CN103503224A - 用以求得储能器的内部温度的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用以求得电化学储能器（10）的内部温度的方法，特别是用于机动车，其中，在储能器（10）的控制器中，借助存储在该控制器内的、用于所述储能器（10）的热模型，计算机辅助地求出电储能器（10）的电池线圈（3）的内部温度。

Description

用以求得储能器的内部温度的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种用以求得电化学储能器的内部温度的方法及设备，特别是用于机动车。

背景技术

电化学储能器的功率取决于其运行温度。这一点特别是、但并非仅仅适用于那些使用锂离子存储电池的储能器。在机动车领域所使用的储能器典型地包括大量的存储电池，这些存储电池彼此电气串接和/或并接，以便能够提供预定的输出电压和预定的输出电流。在当今开发的存储模块中存储电池是以文首述及的锂离子技术为基础。这种存储电池理想地在确定的温度范围内运行。这个温度范围例如可以界定在﹢5℃与﹢40℃的温度之间。如果存储电池的运行温度超过了温度上限的话，那么便发生会加速老化的情况，这样常常无法保持所要求的使用寿命。相反，如果存储电池在低于温度下限的情况下运行的话，那么电池的功率则大幅下降。存储电池还可能在这个温度范围内仅仅无效率地运转。所以在机动车领域内使用储能器时要对这些储能器进行调温。

为了能够精确而有效地对存储电池进行调温，需要尽可能精确地了解实际温度，即存储电池的内部温度。在求得的存储电池的实际温度的基础上，然后可以进行用于冷却或加热存储电池的温度调节。大多是通过储能器的或者单体的存储电池的壳体表面上的温度传感器来测定储能器的温度。然而此处测量获得的温度值与电化学储能器的实际内部温度不符。为此需要直接测定存储电池之一的电池线圈（Zellwickel）的内部温度。然而存储电池的内部温度的测定与高额的结构设计耗费是分不开的。一方面，储能器的制造过程费用更高，例如由于温度传感器用的电缆导引敷设。另一方面，为了完全满足对有关存储电池或储能器的密封性要求，还必须采取其他一些措施。

发明内容

本发明的目的是，提供一种方法和一种设备，借其能够以更加简单的方式求得电化学储能器的内部温度。

这个目的通过按照权利要求1的特征的方法和按照权利要求11的特征的电化学储能器得以实现。一些有益的设计可由各从属权利要求得出。

本发明提供一种用以求得电化学储能器的内部温度的方法，特别是用于机动车，其中，在储能器的控制器中，借助一种存储在该控制器内的、用于所述储能器的热模型，计算机辅助地求出电储能器的电池线圈的内部温度。

另外，本发明提供一种特别是用于机动车的电化学储能器，其包括一控制器，在该控制器内存储有电储能器的热模型，其中，该储能器构造成用以实施本发明的方法。

通过本发明，可以放弃使用用来直接测定电化学储能器的内部温度的温度传感器，这样有利于储能器的设计结构。另一方面，在使用用于储能器的热模型的情况下通过对内部温度的模拟，可以实现对储能器的存储电池的尽可能精确的温度调节。储能器通过更加精确的温度调节实现的时间上的更加均匀和更加温热的运转将使得储能器的运转总体上效率更高，而无损害储能器的存储电池的危险。同样也使超过储能器的存储电池的、导致加速老化的温度极限值的危险降低到最小。储能器的模拟的内部温度的另一个优点在于：更加准确的温度信号能够用作状态识别的其他方面所用的输入信号，诸如充电状态识别。通过这种方式还提高了其他状态评估的精确性。

储能器的热模型适宜地由热容量和热电阻构成。在此，一个热电阻设置在两个热容量之间。所述热容量代表着储能器的部件，诸如一个或者多个存储电池的电池线圈、存储电池的壳体、存储电池的连接端子、冷却装置等。借助热容量中的两个之间的一热电阻来掌握从一个热容量到其他热容量的导热量度。

特别是，在热模型内考虑了用于储能器的至少一个存储电池的电池线圈的、用于这个（这些）存储电池的外壳的、用于这个（这些）存储电池的至少一个连接端子的和可选地用于冷却装置的热容量。在热模型内将冷却装置作为热容量加以考虑是可选的，因为所述冷却装置可以根据调节情况接通或者断开。如果冷却装置未激活的话，那么在热模型内可以忽略这个冷却装置。只有在冷却装置运转时，才需要考虑其热容量。

另外适宜的是：在热模型内还对所述储能器的功率损失进行处理，该功率损失例如由在储能器内通过测量技术测得的电流求出。当在模拟的框架下对存储电池之一的电池线圈的温度进行求定时，由于该温度受到功率损失的影响，对储能器的功率损失的这种考虑是很重要的。

另外适宜的是：至少储能器的一个部件（该部件代表除了电池线圈之外的热容量之一）的温度通过测量技术被求得并在热模型内加以考虑。

优选考虑容易测量的温度，例如在壳体外侧上主导存在的温度。作为可选方案，也可以通过测量技术测得在连接端子上主导存在的温度，还有冷却装置的温度。

对于热模型，两个邻近的热容量之间的交换热量重复地在预定的时步内根据下列公式由它们的温差求出：

$Q_{i\→i+1}=\frac{T_i-T_{i+1}}{R_{\mathrm{th},i\→i+1}}\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$

接着，对于该热模型重复地由求出的热量根据下列公式在每个预定的时步内求出针对所述热容量的温度：

$T_i(t_0+\mathrm{\Δt})=T_i\left(t_0\right)+\frac{1}{C_{\mathrm{th},i}}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{Q}_k---\left(2\right)$

因此本发明提出的方法是以重复确定每个热容量的热流为基础，由所述热流然后便可以计算出相应的温度。由于本发明的方法是“在线地”、即实时地在储能器的控制器的运行过程中进行求定，所以在控制器重新启动时必须首先对在模拟处理中所使用的、至少有些温度的初值加以初始确定。同时必须区别是在预定的停机时间的极限值内重新启动控制器还是超过预定的停机时间的极限值之后重新启动。在后一情况中可以认为储能器的所有的部件具有相同的温度值。因此，借助在控制器启动后确定的对至少一个温度值的测量，这个温度值也可以用作其他的部件的温度值。作为可选方案，初始条件可以被计算成例如形式上为衰变曲线的停机时间连续函数。

如果在控制器重新启动时以及因此在储能器再次启动时还未达到停机时间的预定的值的话，那么储能器的部件具有不同的温度值。在这种情况下适宜的是：在停机状态后直到储能器的预定的最大持续时间为止，对代表热容量的部件的、通过测量技术无法测得的或通过测量技术未测得的温度的温度初值为了使用所述热模型而进行计算机辅助估算。通过这种方式能够将每次停止状态后求得的温度的初值误差降低到最小。

在此，在实时进行的模拟之前可以对偏移误差的最小化进行数学估算。为了对停机状态后的温度初值进行估算，可以按第一变型方案实施下述步骤：首先对有关的、在停机状态前最后经计算机辅助求出的温度值和在存储电池的一个其他的部件上测量获得的温度值进行存储。在停机状态结束时计算出在存储的测量获得的温度值与经计算机辅助求出的温度值之间的温差，其中，经计算机辅助求出的温度值在温差形成之前借助预定的衰变曲线和停机状态的长度得到修正。将该温差与在停机状态结束时测量获得的温度值相加，其中，由此得出的总值就表示温度初值。

为了在每次模拟的起始阶段中对残留的初值误差进行尽可能快的修正以及也为了在整个模拟时间内将模拟与实际之间的偏差降低到最小，可以附加地使用一个调节技术的观测器。借助该调节技术的观测器，可以有益地同时将测量获得的表面温度在热模型中一起计算在内。例如，可以在冷却装置的某一给定的温度的情况下对于电流输出温度实施这一点。

附图说明

下文将参照附图所示的实施例进一步阐述本发明。附图中：

图1为经过简化的电化学储能器的热等效线路图，特别是为了在机动车内的使用；

图2为温度时间曲线图，借助该温度时间曲线图对在停机状态之后通过测量技术未测得的温度部件的模拟初值的求算过程加以阐述；以及

图3为调节技术的观测器的示意图，其用于将在图1所示的储能器的热模型内的偏误（Fehlerabweichung）降低到最小。

具体实施方式

图1示出的是一种电化学储能器的热等效线路图，如它可以例如使用在电动车中那样。这样的储能器包括例如多个依次相继布置的棱柱形存储电池。原则上所述电化学储能器同样可以由大量圆柱形的存储电池构成。每个存储电池具有两个连接端子。第一连接端子例如表示存储电池的正极，第二连接端子表示存储电池的负极。通常正极与存储电池的壳体电连接。存储电池按如下方式依次相继布置，即，使一个存储电池的第一连接端子与邻接的存储电池的第二连接端子邻接靠置。通过将各两个相互邻近布置的连接端子并排布置，可以使用一些连接元件将存储电池串接。为了将相互邻接的存储电池并接，也可以将相互邻近布置的、相同的连接端子并排布置。这样可以由储能器提供较高的电流。

通常存储电池总体设置在一个壳体内。为了使存储电池在储能器运行过程中保持在预定的温度范围内，在壳体的底部典型地设置有一个冷却及加热装置，该冷却及加热装置可以整合在壳体内。

现今用在机动车内的储能器的存储电池通常以锂离子技术为基础。这样的存储电池需在确定的温度范围内运行。这个温度范围例如可以界定在﹢5℃至﹢40℃之间。高于﹢40℃的温度会导致电池的使用寿命缩短。在低于﹢5℃的温度下的运行导致各存储电池在运行中功率下降和较低的效率。这个问题-以可能不同的温度范围-也涉及到不同类型的存储电池。对各存储电池内部的实际温度的求定越精确，对储能器的存储电池的冷却或者加热就能够越精确地实现。

根据本发明，取代实际测量，在使用存储于储能器的控制器内的热模型的情况下，通过模拟，计算机辅助地求出储能器的内部温度。在本说明书中，其中所说的内部温度是指出现在存储电池内部的温度，该温度相当于所谓的电池线圈的温度，存储电池的电化学过程在该电池线圈内进行。

为此使用储能器的这样一种热模型，该热模型包括热容量Cth,i，其中i=1至k，和热电阻Rth,j，其中j=1至4。在图1中示出的简化的热模型内考虑到了用于储能电池的壳体1、储能器的存储电池之一的电池线圈2、存储电池的电池端子或者连接端子3和可选的冷却装置K的热容量Cth,1、Cth,2、Cth,3和Cth,k。根据储能器内可能的热通路，热电阻Rth,1、Rth,2、Rth,3和Rth,4设置在热容量的每两个之间。电阻Rth,1表示冷却装置与壳体1之间的热电阻。Rth,2代表壳体1与电池线圈2之间的热电阻。Rth,3代表壳体1与电池端子3之间的热电阻。Rth,4代表电池线圈2与电池端子或者说连接端子3之间的热电阻。在蓄能器的运行中，在代表着热容量的部件1、2、3、K上产生温度T1、T2、T3和Tk。

可以根据冷却装置是否运转来考虑冷却设备K的热容量Cth,k和配属的热电阻Rth,1。如果冷却装置未被激活运行用以调节储能器的温度的话，那么所述部件可以忽略不计。只有在冷却装置被激活的情况下考虑所述部件才是适宜的。

另外，在热模型中还考虑到储能器的功率损失PV。例如可以由通过测量技术获得的储能器内的电流间接地求出这个功率损失。

为了对储能器的内部温度进行模拟，测定壳体1的、电池端子或连接端子3的或者冷却设备K的温度T1、T3、Tk中的至少一个是适宜的。通过这种方式可以在短时间内正确地确定出储能器的内部温度。然而原则上也可以放弃这种通过测量技术提供温度信号的方式。不过，然后正确地求得储能器的内部温度将花费长得多的时间。

在配置于储能器的控制器内“在线地”即实时地、计算机辅助地对储能器的内部温度进行计算。为此，重复地在每个时步△t内由两个邻接的热容量Cth,i和Cth,i＋1的温差Ti－Ti＋1确定出它们之间的交换热量Q。由于在一个时步期间从一个热容量i到一个热容量i＋1的热流Q/△t可以被认为是恒定的，所以根据方程式（1）便得出一个时步期间的交换热量：

$Q_{i\→i+1}=\frac{T_i-T_{i+1}}{R_{\mathrm{th},i\→i+1}}\mathrm{\Δt}.---\left(1\right)$

然后根据方程式（2）

$T_i(t_0+\mathrm{\Δt})=T_i\left(t_0\right)+\frac{1}{C_{\mathrm{th},i}}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{Q}_k---\left(2\right)$

能够借助热流平衡明确地针对每个时步求出热容量Cth,i上的温度。换言之，这就意味着：为每个由一个热容量所代表的部件1、2、3、K设立一个热量平衡，其中，从热容量中流出的热量和流入有关的热容量中的热量被相加在一起。借助与各邻近的热容量的温差可以求出热量。尽管为了实施对储能器的冷却或者加温调节，感兴趣的只是储能电池的内部温度，但是为了求得这个温度还需要那些邻近的热容量的温度，因而可选地通过模拟求出和/或通过测量技术检测这些温度。

为了在模拟中将储能器的每次停止状态后计算机辅助测得的部件的温度的初值误差保持得尽可能小，进一步规定如下：在实施重复的模拟之前对用于模拟的温度初值进行数学估算。这一点在停机时间低于预定的、取决于储能器的型式和几何结构的阈值时特别重要。在棱柱形存储电池的情况下，对于停机状态的阈值根据电池规格大约在1到3个小时之间。如果储能器包括圆柱形存储电池的话，那么对于停机状态的极限值根据电池规格在0.5至2个小时之间。只有在停机状态小于为储能器预定的极限值时才对温度初值进行数学估算。在停机状态超出极限值的情况下，可以认为重要的部件上主导存在的温度相互进行了平衡。因此通过测量求定的例如电池端子3的温度值可以用作初值。

如果停机状态相反小于预定的极限值的话，那么对温度初值实施如下所述的估算。对此在图2中示意性地示出了其原理。图2示出的是温度时间曲线图。在这个温度时间曲线图中绘出了在时间上电池线圈的温度变化过程（T2）和电池端子或连接端子的温度变化过程（T3）。在t0与t1之间储能器处于运行中，其中，经过测量获得温度值T3和通过热模型的模拟获得电池线圈的温度值T2。在时间点t1停机状态（停止阶段）开始，就是说，既没有从储能器中消耗能量也没有能量储存到储能器内。该停机状态持续到时间点t2。为了在模拟处理中将求得的温度的初值误差降低到最小，首先在停机状态开始时，即在时间点t1将测量获得的温度值T3（t1）以及通过计算技术求得的温度值T2（t1）存储在控制器内。在停机状态结束时，即在时间点t2，储能器重新进入运行状态。

在这种情况下，首先通过控制器求出停机状态的长度（时长），即t2－t1。借助存储在控制器内的电池线圈的衰变曲线T2可以求出相对基准温度T3（t1）的温差△Tsim。所述衰变曲线非常近似一个具有匹配的时间常数的指数函数。由该衰变曲线和停机状态的长度可以计算出电池线圈在时间点t2的内部温度T2'（t2）。与存储的电池端子的温度T3'（t2）之差表示所求的温差△Tsim。这里的出发点基础是：T3'（t2）与存储的、在时间点t1时的温度T3（t1）相符。计算出的温差△Tsim然后与电池端子上的第一测量值T3（t2）相加。由此便得出在时间点t2时的温度初值T2（t2）。

为了在停机状态之后附加地对残留的初值误差进行尽可能快的修正以及也为了在整个模拟时间内将模拟与实际之间的偏差降低到最小，可以使用一个调节技术的观测器。在图3中示出了这样的与储能器10相连的观测器20。观测器20构造成由现有技术已知的龙伯格观测器（Luenberger-Beobachter）。使用用于将初值误差或偏移误差降低到最小的观测器，可以在观测器模型内同时将测得的、例如电池端子上的温度一起计算在内。通过这种方式可以使模拟与测量值匹配。

对热模型通过根据方程式（1）和（2）的微分方程式的说明可以被转化到状态空间。方程式（3）和（4）的右边的最后项描述的是温度测量信号从电池端子到模拟的反馈。

$\stackrel{\·}{x}=A\·x+B\·u+L(y-\hat{y})---\left(3\right)$

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{T}}_1\\ {\stackrel{\·}{T}}_2\\ {\stackrel{\·}{T}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}-\frac{1}{C_1{R}_1}-\frac{1}{C_1{R}_2}-\frac{1}{C_1{R}_3}& \frac{1}{C_1{R}_2}& \frac{1}{C_1{R}_3}\\ \frac{1}{C_2{R}_2}& -\frac{1}{C_2{R}_2}-\frac{1}{C_2{R}_4}& \frac{1}{C_2{R}_4}\\ \frac{1}{C_3{R}_3}& \frac{1}{C_3{R}_4}& -\frac{1}{C_3{R}_3}-\frac{1}{C_3{R}_4}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc}0& \frac{1}{C_1{R}_1}\\ \frac{1}{C_2}& 0\\ 0& 0\end{array}\right)\·\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{c}{P}_V\\ T_K\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{l}_1\\ l_2\\ l_3\end{array}\right)\·(y-\hat{y})---\left(4\right)$ y＝C·x    (5)

$y=\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\end{array}\right)---\left(6\right).$

方程式（3）、（4）、（5）和（6）以普通技术人员熟知的方式代表与根据图3的龙伯格观测器组合的热模型的状态空间图。借此该热模型在控制器内被一同模拟。

在模拟与测量获得的温度值之间的偏差可以乘上一个修正矩阵L，并被反馈回热模型中。借此，观测器20会对模型的和初值求定的不准确性做出反应。温度初值在x0被输入观测器中。

附图标记列表

1         壳体

2         电池端子

3         电池线圈

K         冷却装置

10        储能器

20        观测器

T1        壳体的温度

T2        电池端子的温度

T3        电池线圈的温度

TK        冷却装置的温度

T2（t1）  电池端子在时间点t1时的温度

T3（t1）  电池线圈在时间点t1时的温度

T2'（t2） 在时间点t2时电池端子的在时间点t1时存储的温度

T3'（t2） 计算出的、电池线圈在时间点t2时的温度

T2（t2）  电池端子在时间点t2时的温度初值

T3（t2）  测量获得的、电池线圈在时间点t2时的温度

PV        功率损失

Cth,1     壳体的热容量

Cth,2     电池端子的热容量

Cth,3     电池线圈的热容量

Cth,K     冷却装置的热容量

Rth,1     壳体的热电阻

Rth,2     电池端子的热电阻

Rth,3     电池线圈的热电阻

Rth,K     冷却装置的热电阻

T         温度

t         时间

Claims (11)

1.用以求得电化学储能器（10）的内部温度的方法，特别是用于机动车，其中，在储能器（10）的控制器中，借助存储在该控制器内的、用于所述储能器（10）的热模型，计算机辅助地求出电储能器（10）的电池线圈（3）的内部温度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述储能器（10）的热模型由热容量（Cth,i，其中i=1至k）和热电阻（Rth,j，其中j=1至4）构成，其中，在热容量（Cth,i）中的两个之间设置一个热电阻（Rth,j）。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述热模型内考虑到用于储能器（10）的至少一个存储电池的电池线圈（2）的、用于这个（这些）存储电池（10）的外壳（1）的、用于这个（这些）存储电池的至少一个连接端子（3）的以及可选地用于一冷却装置（K）的热容量（Cth,i）。

4.如前述权利要求之任一项所述的方法，其中，在所述热模型内对储能器（10）的功率损失进行处理，该功率损失由在所述储能器（10）内通过测量技术测得的电流求出。

5.如前述权利要求之任一项所述的方法，其中，至少所述储能器（10）的一个代表除了电池线圈之外的热容量（Cth,i）之一的部件的温度通过测量技术被求得并在所述热模型内加以考虑。

6.如前述权利要求之任一项所述的方法，其中，对于所述热模型，两个邻近的热容量（Cth,i）之间的交换热量重复地在预定的时步内根据下列公式由它们的温差求出：

$Q_{i\→i+1}=\frac{T_i-T_{i+1}}{R_{\mathrm{th},i\→i+1}}\mathrm{\Δt}$

7.如权利要求6所述的方法，其中，对于所述热模型，重复地由所求出的交换热量在每个预定的时步内根据下列公式求出针对所述热容量的温度：

$T_i(t_0+\mathrm{\Δt})=T_i\left(t_0\right)+\frac{1}{C_{\mathrm{th},i}}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{Q}_k$

8.如前述权利要求之任一项所述的方法，其中，为了使用所述热模型，在停机状态后直到储能器（10）的预定的最大持续时间为止，对代表热容量（Cth,i）的各部件的、通过测量技术无法测得的或通过测量技术未测得的温度的温度初值（Ti，其中i=1至k）进行计算机辅助估算。

9.如权利要求8所述的方法，其中，为了在停机状态后对温度初值（Ti）进行估算，

-对有关的、在停机状态前最后计算机辅助地求出的温度值和测量获得的温度值进行存储；

-在停机状态结束时计算出在存储的测量获得的温度值与计算机辅助求出的温度值之间的温差，其中，所述计算机辅助求出的温度值在温差形成之前借助预定的衰变曲线和停机状态的长度得到修正；

-将温差与在停机状态结束时测量获得的温度值相加，由此得出的总值就表示所述温度初值（Ti）。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中，在用于对停机状态后温度初值（Ti）进行误差修正的模拟中置入一种调节技术的观测器（20）。

11.电化学储能器（10），特别是用于机动车，其包括一控制器，在该控制器内存储有储能器（10）的热模型，其中，所述储能器构造成用以实施前述权利要求之任一项所述的方法。

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