CN103682513A - 电池热系统和诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种系统，包括具有流体入口、流体出口、和电池单元的电池组系统。还包括具有热传递流体的热系统、流动装置、入口热电偶、连接到电池单元中相应一个的一个或多个内部热电偶、和控制器。控制器使用热模型接收和处理来自热电偶的温度信号，以诊断流动装置的性能。系统在出口热电偶不被使用时估计值。方法包括让流体循环流动通过电池组，将入口热电偶定位在流体入口附接，和将一个或多个内部热电偶连接到相应电池单元。控制器接收和处理例子入口热电偶和内部热电偶（一个或多个）的温度信号，以使用热模型诊断流动装置的性能。

Description

电池热系统和诊断方法

技术领域

本发明涉及电池热系统和用于其的附随诊断方法。

背景技术

一些车辆在至少一部分时间内使用从高电压DC电池组获取的电能而被推进。电池组经由功率逆变器使得一个或多个多相电牵引电动机通电。混合动力电动车选择性地使用内燃发动机作为到变速器色输入扭矩来源，其单独使用或与牵引电动机（一个或多个）结合使用。增程式电动车仅在需要时使用较小发动机，且单独为发电机提供功率。电池电动车放弃使用气体发动机，且代替地使用存储的电能或再生的制动能量运行。所有三种车辆构造可经由电力在至少一部分时间内单独运行，这被称为电动车(EV)模式。

在所有上述车辆实施例中，高电压DC电池组用于替换地存储和输送大量的驱动牵引电动机（一个或多个）所需的电能。电池组可以包括多个电池模块，其每一个含有多个柱形或平坦/扁平的电池单元。运行中通过电池单元产生热量的有效散耗对优化总体车辆性能来说是很关键的。结果，电池热系统与这样的电池组关联使用以让一定量的合适的热传递流体循环流动通过电池组和相关的功率电子器件。相同的热系统还可用于按照需要为电池组加热。

发明内容

本文公开的系统包括电池组、控制器和流动装置，所述流动装置让热传递流体循环流动，用于调节电池组的温度。系统包括多个热电偶或其他温度传感器。入口热电偶定位在电池组的流体入口处或附近。可选的出口热电偶可以在电池组的流体出口处或附近。其余的热电偶全定位在电池组本身中，且由此称为内部热电偶。每一个内部热电偶连接到电池单元中相应的一个。在简单的实施例中可仅使用一个内部热电偶。然而，在本文提供的各种例子中描述了多个内部热电偶，以提供改善的保真且更准确的诊断结果。

控制器使用记录的电池组热模型以诊断热系统的性能，例如流动装置的机械和/或电功能性以及管道回路的几何和其他性质，包括任何堵塞的管或管道。以校准的间隔，在该装置被使用时处理器从入口和内部热电偶（一个或多个）以及可选出口热电偶接收温度信号。

一种方法，包括经由流动装置让热传递流体循环流动通过具有多个电池单元的电池组，将入口热电偶定位在电池组的流体入口附近，将电池组中的至少一个内部热电偶连接到相应电池单元。方法还包括经由控制器接收和处理来自入口热电偶和至少一个内部热电偶的温度信号，以由此诊断流动装置的性能，包括使用记录的电池组热模型。

另一系统包括与流动装置通信的处理器，所述流动装置让热传递流体从流体入口循环流动到电池组的流体出口，以加热或冷却电池组。系统还包括存储器，在其上记录了电池组的热模型和用于诊断热系统的性能的指令。处理器配置为周期性地执行指令以由此使得处理器接收和处理来自入口和内部热电偶（一个或多个）的温度信号和由此诊断流动装置的性能。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是车辆的示意图，其具有高压电池组、用于加热或冷却电池组的热系统和诊断如本文所述的热系统的性能的控制器。

图2是图1的控制器和热系统的一部分的示意图。

图3是图1所示控制器以及用于执行用于图2所示热系统的诊断的一组热电偶的示意图。

图4是用于诊断图1所示热系统的示例性方法的流程图。

图5是用于诊断图1所示热系统的替换方法的流程图。

具体实施方式

参见附图，其中几幅图中相同的附图标记指示相同部件，示例性车辆10示意性地显示在图1中。车辆10包括高压牵引电动机12、变速器14和驱动车轮组16。车辆10还包括可充电高压电池组18，其按照需要经由热系统20被加热或冷却，热系统的例子在后文参考图2详述。如下所述的，控制器30（其例子显示在图3）周期性地诊断热系统20的性能。诊断方法的两个示例性实施例显示在图4和5中，分别是方法100和200。

图1和2的热系统20让合适的热传递流体（例如通过电池组18的空气或冷却剂）循环流动(箭头22)，以便在电池组运行期间消散电池组18产生的热量，或按照需要加热电池组18。尽管在图中出于简便的目的未示出，但是相同的热系统20可以用于让热传递流体循环流动(箭头22)通过用于控制图1的牵引电动机12的各种功率电子器件，例如牵引功率逆变模块(TPIM)26、辅助功率模块/DC-DC转换器（未示出)等。

可选地，图1的车辆10可以包括内燃发动机24。发动机24可以经由输入缓冲离合器11连接到牵引电动机12。发动机24可被用于在需要时为牵引电动机12提供功率，或发动机24可以替换地连接到变速器14，例如在混合动力车辆实施例中，以便在其他车辆实施例中直接地向变速器14输送输入扭矩。图1所示的构造仅是用于增程式电动车的一个可行实施例。然而，热系统20以及参考图4下文所述的方法100可以与任何电池组18结合使用，而不管电压水平如何，且可用在可以采用这样的电池组18的任何车辆或非车辆的构造中。

图1的牵引电动机12从电池组18获取电能和向电池组18输送电能。电池组18由此形成可充电能量存储系统，用于为车辆10上使用的所有高压电部件供电。如在本文使用的，术语“高压”是指超过正常用于功率辅助车辆系统（例如音频系统、照明等）的任何辅助/12VDC电压水平的电压水平。电池组18可以额定为60VDC到300VDC以上，取决于牵引电动机12的功率等级。这种电压水平可能在运行期间产生大量的热量且由此很适合用于图2所示的热系统20。

在图1的牵引电动机12配置为是多相AC感应机器，车辆10也可以包括TPIM26，其是经由高压DC总线28电连接到电池组18的装置。TPIM26还经由高压AC总线32电连接到牵引电动机12。TPIM26可以经由脉冲宽度调节和高速半导体开关控制，如本领域所知的，以使TPIM26将来自牵引电动机12的AC功率转换为适用于储存在电池组18中的DC功率，和按照需要将存储的DC功率转换为用于为牵引电动机12提供功率的AC功率。

对于控制器30，该部件执行指令或代码，以实施方法100(图4)的各步骤或交替地实施来自实体非瞬时存储装置36的方法200(如图5所示）。方法100、200的执行允许控制器30中的处理器34使用电池组18的记录的热模型38而诊断热系统20的性能。控制器30可以配置为是一个或多个数字计算机，除了处理器34和存储装置36（例如只读存储器(ROM)，闪速存储器或其他磁性或光学储存介质），任何所需量的瞬时存储器，例如随机访问存储器(RAM)和电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)。控制器30也可以包括高速时钟、模拟数字(A/D)和数字模拟D/A电路、和输入/输出电路和装置(I/O)、以及适当的信号调节和缓冲电路。

图1所示的控制器30与热系统20通信，例如在通信总线或控制器区域网络(CAN)总线15上，如所示的。因此，控制器30能传递方法100或200执行过程中的任何所需输出信号(箭头54)，以及接收任何所需信号，包括但不限于温度信号T_i，T_o和T₁-T₃，如图3所示。输出信号(箭头54)可以包括通过或失败诊断代码，如参考图4在下文描述的。

参见图2，图1的处理器34从存储装置36接收或替换地计算或访问用于控制流动装置40速度的任何相关的输入命令（例如位置数据）和/或用于命令来自流动装置40的具体输出速度的任何其他测量或获得值。处理器34（在诊断热系统20时）也可以处理电池参数，例如电池充电状态(SOC)、施加的电压、电流和/或计算的功率值。响应于输入命令的总集，流动装置40经由管道回路让热传递流体循环流动到电池组，以按照需要加热和冷却电池组。

图2的热系统20包括流动装置40，例如流体泵或电扇。流动装置40经由管道回路25与电池组18的壳体19流体连通，管道回路例如是通过电池组18的壳体19和经过/围绕包含在其中的电池单元42的管、管路和/或液压/气动软管的连接长度。本文显示的所有例子描述了闭环系统。然而，在其他实施例中，热传递流体(箭头22)可以不循环流动。方法100和200仍然可以用在这样的实施例中。

空气、冷却剂、或合适的制冷剂形式的热传递流体22通过流动装置40而循环流动通过管道回路25。输出速度是经由从控制器30(见图1和3)传递输入速度信号(箭头17)而对流动装置40命令的，输入速度信号(箭头17)包括如命令电压、电流、功率水平或速度这样的值。

作为本控制方法的一部分，热电偶50定位在到电池组18的流体入口31，且配置为测量进入电池组18的热传递流体22的实际入口温度。可选的热电偶52定位在电池组18的流体出口33处或附近。热电偶52测量离开电池组18的热传递流体22的出口温度。流体入口和出口31、33分别限定进入和离开管道回路25的进入和离开口，用于让流体22经由流动装置40循环流动。因此，为了清楚，热电偶50和52在下文分别称为入口和出口热电偶。如本领域技术人员所理解的，在本文使用的术语“入口”和“出口”取决于通过电池组18的热传递流体22的流动方向，且由此实际的流体入口和出口可与图2所示的相反。

另外，至少一个额外的热电偶定位在电池组18内部，其中使用的每一个额外的热电偶连接到电池单元42中相应的一个。由此，每一个额外的热电偶（为了清楚其在下文称为内部的热电偶）测量具体电池单元42的温度，而不是电池组18中流动的热传递流体22的温度。电池单元42可以例如被实施为金属氢化物(NiMH)电池单元、锂离子电池单元或任何其他可充电电池单元。尽管在图2的示例性实施例中显示了多个圆柱形电池单元，但是电池单元42可以是平坦的基本上矩形扁平的电极延伸体，其超声焊接到电池组18的导电互连构件（未示出)。在所有实施例中，不管电池单元42的形状/尺寸如何，电池组18的加热或冷却经由热传递流体22的循环流动实现。

在简化方法中，单个内部热电偶44可以定位在电池组18内部。在图2所示的更接近实际的实施例中，多个内部热电偶44、46和48定位在电池组18内部，内部热电偶44被定位为最靠近流体出口33，内部热电偶46被定位为最靠近电池组18的中心35，且内部热电偶48被定位为最靠近流体入口31，如所示的。额外的内部热电偶可以用在电池组18中的其他电池单元42上，以改善下文所述的诊断手段的总体保真度（fidelity）。使用的热电偶的数量可以等于电池单元42的数量，而这样做的代价会超过诊断结果的改善。因此，较小数量的热电偶（例如三个或四个）就可以提供极佳覆盖范围。

图1所示的控制器30从图2所示的各热电偶50、52、44、46、和48接收测量温度值，且随后处理测量值以确定电池组18中的温度梯度。并非将整个电池组18以常规的方式作为单个整体热质量处理，方法100代替地包括在热传递流体22流动经过电池组18中的不同电池单元42或在不同电池单元42之间流动时估计热传递流体22的变化温度。即控制器30使用处理器34经由记录的热模型38、根据电池单元42的测量温度以及电池组18的物理特性和几何形状和热传递流体22的质量流量来估计热传递流体22的温度。

简短地参考图3，控制器30被显示为示意性地与入口热电偶50、可选的出口热电偶52和内部热电偶44、46、和48通信。另外，控制器30计算、接收或以其他方式存取用于控制图2所示流动装置40的输入速度信号(箭头17)的值。入口热电偶50传递入口温度信号T_i，而出口热电偶52在被使用时传递出口温度信号T_o。同样，内部热电偶44、46、和48传递温度的相应信号T₁、T₂、和T₃到控制器30。这些值与热模型38结合使用，以诊断热系统20的性能。

参见图4，方法100（其在步骤102开始）以周期性的基础执行，例如在图1车辆10的任何主动关键循环（active key cycle）期间连续地执行。在出口热电偶52不可用时或不被使用时，执行图5的方法200。

图3的控制器30确定与图2所示的流动装置40运行有关的信息。具体说，控制器30测量或读取到流动装置40的输入速度命令(箭头17)且使用这些值计算流动装置40的被命令速度。替换地，扇叶、叶片或其他扇或泵元件的改变旋转位置可以被检测，例如使用位置传感器（未示出)，所述位置传感器相对于旋转元件安装，编码的位置数据被控制器30使用以计算旋转速度。

作为步骤102的一部分，控制器30最终使用输入速度值(图3的箭头17)以计算热传递流体22的质量流量，所述热传递流体通过流动装置40通过图2所示的管道回路25排放，且随后在存储装置36中记录计算的质量流量。如本领域所理解的，给定流动装置（例如图2的流动装置40）的旋转速度和质量流量之间的相关性通过制造商的数据、计算或通过测试而可获得。

在步骤104，控制器30接下来通过接收和记录图2所示的入口热电偶50测量的温度而获得进入电池组18的入口温度(T_i)。方法100随后前进到步骤106。

在步骤106，控制器30获得图3所示的电池组18中的一个或多个电池单元42的电池单元温度，即连接了热电偶的任何电池单元42。在图2的实施例中，步骤106的执行使得处理器34接收三个不同温度值的，即温度T1、T₂和T₃，所有这些温度在图3中被示意性地示出。方法100随后前进到步骤108。

在步骤108，图3的控制器30接下来在电池组18的各点估计和记录热传递流体22的温度。例如，在三个热电偶44、46和48被用在图2所示的三个不同电池单元42，电池单元42接近电池组18的相应流体入口31、中心35和流体出口33定位时，控制器30根据质量流量、进入电池组18的被测量入口温度(T_i)和最靠近流体入口31的电池单元42的被测量温度(T₁)而估计在最靠近流体入口31的电池单元42下游的热传递流体22的温度。

随后，使用图3所示的电池热模型38，控制器30确定在流体入口31附近的电池单元42和附接了热电偶的下一个电池单元42（例如在如图2所示的电池组18中心35处的电池单元42）之间的距离。控制器30还经由来自图2和3的内部热电偶的信号得知中心35处的电池单元42的温度，即温度T₂。使用这些值，控制器30估计刚好在中心35处的电池单元42下游的热传递流体22的温度。相同的过程随后针对连接了热电偶的下一个电池单元42重复，例如最靠近图2的流体出口33的电池单元42，正好在该最后的电池单元42（例如在出口33）下游的热传递流体22的估计温度被记录在存储装置36中。

可以用作步骤108一部分的公式如下:

T_22，out，n=T_22，in，n+1=T_22，in，n+hA(T_42，n-T_22，in，n)

其中T_22，out，n为热传递流体22经过或离开电池单元42(n)时热传递流体22的温度，T_{22，in，n+1}是在热传递流体22进入/接近下一个(n+1)电池单元42时热传递流体22的温度，T_18，n是电池组18的第n个单元的温度，且hA是校准值。hA的值可根据热传递流体22的质量流量、热力学性能和测量温度以及系统的几何特性（例如图2所示的各电池单元42之间的大小/间距）确定。

在步骤110，控制器30经由出口热电偶52在图2所示的电池组18的流体出口33处测量热传递流体22的实际温度。该值是出口温度(T_o)。方法100随后前进到步骤112。

在步骤112，图2的控制器30将来自步骤108的流体出口33(见图2)处的估计温度与步骤110记录的值比较。如果估计值在彼此的校准范围中，则控制器30前进到步骤114。否则，控制器30前进到步骤116。

在步骤114，控制器30可以在存储装置36中记录具有通过状态（passingstatus）的诊断代码。一旦代码被记录，或任何其他合适的控制动作针对通过诊断执行，则直到随后取样周期（例如下一个关键循环）前方法100被结束。

在步骤116，控制器在存储装置36中记录具有失败状态的诊断代码。作为步骤116的一部分，可以执行额外的维护，例如图2的流动装置40的修理或更换和/或任何或所有热电偶50、52、44、46和/或48的修理或更换，管道回路25的管道/管道系统的修理，碎屑的除去，等。

如上所述，方法100依赖于出口热电偶52的使用和离开电池组18的冷却剂(箭头22)的出口温度的直接测量。但是，在一些情况下，出口热电偶52可以不用。替换的方法可以预测电池组18的温度和将预测温度与测量温度比较。用于该情况的一种可行方法是执行方法200。

参见图5，如上所述的替换方法200在步骤201开始，其中图1的控制器30测量一组初始状态，包括在在电池组中使用的附接了热电偶44的每一个电池单元42处的电池组18的温度。在该步骤完成时方法200前进到步骤203。

在步骤203，控制器30接下来测量校准时步(t)上的周期状态，例如包括图3所示的入口温度(T_i)，电池组18的各种温度，例如图3的T₁-T₃，和输送到电池组18的电流和电压。方法200随后前进到步骤205。

在步骤205，控制器30估计电池单元42的温度。步骤205包括针对时步(t)记录电池组18中的一些温度(n)，其中n等于电池组18中使用的热电偶44的数量。如此，在图2的例子中，n=3。作为步骤205的一部分，控制器30可以使用下列公式:

$T_{42},n,t=\frac{(I^{2}R-{\left[\stackrel{.}{m}{c}_p\right]}_{22}\left(\mathrm{hA}\right)(T_{22,\mathrm{in},n}-T_{42,n,t}))\mathrm{dt}}{\left({\mathrm{mc}}_p\right)42}+T_{42,n,t-1}$

其中

分别是热传递流体22的质量流量和比热，且

代表电池单元42的相应质量

和比热(c_p)，其可以包含小于用在给定电池组18中的电池单元42总数量，例如在电池单元42的多个模块用于构建电池组18时。步骤205使用预定的一组电池参数，在该例子中是电流(I)和内部电阻(R)。

在步骤207，控制器30接下来针对时步(t)计算热传递流体(箭头22)的温度。流体(箭头22)的温度限定为(n)电池单元42中一个的估计出口温度和到下一个电池单元42的入口温度，即电池单元42(n+1)。下列的等式可以作为该步骤的一部分:

T_22，out，n=T_22，in，n+1=T_22，in，n+hA(T_42，n-T_22，in，n)

在步骤209，控制器30确定步骤205和207是否已经针对附接了热电偶44的所有电池单元42完成。如果是，则方法200继续到步骤211。否则，以从1增量到附接了内部热电偶44的电池单元42的数量的n次来重复步骤205和207。

在步骤211，控制器30接下来测量和平均用于所有(n)电池单元42（附接了内部热电偶44）的所有电池温度，以计算用于作为一个整体的电池组18的被测量整体电池温度(T_B)。控制器30还使得针对来自步骤205的所有(n)电池单元42的所有电池温度预测值平均，以计算估计整体电池温度。步骤211可以使用各种平均技术执行，例如包括加权平均或直平均（straightaveraging）。一旦测量的整体电池温度(T_B)已经被记录则方法200前进到步骤213。

在步骤213，控制器30将测量的整体温度(T_B)与来自步骤211的估计整体电池温度比较。如果差异小于校准值，则控制器30可以记录具有通过状态的诊断代码。同样，如果差异超过校准值，则控制器30可以记录具有失败状态的诊断代码。

使用如上所述的方法100和200，控制器30可用于使用记录的电池热模型38诊断图1的热系统20。热模型38可以离散化，即分成与用在电池组18中使用的内部热电偶一样多的部分，以相对于常规的方法改善诊断准确性。出于几个原因而需要了解热系统20功能状态，包括车载诊断(OBD)顺应性、补救动作和硬件保护。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种系统，包括:

电池组，具有流体入口、流体出口、和多个电池单元;

流动装置，让热传递流体循环流动通过电池组;

管道回路，将热传递流体从流动装置传导到电池组的流体入口，和从电池组的流体出口传导到流动装置，以由此加热或冷却电池组;

入口热电偶，其定位为靠近电池组的流体入口;

至少一个内部热电偶，定位在电池组中，所述至少一个内部热电偶连接到电池单元中的相应一个且配置为对电池单元中的所述相应一个的温度进行测量;和

控制器，具有处理器和实体的非瞬时存储器，存储器上记录了电池组的热模型和用于诊断流动装置性能的指令;

其中控制器经由处理器周期性地执行指令，以使用热模型接收和处理分别来自入口热电偶和至少一个内部热电偶的入口温度和电池单元温度信号，以由此诊断流动装置的性能。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括出口热电偶，该出口热电偶定位为靠近电池组的流体出口，其中处理器还使用热模型接收和处理来自出口热电偶的温度信号，以由此诊断流动装置的性能。

3.如权利要求1所述的系统，其中至少一个内部热电偶包括每一个连接到电池单元中不同电池单元的多个内部热电偶。

4.如权利要求1所述的系统，进一步包括定位在流体出口的出口热电偶，其中控制器通过以下方式部分地诊断热系统的性能:

计算热传递流体的质量流量;

使用热模型和热传递流体的计算质量流量估计从电池组而来的热传递流体的出口温度;

使用出口热电偶测量出口温度;

将估计的出口温度与测量的出口温度比较;

记录具有通过或失败状态的诊断代码，包括在估计的和测量的出口温度值在彼此的校准范围中时记录具有通过状态的诊断代码，和在估计的和测量的出口温度的值不在彼此的校准范围中时记录具有失败状态的诊断代码。

5.如权利要求1所述的系统，其中控制器配置为:

根据以下估计电池单元的温度:

传递流体的质量流量、热力学性能和热测量温度;

预定的电池参数组;

电池单元的温度、比热和质量;和

一组系统几何特性;

对电池单元的估计温度进行平均，以由此针对作为一个整体的电池组计算估计的整体电池温度;

对来自至少一个内部热电偶的电池单元的测量温度进行平均，以由此针对作为一个整体的电池组计算测量的整体电池温度;

将估计的整体电池温度与测量的整体电池温度比较;和

记录具有通过或失败状态的诊断代码，包括在估计的和测量的整体电池温度的值在彼此的校准范围中时记录具有通过状态的诊断代码，和在估计的和测量的整体电池温度的值不在彼此的校准范围中时记录具有失败状态的诊断代码。

6.一种方法，包括:

经由流动装置让热传递流体循环流动通过具有多个电池单元的电池组;

将入口热电偶定位在电池组的流体入口附近;

将电池组中的至少一个内部热电偶连接到相应电池单元;和

经由控制器接收和处理来自入口热电偶和至少一个内部热电偶的温度信号，以由此诊断流动装置的性能，包括使用记录的电池组热模型。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括:

将出口热电偶定位在电池组的流体出口附近;和

经由控制器接收和处理来自出口热电偶的温度信号。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括:

计算热传递流体的质量流量;

使用热模型和热传递流体的计算质量流量估计从电池组而来的热传递流体的出口温度;

使用出口热电偶测量来自电池组的热传递流体的出口温度;

将估计的出口温度与测量的出口温度比较;和

在估计的出口温度和测量的出口温度的值不在彼此的校准范围中时记录具有失败状态的诊断代码。

9.如权利要求6所述的方法，进一步包括:

确定一组电池参数，包括电池组的充电状态、施加电压、电流和功率值中的至少一个;和

根据以下估计每一个电池单元的温度:

传递流体的质量流量、热力学性能和热测量温度;

预定的电池参数组;

电池单元的温度、比热和质量;和

一组系统几何特性。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括:

对电池单元的估计温度进行平均，以由此针对作为一个整体的电池组计算估计的整体电池温度;

对来自至少一个内部热电偶的电池单元的测量温度进行平均，以由此针对作为一个整体的电池组计算测量的整体电池温度;

将估计的整体电池温度与测量的整体电池温度比较;和

记录具有通过或失败状态的诊断代码包括在估计的和测量的整体电池温度的值在彼此的校准范围中时记录具有通过状态的诊断代码，和在估计的和测量的整体电池温度的值不在彼此的校准范围中时记录具有失败状态的诊断代码。

Images