能够借助于该冷却器经由电池壁和/或经由电池的至少一个电池电极进行冷却。

9.按照权利要求7或8所述的装置，其中：所述蓄能器为车辆的蓄能器。

10.按照权利要求9所述的装置，其中：所述车辆是混合动力车辆或电动车辆。

11.按照权利要求7或8所述的装置，其中：所述蓄能器的电池具有基本上圆柱形的几何结构、基本上棱柱形的几何结构或基本上袋形的几何结构。

12.车辆，其具有根据权利要求7至11中任一项所述的装置。