CN104344909A - 用于识别多个电化学存储单元中的温度升高的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提出用于识别多个电化学存储单元中的温度升高的一种方法和一种设备。根据本发明，在此求得分别与存储单元热耦合的PTC元件的电串联电路的电特征参量，以及当对所述电特征参量的分析结果达到预定义的阈值时，识别出多个电存储单元之一的温度升高。

Description

用于识别多个电化学存储单元中的温度升高的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于识别多个电化学存储单元中的温度升高的一种方法以及一种设备。本发明的目标尤其是识别针对称为电池单元的“热失控”（thermal runaway）现象的附加防护（Absicherung）。
背景技术
电池在能量输出时以及在能量消耗时会被加热。这种电池系统的最佳运行温度大约是+5℃至+35℃。从大约+40℃的运行温度开始，电池寿命减小。因此满足大约8-10年寿命的要求只能通过利用主动热管理系统对电池进行足够的热调节来实现，在该热调节中单元在所有运行状态下都保持在低于+40℃的热非临界状态下。此外为了达到电池单元的老化同步，不同单元之间的温度梯度只允许为大约5K。
为了避免偶尔对车辆的有危险的损坏（例如车辆火灾），在所有情形下都必须通过快速的温度升高识别和对安全装置的激活来避免作为事故（即干扰情况）结果的电池的“热失控”。
因此，用于测量单元温度和为了锂离子或锂聚合物电池的安全和延迟老化的运行而控制有效的热管理系统的温度传感器是重要的以及不可放弃的系统部件。
因此本发明的任务是：尤其是为空气冷却的锂离子或锂聚合物电池系统提供价格低廉和快速起动的温度检测概念的实现。
发明内容
上面提到的需求根据本发明通过一种用于识别多个电化学存储单元中的温度升高的方法实现。多个电化学存储单元在此例如可以由锂离子（Li离子）和/或锂聚合物单元构建而成。这样的单元例如作为牵引电池使用，也就是用于驱动可电驱动的车辆。有利地，用于应用根据本发明方法的电化学存储单元不需要相互热耦合。换句话说，在该复合物中的唯一的电化学存储单元的温度升高可以得到识别，而无需为此设置单独的分析装置。根据本发明，该方法包括步骤：求得分别与存储单元热耦合的PTC元件的电串联电路的电特征参量。换句话说，借助对PTC元件的串联电路的电流、电压或电阻的测量来开始。这可以在运行进行期间持续地、一次性或以预定义的间隔（由时间和/或事件控制地）进行。接着，当对PTC元件的电特征参量的分析结果达到预定义的阈值时，识别出多个电存储单元之一的温度升高。换句话说，分析所述电特征参量并且在此例如求得电阻、电流或电压（这些特征参量的组合也是可以的）并且与预定义的阈值相比较。只要达到该阈值，就识别出多个电存储单元中至少一个的临界温度升高。根据本发明的方法在此在构造简单和运行毫无问题的同时使得可以提高在电储能器的能量取出或能量供应时的安全性以及确保电储能器的长的寿命。
从属权利要求展示了本发明的优选扩展。
阈值可以被选择为绝对值（单数参量）和/或被选择为电特征参量每时间单位的变化。在使用选项“每时间单位的特征参量变化”的情况下，可以为不同的绝对特征值范围设定不同的阈值。单数标识使得可以特别简单地确定多个电化学存储单元内的临界温度值，而通过电特征参量每时间单位的变化可以继续地（动态地）检验电化学存储单元内的过程。
在此还可以求得电特征参量关于时间的变化。对特征参量变化的直接测量提供以下优点：为了与根据选项“每时间单位的特征参量变化”的阈值相比较不需要存储在已过去的时刻求得的值，并且可以更为快速地分析温度变化并对该温度变化做出反应。
优选地，将阈值预定义为电阻并且在此将该阈值选择为，使得在所有电化学存储单元（或布置在这些电化学存储单元上的PTC元件）的共同预定义温度时所求得的电阻明显低于预定义的阈值。例如，该阈值可以比所述串联电路在预定义温度时的电阻高10%、20%、30%或40%。预定义温度在此例如可以被设定为PCT元件的标称温度。换句话说，电阻关于温度的特性从该标称温度开始剧烈变化，由此多个电化学存储单元中至少一个单元的变化了的特性可以被用测量技术简单地求得。
根据本发明的另一方面，提出一种用于识别多个电化学存储单元中的温度升高的设备。该设备在此包括多个PTC元件的电串联电路。这些PTC元件在此可以与在特定类型的电化学存储单元中的应用匹配，其方式是这些PTC元件的标称温度位于对于存储单元来说临界的温度范围中。此外该设备包括用于求得PTC元件的电串联电路的电特征参量的分析单元。如结合根据本发明的方法所讲述的，该电特征参量例如可以是电流、电压、电阻或上述参量的任意组合。该分析单元被设计为求得PTC元件的电串联电路的电特征参量。这例如可以通过该串联电路两侧的两个电连接端（“测量抽头”）来加以保证，所述两个电连接端与分析单元电连接。此外该分析单元被设计为当PCT元件的电特征参量的分析结果达到预定义的阈值时识别出该串联电路中的温度升高。通过这种方式提供具有小电缆敷设耗费以及仅有一个分析单元用于多个电化学存储单元的简单结构。
优选地，PTC元件被设计为分别与第二多个电化学存储单元中的一个电化学存储单元热耦合。利用热耦合描述这样的一种布置，在该布置情况下PTC元件的温度通过在测量技术方面有意义的方式与相应电化学存储单元的温度相关。为此PTC元件尤其是可以被放置在电化学存储单元的所谓“底板（cap-plate）”（德语：“Polplatten”或“Polanschlüsse”）上。这样的布置在构建电化学存储器时提供了很大的自由空间。
优选地，PTC元件可以具有在介于50℃和80℃之间、优选介于60℃和70℃之间的范围中的标称温度。这些温度范围已被证明对于应用于电化学存储单元是有利的，能够延长电化学存储单元的寿命。
此外优选的是，所述分析单元被设计为获得其它传感器装置的测量信号并借助所述测量信号进行温度升高的真实性检查。换句话说，另外的传感器装置可以连接到所述分析单元或者已经连接到所述分析单元，借助它们可以求得用于求得电化学存储单元的运行状态、尤其是电化学存储单元的温度的特征参量。这提供了最佳可能地防护电化学存储器的运行的优点。
根据本发明的另一方面，提出一种电化学存储器，包括多个电化学存储单元和前面作为第二发明方面讨论的设备。得到类似于上述实施的特征、功能以及优点。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明的实施例。在图中：
图1示出典型PTC元件的电阻-温度图；
图2示出具有根据本发明的设备的电化学存储器的实施例的示意性俯视图；以及
图3示出图解根据本发明方法的实施例的步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出可以根据本发明使用的PTC元件的电阻关于温度的变化曲线。在图1中线性地示出横轴以及对数地示出纵轴。在温度0℃至反应温度TA之间，该电阻基本上线性变化并且略微下降。在反应温度TA和标称温度TN之间，该电阻关于温度基本上线性上升。从标称温度TN开始，该电阻关于温度的特性就剧烈变化。在标称温度TN和最终温度TE之间，该电阻近似指数上升。
原则上存在不同类型的热敏电阻，也就是与温度有关的电阻，例如NTC电阻、PTC电阻、热电偶、TRD（Resistance Temperature Devices，电阻温度装置）等。在此PTC电阻或热敏电阻由不同的材料制造，从而尤其是也由（基本上）碳酸钡和氧化钛（IV）的混合物制造。这种PTC在其介于其标称温度TN和其最终温度TE之间的工作范围中具有近似指数的、强烈非线性的、与图1对应的温度-电阻特征曲线。该非线性特征曲线变化过程的起动点是标称温度TN。该标称温度对应于热敏电阻的铁电居里温度。从该标称温度起开始突然在低欧姆电阻值和高欧姆电阻值之间切换，这是一种阈值特性类型。也就是说，这种热敏电阻在使用其中不出现自加热的电流进行运行的情况下适于过热温度识别和过热温度控制。热敏电阻在工作范围中的电阻的温度依赖性通过以下公式加以描述:
在此各个公式符号代表以下参量：
R(T)=在温度T时的以为单位的电阻
e=自然指数函数（欧拉数=2.71828…）
T=运行温度
TN=标称温度
TE=最终温度
RA=在温度TA时的以为单位的最小电阻，在本例中是10
RN=在标称温度TN时的以为单位的标称电阻，在本例中是100
RE=在温度TE时的以为单位的电阻，在本例中是100
b=以1/K为单位的正温度系数。
图2示出本发明装置的示意性俯视图，该装置包括电化学存储器1和根据本发明的设备。电化学存储器1由多个（在本例中是13个）电化学存储单元2组成，这些电化学存储单元通过安装桥8组合而成。电化学存储单元2通过由13个PTC元件3组成的串联电路相互连接，这些PTC元件又经由电导体9连接在一起。在PTC元件3的串联电路的两侧连接了分析单元6的电连接端4,5。分析单元6被设计为只要该串联电路的电特征参量超过预定义的阈值就向随后的控制单元7输出逻辑“1”。为了确保按规定工作，为逻辑“1”的输出设置迟滞功能，以最终转发整理过的测量值。
由于所描述的PTC元件3在工作范围中的强烈电阻变化，多个PTC元件3的串联电路足以借助唯一的分析单元6控制具有例如多达13个单元的锂离子或锂聚合物电池模块的温度。待选择的PTC元件3的标称温度TN应当大约处于50℃至80℃，优选处于60℃至70℃。该串联电路的各个PTC元件3被放置在底板上以尽可能直接测量。与两个连接端4,5的连接就足以，并且只需要唯一的一个分析单元6、例如具有迟滞的比较器用于PTC串联电路。
当13个存储单元2中随便哪一个的温度强烈上升和/或一个存储单元2的温度梯度超过特定值，则这一点立即被识别出并且控制单元7可以实时对此进行反应。
图3示出根据本发明的方法的实施例的两个步骤。在步骤100中求得分别与一个存储单元2热耦合的PTC元件3的电串联电路的电特征参量。这例如可以借助分析单元6（参见图2）来执行。接着在步骤200中，当对所述电特征参量的分析结果达到预定义的阈值时识别出多个电存储单元2之一的温度升高。
通过本发明显著提高了用锂离子电池和由发动机驱动的车辆的乘客的安全性。本发明的核心和优点在此是：借助唯一的、具有两个连接端的电装置监视每单个热去耦的单元。
即使根据本发明的方面和有利的实施方式已被借助结合附图阐述的实施例详细描述过，对于专业人员来说也可以对所示出的实施例的特征进行修改和组合，而不会脱离本发明的范围，本发明的保护范围通过所附权利要求来定义。

Claims (10)

1.用于识别多个电化学存储单元（2）中的温度升高的方法，包括步骤：
-求得（100）分别与存储单元热耦合的PTC元件（3）的电串联电路的电特征参量，以及
-当对所述电特征参量的分析结果达到预定义的阈值时，识别出（200）电存储单元（2）之一中的温度升高。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值是所述电特征参量的绝对值或所述电特征参量每时间单位的变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中
-所述电特征参量是电压或电流或电阻，和/或
-所述阈值是电压或电流或电阻，或者是电压或电流或电阻每时间单位的变化。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述阈值是电阻并且将该阈值选择为，使得在所有电化学存储单元（2）的共同预定义温度（TN）时所求得的电阻比所述阈值低10%，优选20%，特别优选30%。
5.根据权利要求4所述的方法，其中预定义温度（TN）基本上对应于PTC元件（3）的标称温度。
6.用于识别多个电化学存储单元（2）中的温度升高的设备，包括：
-第一多个PTC元件（2）的电串联电路，以及
-用于求得PTC元件（3）的电串联电路的电特征参量的分析单元（6），
其中该分析单元（6）被设计为
-求得PTC元件（2）的电串联电路的电特征参量，以及
-当对PTC元件（3）的电特征参量的分析结果达到预定义的阈值时识别出温度升高。
7.根据权利要求6所述的设备，其中PTC元件（3）被设计为分别与第二多个电化学存储单元（2）中的一个电化学存储单元（2）热耦合，尤其是被放置在电化学存储单元（2）的底板上。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其中PTC元件（3）具有在介于50摄氏度和80摄氏度之间、优选介于60摄氏度和70摄氏度之间的范围中的标称温度（TN）。
9.根据权利要求6至8之一所述的设备，其中所述分析单元（6）进一步被设计为获得其它传感器装置的测量信号并借助所述测量信号进行温度升高的真实性检查。
10.电化学存储器（1），包括
-多个电化学存储单元（2），和
-具有根据权利要求6至9之一所述的特征的设备。
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