CN104865534B - 一种单体电池内部温度估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单体电池内部温度估计方法，包括离线部分和在线部分，所述离线部分包括：a1)获得电池单体在不同温度情况下的内阻特性；a2)根据所述内阻特性获取电池内部温度与电池内阻的标准关系；所述在线部分包括：b1)在线检测当前工作电池的电流、端电压及表面温度；b2)根据所述电流和端电压在线估计当前工作电池的电池内阻；b3)根据步骤b2)获得的电池内阻、步骤b1)获得的表面温度及步骤a2)获得的标准关系估计当前工作电池的内部温度。与现有技术相比，本发明具有可实时估计电池内部温度，方法简单，有效地降低计算量等优点。

Description

一种单体电池内部温度估计方法

技术领域

本发明涉及动力电池领域，尤其是涉及一种单体电池内部温度估计方法，仅采用电流、电压及表面温度传感器的基础上，实时估计电池内部温度。

背景技术

动力电池系统作为关键的零部件在电动汽车和电力储能等领域得到越来越多的应用。由于电池自身的特性导致电池在使用过程中需要对其进行合理的成组及管理。常见的动力电池由于具有高温衰减、高温热失控、低温性能下降等特性，导致电池在使用中需要对其进行合理的温度控制。为了能较好地实现温度控制，需要对电池进行温度监控。

在传统的应用中，对电池温度监控一般采用在电池表面安装温度传感器的方法，温度传感器可以是热电阻或热电偶等。采用该方法可以得到电池表面的温度。然而，电池在实际工作过程中，由于长期的充放电循环导致电池内部发热，从而导致电池内外产生温差，这种现象在大电流的情况下尤其明显。在某些情况下，电池表面温度还在合理范围之内，然而其内部温度可能已经远远超过安全范围了。因此，仅仅测量电池表面温度所能提供的温度信息实际是不够的。为了能较好地进行电池管理，需要知道电池单体内部的温度。

一种可能的方法是在电池内部埋设温度传感器。然而，在电池内部埋设温度传感器会导致电池性能下降，并会影响到电池的寿命及安全性，因此仅适合在实验室使用，不能在实际应用中推广。另一种方法就是利用表面温度检测来估计电池内部温度。

中国专利申请CN104462847A公开一种电池内部温度实时预测方法，将电池分为内核和外壳，分别建立温度预测模型，通过实验的方法获取电池内部和表面材质比热容、电池内核-外壳以及外壳-外界的热阻参数、电池开路电压曲线、开路电压随温度变化曲线等信息。利用卡尔曼滤波方法对电池内部温度进行实时跟踪和修正，将实时电池表面和环境温度输入预测模型，实时预测电池内部温度。该方法还存在方法较为复杂、精度不够等不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单体电池内部温度估计方法，可以不通过埋设内部温度传感器而仅在采用电流、电压及表面温度传感器的基础上，实时估计电池内部温度，方法简单，有效地降低计算量，适用于电动汽车、电力储能等领域。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种单体电池内部温度估计方法，包括离线部分和在线部分，所述离线部分包括：

a1)获得电池单体在不同温度情况下的内阻特性；

a2)根据所述内阻特性获取电池内部温度与电池内阻的标准关系；

所述在线部分包括：

b1)在线检测当前工作电池的电流、端电压及表面温度；

b2)根据所述电流和端电压在线估计当前工作电池的电池内阻；

b3)根据步骤b2)获得的电池内阻、步骤b1)获得的表面温度及步骤a2)获得的标准关系估计当前工作电池的内部温度。

所述不同温度情况下的内阻特性包括电池单体内外无温差情况下的内阻特性和电池单体不同内外温差情况下的内阻特性。

所述标准关系为电池内部温度与电池内阻的数学表达式或由电池内部温度与电池内阻组成的表格。

步骤b1)中，所述表面温度通过在电池单体应用成组时安装于电池单体表面的温度检测传感器获得，所述温度检测传感器包括热电阻或热电偶。

步骤b2)中，所述电池内阻在线估计方法包括最小二乘法、卡尔曼滤波法、模糊逻辑法或神经网络法。

步骤b3)中，所述当前工作电池的内部温度通过查表或数据插值方法获得。

与传统电池内部温度检测方法不同的是，本发明在检测电池内部温度时，采用的是一种软测量的方法，通过电池内阻特性来实现，因此，属于无损检测。与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)本发明采用无损检测，在检测电池单体内部温度的同时，并不影响电池单体的性能、安全性和寿命；

2)与传统的有限元计算电池内部温度的方法相比，本发明所提供的解决方案简单有效，可以有效地降低计算量，从而适合在线应用，如在电池管理系统中实现；

3)本发明所提供方法由于可以实时估计电池单体内部温度，因此比传统的检测电池表面温度的方法能提供更多的信息，从而更好地保护和管理电池。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图；

图2为电池内外无温差时的内阻特性示意图；

图3为电池内外有温差时的内阻特性示意图；

图4为典型电池管理系统硬件结构示意图；

图5为典型电池单体等效模型；

图6为电池内阻在线估计方法原理示意图；

图7为在线电池单体内部温度估计的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种单体电池内部温度估计方法，包括离线部分和在线部分，离线部分是为了获取电池内部温度与电池内阻的标准关系，在线部分是根据所述标准关系及在线测量信息估计单体电池内部温度，具体步骤如下：

(1)对电池单体进行特性测试，得到电池单体在不同温度及不同内外温差的情况下的内阻特性。

当电池单体处于内部无温差的情况下，典型电池单体在不同表面温度下的内阻特性示意图如图2所示，可以看出随着温度的升高，电池的内阻逐渐变小，在低温时，其变化率较高；高温时，其变化率较低。

当电池单体处于内部有温差的情况，典型单体电池在不同内部温差、不同表面温度下的内阻特性如图3所示，可以看出，在同样的表面温度下，电池内部有无温差时其内阻特性是不同的。具体表现为，在有温差的情况下，同样表面温度时，内部有温差，且内部温度较高时，电池内阻要小于电池内部无温差的情况如图3中的线1；当内部有温差，且内部温度较低时，其电池内阻要大于电池内部无温差的情况如图3中的线2。

(2)将上述的规律在实验室的条件下进行完整实施，得到完整的电池单体在不同表面温度、不同内部温差情况下的内阻变化规律，将该规律进行数据拟合或制成数据表格，形成电池内部温度与电池内阻的标准关系，存入电池管理系统非易失性存储单元中。

(3)在线检测当前工作电池的电流、端电压及表面温度。

电池单体在使用及成组的时候，一般需要配置电池管理系统，典型电池管理系统的结构如图4所示。从硬件功能上看，电池管理系统最基本的功能一般会包括电池端电压采样模块和电池工作电池采样模块。为了能更好地管理电池，一般在成组时会在电池表面安装温度传感器，传感器可以是热敏电阻或热电偶之类的。基于这样的硬件设计，在电池使用的过程中，电池管理系统可以实时收集电池端电压、工作电流及电池表面的温度信息。

(4)根据检测所得到的电池电流及端电压在线估计得到电池当前的内阻，估计方法可以包括最小二乘、卡尔曼滤波及其他常见参数辨识方法。

以图5所示的电池模型为例，说明一种基于最小二乘方法的内阻估计过程的示例。图5所示的电池模型可以表示成如下的数学式：

其中，U_k、U_k-1、U_k-2、U_k-3分别为电池管理系统在k、k-1、k-2和k-3采样时刻采样得到的电池端电压，I_k、I_k-1、I_k-2、I_k-3分别为电池管理系统在k、k-1、k-2和k-3采样时刻采样得到的电池工作电流。a＝exp(-Δt/R₁C₁)，b＝exp(-Δt/R₂C₂)。

令

θ＝[α₀ α₁ α₂ β₀ β₁ β₂ β₃]

其中，

α₀＝a+b+1

α₁＝-(ab+a+b)

α₂＝ab

β₀＝-R₀

则采用最小二乘进行上述参数辨识时的步骤为：

(1)初始化，k＝0 to 2，

θ(k)＝[0 0 0 0 0 0 0]

(2)循环递推，for k＝3 to end

上述参数辨识过程可用图6所示的原理表示。在上述方法下，可以在线获得电池单体内阻。

(5)根据电池单体内阻、电池表面温度及步骤(2)所得到的电池内部温度与电池内阻的标准关系来查表或进行数据插值，估计电池内部温度，估计过程如图7所示。

Claims (5)

1.一种单体电池内部温度估计方法，其特征在于，包括离线部分和在线部分，所述离线部分包括：

a1)获得电池单体在不同温度情况下的内阻特性，包括电池单体内外无温差情况下的内阻特性和电池单体不同内外温差情况下的内阻特性；

a2)根据所述内阻特性获取电池内部温度与电池内阻的标准关系；

所述在线部分包括：

b1)在线检测当前工作电池的电流、端电压及表面温度；

b2)根据所述电流和端电压在线估计当前工作电池的电池内阻；

b3)根据步骤b2)获得的电池内阻、步骤b1)获得的表面温度及步骤a2)获得的标准关系估计当前工作电池的内部温度。

2.根据权利要求1所述的单体电池内部温度估计方法，其特征在于，所述标准关系为电池内部温度与电池内阻的数学表达式或由电池内部温度与电池内阻组成的表格。

3.根据权利要求1所述的单体电池内部温度估计方法，其特征在于，步骤b1)中，所述表面温度通过在电池单体应用成组时安装于电池单体表面的温度检测传感器获得，所述温度检测传感器包括热电阻或热电偶。

4.根据权利要求1所述的单体电池内部温度估计方法，其特征在于，步骤b2)中，所述电池内阻在线估计方法包括最小二乘法、卡尔曼滤波法、模糊逻辑法或神经网络法。

5.根据权利要求1所述的单体电池内部温度估计方法，其特征在于，步骤b3)中，所述当前工作电池的内部温度通过查表或数据插值方法获得。