CN105048021A - 电池温度估计系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种电池温度估计系统。一种车辆电池冷却系统可包括：冷却装置，用于冷却电池；控制器，被配置为根据一系列估计的电池温度操作冷却装置，其中，所述一系列估计的电池温度中的每个温度基于与电池关联的热产生速率、储存热能速率和热传递速率，使得所述一系列估计的电池温度形成估计的温度波形，所述估计的温度波形在时间上领先感测的电池温度波形。

Description

电池温度估计系统
技术领域
本公开涉及牵引电池温度估计。
背景技术
诸如电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、轻度混合动力电动车辆(MHEV)或全混合动力电动车辆(FHEV)的车辆包括牵引电池(诸如，高电压(HV)电池)，以用作车辆的推进源。HV电池可包括用于辅助管理车辆性能和操作的组件和系统。HV电池可包括在电池单元端子之间相互电连接的一个或更多个电池单元阵列以及互连器汇流条。HV电池和周围环境可包括用于辅助管理HV电池组件、系统和各个电池单元的温度的热管理系统。
由于电池的寿命可受电池单元的温度影响，所以电池的热管理系统和冷却系统可有助于防止电池过热并减轻高温的影响。这样的冷却系统可通过在安装在电池表面上的电池传感器处所检测到的温度而被触发。
发明内容
一种车辆电池冷却系统，所述系统可包括：冷却装置，用于冷却电池；控制器，被配置为根据一系列估计的电池温度操作所述装置，所述一系列估计的电池温度中的每个温度基于与电池关联的热产生速率、储存热能速率和热传递速率，使得所述一系列估计的电池温度形成估计的温度波形，所述估计的温度波形在时间上领先感测的电池温度波形。
一种用于管理车辆电池的温度的方法(电池温度管理方法)可包括：响应于一系列估计的电池温度通过控制器操作冷却系统冷却电池，所述一系列估计的电池温度中的每个温度基于与电池关联的热产生速率、储存热能速率和热传递速率，并在传感器反映出电池的内部温度变化之前反映出电池的内部温度变化，以防止电池温度超过内部温度阈值。
根据本发明的一个实施例，热产生速率可基于电池的功率和开路电压，开路电压是电池的荷电状态的函数。
根据本发明的一个实施例，热产生速率可基于电池的电压与电池的开路电压之间的差和电池的电流的乘积。
根据本发明的一个实施例，储存热能速率可基于所述一系列估计的电池温度与电池的热容量的变化速率。
根据本发明的一个实施例，与电池关联的热传递速率可基于电池入口空气的温度与估计的电池温度之间的差。
根据本发明的一个实施例，操作冷却系统可包括启动冷却系统。
一种车辆可包括：牵引电池；冷却系统，被构造为冷却牵引电池；控制器，被配置为响应于一系列估计的电池温度操作冷却系统，所述一系列估计的电池温度中的每个温度基于与电池关联的热产生速率、储存热能速率和热传递速率，并在传感器反映出电池的内部温度变化之前反映出电池的内部温度变化，以防止电池温度超过内部温度阈值。
根据本发明的一个实施例，热产生速率可基于电池的功率和开路电压，开路电压是电池的荷电状态的函数。
根据本发明的一个实施例，热产生速率可基于电池的电压与电池的开路电压之间的差和电池的电流的乘积。
根据本发明的一个实施例，储存热能速率可基于估计的电池温度和电池的热容量的变化速率。
根据本发明的一个实施例，热传递速率可基于电池入口空气的温度与估计的电池温度之间的差。
根据本发明的一个实施例，操作所述冷却系统可包括启动所述冷却系统。
附图说明
图1示出了具有电池组的示例性混合动力电动车辆；
图2是电池组能量交换组件的框图；
图3是示出估计的电池温度和测量的电池温度的示例性曲线图；
图4是用于估计电池温度的示例性算法。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细的实施例；然而，应该理解，公开的实施例仅仅是本发明的可以以各种形式和可选的形式实施的示例。附图不一定按照比例绘制；可能会夸大或最小化一些特征，以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。
在此公开了一种温度预测系统，所述温度预测系统被构造为预测电池组内储存的热能和电能的变化。通过预测该能量，可预测电池的内部单元温度，而不需使用温度传感器。与使用温度传感器的一般系统相比，通过使用存在的数据点和电池测量值与特性，预测电池单元温度可早20秒。因为可更早地预测温度，所以电池周围的温度控制可更有效，因此，延长了电池寿命，减小了冷却系统尺寸并降低噪音等级和成本。此外，由于电池温度传感器对于该估计来说不是必要的，所以可减小冷却系统的尺寸并降低冷却系统的成本。
图1描绘了典型的车辆系统100的示例。插电式混合动力电动车辆102可以包含机械连接至混合动力传动装置106的一个或更多个电动马达104。此外，混合动力传动装置106机械连接至发动机108。混合动力传动装置106还可以机械连接至驱动轴110，驱动轴110机械连接至车轮112。当发动机108关闭时电动马达104能提供推进。当发动机108基于车辆控制器命令开启时电动马达104能提供减速能力，其中，所述车辆控制器命令可通过允许发动机或马达实现最高效率而优化车辆燃料经济性或使电池组实现期望的SOC水平。电动马达104可以被构造为发电机，并且能通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量而提供燃料经济效益。由于混合动力电动车辆102在特定状况下可以按照电动模式运转，并且通过优化处理发动机和电动驱动系统可在最高可用状态下工作，所以电动马达104还可以减少污染物排放。
电池组114储存电动马达104可以使用的能量。车辆电池组114通常提供高电压直流(DC)输出。电池组114电连接至电力电子模块116。电力电子模块116还电连接至电动马达104，并且提供在电池组114和电动马达104之间双向传输能量的能力。例如，典型的电池组114可以提供DC电压，而电动马达104可能需要三相交流(AC)电以进行运转。电力电子模块116可以将DC电压转换为电动马达104需要的三相AC电。在再生模式中，电力电子模块116将来自作为发电机的电动马达104的三相AC电转换为电池组114需要的DC电压。在此描述的方法同样适用于纯电动车辆或者使用电池组的任何其它装置。
电池组114除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气系统的能量。典型的系统可以包括将电池组114的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供电的DC/DC转换器模块118。其它高电压负载(比如压缩机和电加热器)可以直接连接至从电池组114引出的高电压总线。在典型的车辆中，低电压系统电连接至12V电池120。纯电动车辆可以具有类似的配置，只是没有发动机108。
可以通过外部电源126向电池组114再充电。外部电源126可以经由充电端口124通过电连接向车辆102提供AC或DC电力。充电端口124可以是被配置为从外部电源126向车辆102传输功率的任何类型的端口。充电端口124可以电连接至电力转换模块122。电力转换模块122可以调节来自外部电源126的电力以向电池组114提供适合的电压和电流水平。在一些应用中，外部电源126可以被配置为向电池组114提供适合的电压和电流水平，并且电力转换模块122可能不是必需的。在一些应用中，电力转换模块122的功能可以设置在外部电源126中。车辆发动机、传动装置、电动马达以及电力电子器件可由动力传动系统控制模块(PCM)128控制。
电池组114还可包括电池组控制器130(也被称作电池电控制模块(BECM))。电池组控制器130可控制并监测电池组114的性能。控制器130可包括管理电池单元中的每个的温度和荷电状态的电子监测系统。控制器130可包括被构造为便于进行下面针对图4所描述的处理400的存储器和处理器。尽管未详细示出，但是电池组114的线束用于将每个电池单元、传感器和其它电力组件电连接在一起。当线束上存在电流时，线束可具有会影响电池组114产生的热的电阻Rharness。
除了示出插电式混合动力车辆，图1还可示出电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)。所讨论的各个组件可具有控制并监测组件的运转的一个或更多个相关联的控制器(包括电池组控制器130)。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散的导体进行通信。
电池单元(例如，棱柱形的电池单元)可包括将储存的化学能转换为电能的电化学电池单元。棱柱形的电池单元可包括壳体、正极(阳极)和负极(阴极)。电解质可允许离子在放电期间在阳极和阴极之间运动，然后在再充电期间返回。端子可允许电流从电池单元流出以被车辆使用。当多个电池单元按照阵列定位时，每个电池单元的端子可与彼此相邻的相对的端子(正和负)以及作为电池组线束的一部分的汇流条对齐，并可辅助便于多个电池单元之间的串联连接。电池单元还可并联布置，从而类似的端子(正和正或者负和负)彼此相邻。例如，两个电池单元可被布置为正极端子彼此相邻，紧挨着的两个电池单元可被布置为负极端子彼此相邻。在该示例中，汇流条可接触所有的四个电池单元的端子。电池单元可并联/串联混合连接，例如，每组电池单元可具有并联连接的5个电池单元，并且多组电池单元在电池单元组中串联连接。电池单元的不同结构的目的在于使电池组输出电流和电压处于期望范围内。
可利用热管理系统加热和/或冷却电池组114。热管理系统可包括气冷系统142或冷却装置(在图1中示出)，例如调节空气流动和/或车厢空气的空调、风扇。电池组114还可以是类似于内燃发动机液冷系统的液冷式，具有被构造为将液态冷却剂泵送至电池单元的侧部之间/周围/之上的冷却翅片/衬垫以冷却电池单元的泵。虽然冷却系统142被示出为邻接电池组114的一部分，但是冷却系统142可封装或围绕电池组114。冷却系统142还可布置在电池组114的另一部分上。
控制器130可利用电池组温度或电池单元温度来操作冷却系统142。例如，当电池组温度超过预定内部温度阈值时，可启动或打开冷却系统142。另外，可响应于电池温度控制冷却系统142内的风扇，其中，响应于该温度可增大或减小风扇的速度。响应于该温度还可调节气流温度、冷却剂流动速率和冷却剂温度。在此描述的电池温度可以是估计的电池温度。控制器130可接收多个参数来确定估计的电池温度。下面参照图2更详细地描述所述参数。
图2是示出电池组114、外部电源126与通过热传递进入电池组114的热能之间的能量关系的电池组能量交换组件148的框图。电池组具有平衡的功率。当电池组114将化学能转变为电能时，电池组114将由于电池单元内部电阻Rbat和电池组线束电阻Rharness而产生一些热。然后，利用电能以使车辆运动并驱动其它车辆系统。热能通过冷却系统142经由热传递而传递到电池组114外部，或者电池组114吸收热能从而增加电池组温度。
当电池组114在休息期间通过车辆电气系统或外部电源126(例如，外部充电站)充电时，电池组114将大部分电能转换为储存在电池单元内部的化学能。剩余的能量被内部电阻Rbat和电池组线束电阻Rharness消耗，这产生传递到电池组114外部或储存在电池组114内部的热。可利用电池组组件148和电池的功率平衡基于各个电池系统参数来估计电池温度Tcell。所述参数可包括已知常量和实时变量。控制器130可保持对于电池组114特定的常量，并接收额外的实时或接近于实时的变量参数。所述参数的示例性列表可包括：
P电池组功率
V电池组电压
I电池组电流
Cp,pack电池热容量
Tcell估计的电池温度
Ebatpack(SOC)作为电池荷电状态的函数的电池化学能
Tair入口空气温度
h电池热传递系数
Rharness线束电阻
Rbat电池组电阻
外部电源126可将功率供应到电池组114。功率等于电流与电压的乘积，如下面的等式1所示。
P＝V·I(等式1)
可通过电压传感器和电流传感器从电源126测量电压V、电流I和功率P的值，并将这些参数提供给控制器130。
由图2中的框150所示的电池组114储存热能和电能两者。热能和电能的组合是电池的总的封装储存的能量。封装储存的热能的变化可用于确定电池温度。
储存热能速率可由下面的等式2表示。
(等式2)
其中，Cp,pack是电池组热容量，Tcell是电池温度。
储存电能速率可由下面的等式3表示。
(等式3)
其中，Ebatpack(SOC)是电池化学能，电池化学能是荷电状态(SOC)的函数。SOC可以是剩余容量与装机容量(installedcapacity)的比值。SOC可以以百分比表示。控制器130可通过电池组电压、当前数据和历史数据来估计SOC值。可通过与电源126、电动马达104和其它车辆组件通信而在控制器处保持SOC。
储存的电池电能的变化速率可等于开路电压(OCV)与电流的乘积，开路电压是荷电状态的函数。开路电压可以是在没有电流供应到电池组114时电池组114的两个端子之间的电势差。OCV是电池单元开路电压的稳定值。当超过某段时间(例如，15秒)没有电流流入电池组114时，可测量OCV。由于在锂离子电池单元中，OCV值与电池单元荷电状态(SOC)之间的关系可以是固定的曲线，所以开路电压可以是荷电状态的函数并可由控制器130确定。如下面的等式4中所示，开路电压乘以电流I等于电池组114的储存的化学能/电能的变化速率。
d dt [ E batpack ( SOC ) ] = OCV ( SOC ) · I (等式4)
由框154表示的对于电池组114的入口空气具有入口空气温度Tair，可通过位于电池组气流入口中的温度传感器测量Tair，所述温度传感器确定新鲜的入口空气的温度。电池组114可具有热传递系数h。在冷却系统142包括风扇的一个示例中，h可以是冷却风扇速度的函数。例如，h＝0.3404×冷却剂流量+2.1912(W/K)，其中，冷却剂流量(CFM)可关于冷却剂风扇速度呈线性。冷却剂风扇速度可由风扇速度传感器测量并被反馈给电池控制器130。电池控制器130可通过风扇速度控制冷却剂流量。如在此所解释的，可预测电池温度Tcell。可由下面的等式5表示电池组外的热传递速率。
电池组外的热传递速率＝h·(Tcell-Tair)(等式5)
由于从电池组114供应并汲取电流，所以电池的储存电能将变化。另外，由于线束电阻Rharness和电池组内的电池单元的电阻Rbat，所以会产生热。可由下面的等式6表示由于电阻而导致的热产生速率。
热产生速率＝I2·(Rbat+Rharness)(等式6)
产生的热加上储存的电池电能(见等式4)等于电池功率P(等式1)。因此：
热产生速率+电池组储存电能速率＝电池的功率输入(等式7)
用等式1、3、4、6进行合适的代入：
OCV(SOC)·I+I2·(Rbat+Rharness)＝V·I(等式8)
对I2·(Rbat+Rharness)求解，其中，产生的热为：
产生的热＝I2·(Rbat+Rharness)＝V·I-OCV(SOC)·I(等式9)
如下面所示，电池组114的热平衡可要求电池组外的热传递速率(等式5)等于在电池组产生的热(等式9)减去在电池组储存的热能(等式2)。
电池组外的热传递速率＝产生的热-储存的热能(等式10)
h · ( T cell - T air ) = V · I - OCV ( SOC ) · I - d dt [ C p , pack · T cell ] (等式11)
求解BECM130内的等式的数值解，我们可得到Tcell。
因此，可基于已知的电池组114的热容量Cp,pack、入口空气温度Tair、电池组荷电状态和检测的电流和电压，来确定估计的电池温度Tcell。可更快地获得这些检测的值，这些检测的值与实时相比具有百万分之一秒的延迟。另一方面，电池温度传感器可具有15秒至30秒的延迟。另外，传统的电池温度传感器可安装在传感器的保护壳内，测量电池的表面温度。这种表面温度可能由于电池组114和周围环境之间的热传递而低于电池的中心温度。通过使用电池的电流和电压，可确定几乎瞬时的温度值。可消除对传统的温度测量值的需要，从而得到更快并更准确的温度估计。
图3是示出估计的电池温度Tcell和测量的电池温度的示例性曲线图。如由曲线图中的波形所示，如由图3中的t指示的所示，尽管估计的温度可能比测量的温度快20秒发生，但是一系列估计的温度Tcell也与一系列测量的温度紧密对应。因此，估计的温度可比传统的温度测量结果更快实现并可被热管理系统(特别是冷却系统142)使用，以根据需要更有效地冷却电池组114。
图4是用于估计电池温度Tcell的示例性处理400。该处理开始于框405，在框405处，控制器130获得关于电池组114的常量参数(诸如电池热容量Cp,pack、电池热传递系数h的系数和线束电阻Rharness)。该处理400可前进到框410。
在框410处，控制器130可接收或计算实时参数，诸如电池组电压V、电池组电流I、电池热传递系数h、电池开路电压(OCV，可以是荷电状态(SOC)的函数)和入口空气温度Tair。处理400可前进到框415。
在框415处，控制器130可使用等式10和识别的参数确定估计的电池温度Tcell。
在框420处，控制器130可根据估计的温度调节电池冷却系统142。如上面所解释的，可基于估计的温度控制冷却系统142。例如，可打开或关闭冷却系统142。另外地或可选地，可调节冷却系统142的风扇速度，可调节液冷系统142的泵(例如，调节冷却剂流量的量)。电池组114还可以是与内燃发动机液冷系统类似的液冷式，具有被构造为将液态冷却剂泵送到电池单元的侧部之间/周围/之上的冷却翅片/衬垫的泵，以冷却电池单元。过程400可基于估计的温度持续调节冷却系统142。即，如果估计的温度变化，则冷却系统142可相应地进行调节。然后，处理400可结束。
因此，可根据估计的电池温度控制用于电池的冷却系统。估计的电池温度可基于多个常量和实时参数，并且可与测量的温度无关，使得估计的温度比测量的温度更快地产生。冷却系统可快速地对温度变化作出反应，以减小热可能对电池的影响，因此，延长了电池的寿命。此外，可消除对通常放置在电池外部的传统温度传感器的需要，节约了成本。
在此描述的诸如控制器的计算装置通常包括计算机可执行指令，其中，所述指令可通过诸如上面列举那些计算装置中的一个或更多个计算装置而执行。可根据利用各种编程语言和/或技术产生的计算机程序来编译或解释计算机可执行指令，所述编程语言和/或技术包括而不限于JavaTM、C、C++、VisualBasic、JavaScript、Perl、MatlabSimulink、TargetLink等中的单独一个或其组合。通常，处理器(例如，微处理器)从例如存储器、计算机可读介质等接收指令并执行这些指令，从而执行一个或更多个处理(包括在此描述的一个或更多个处理)。可利用各种计算机可读介质存储并传输这样的指令和其它数据。
计算机可读介质(也称为处理器可读介质)包括参与提供数据(例如，指令)的任何非瞬态(例如，有形)介质，所述数据可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取。这样的介质可采用许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可包括例如EEPROM(电可擦除可编程只读存储器，并且EEPROM是在计算机和其它电子装置中使用的一种非易失性存储器，用于存储在移除电力时必须保存的少量数据(例如，校准表或装置配置))、光盘或磁盘以及其它持久性存储器。易失性介质可包括例如动态随机存取存储器(DRAM，通常构成主存储器)。这样的指令可通过一个或更多个传输介质传输，所述一个或更多个传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，所述同轴电缆、铜线和光纤包括具有结合到计算机的处理器的系统总线的线。计算机可读介质的普通形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其它光学介质、打孔卡(punchcard)、纸带、具有孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其它存储器芯片或盒或者计算机能够读取的任何其它介质。
在此描述的数据库、数据资源库或其它数据存储器可包括用于存储、存取和检索各种类型的数据的各种类型的机构，包括层次数据库、文件系统中的一系列文件、专用格式的应用数据库、关系数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储器通常被包括在采用计算机操作系统(诸如上面提到的那些计算机操作系统中的一个)的计算装置内，并以多种方式中的任何一种或更多种通过网络而被访问。可从计算机操作系统访问文件系统，且文件系统可包括以多种格式存储的文件。RDBM通常除了采用用于创建、存储、编辑和执行存储的程序的语言(诸如PL/SQL语言)之外还采用结构化查询语言(SQL)。
在一些示例中，系统元件可在一个或更多个计算装置(例如，服务器、个人计算机等)上实施为计算机可读指令(例如，软件)，这些指令存储在与其关联的计算机可读介质(例如，磁盘、存储器等)上。计算机程序产品可包含存储在计算机可读介质上的这样的指令，以执行在此描述的功能。
对于在此描述的程序、系统、方法和启发等，应该理解的是，虽然这样的程序等的步骤已被描述为根据某一有序的顺序进行，但是这样的程序可按照除了在此描述的顺序以外的顺序执行的被描述的步骤来实践。还应该理解的是，可同时执行某些步骤，可增加其它步骤，或可省略在此描述的某些步骤。换句话说，在此提供程序的描述是为了说明某些实施例的目的，并且决不应该解释为限制权利要求。
因此，应该理解的是，上面的描述意图是说明性的并不是限制性的。在阅读上面的描述时，除了提供的示例之外的许多实施例和应用将是显而易见的。不应该参考上面的描述来确定范围，而应该参照所附的权利要求以及这样的权利要求被赋予的等同物的全部范围来确定。可预见和预期的是，未来的发展将出现于在此所讨论的技术中，并且所公开的系统和方法将被合并到这样的未来的实施例中。总之，应该理解的是，本申请能够进行修改和变型。
除非明确指出与在此描述的意思相反，否则权利要求中所使用的所有术语意图在于给出它们的如熟知在此描述的技术的技术人员所理解的普通含义和最宽的合理的解释。
虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种改变。此外，可组合实现的多个实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (6)

1.一种车辆电池冷却系统，包括：
冷却装置，用于冷却电池；
控制器，被配置为根据一系列估计的电池温度操作冷却装置，其中，所述一系列估计的电池温度中的每个温度基于与电池关联的热产生速率、储存热能速率和热传递速率，使得所述一系列估计的电池温度形成估计的温度波形，所述估计的温度波形在时间上领先感测的电池温度波形。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，热产生速率基于电池的功率和开路电压，开路电压是电池的荷电状态的函数。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，热产生速率基于电池的电压与电池的开路电压之间的差和电池的电流的乘积。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，储存热能速率基于估计的电池温度和电池的热容量的变化速率。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，热传递速率基于电池入口空气的温度与估计的电池温度之间的差。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，操作冷却装置包括启动冷却装置。
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