CN108627766A - 电池模组中电芯内部温度的实时测量方法及电池包 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池模组中电芯内部温度的实时测量方法及电池包，所述实时测量方法包括：建立动态预测数学模型；将动态预测数学模型嵌入计算设备中；实时测量电池模组的汇流条温度；将得到的电池模组的汇流条温度输入计算设备，计算设备利用动态预测数学模型实时计算并输出电芯内部温度。与现有技术相比，本发明通过建立动态预测数学模型，并将动态预测数学模型运用于计算设备中，通过测量电池模组的汇流条温度、将汇流条温度输入计算设备来实时地计算电芯内部温度，其测量操作简单、计算速度快、误差小、占用存储空间小，显著提高了电池管理系统的运行效率。

Description

电池模组中电芯内部温度的实时测量方法及电池包

技术领域

本发明属于电池领域，更具体地说，本发明涉及一种电池模组中电芯内部温度的实时测量方法。

背景技术

在以锂离子电池作为动力源的电动汽车中，电池管理系统用于对锂离子电池的工作状态及时作出最合理的判断和指示。为此，电池管理系统需要获取电芯内部的温度，以对电池的荷电状态、寿命、功率限制等参数进行估算。

实时预测电芯内部温度的一种方法是使用实时三维模拟计算技术。由于目前实时三维模拟计算技术产品计算速度慢、占用存储空间大，很难直接嵌入到电池管理系统的单片机中，因此需要开发新的可嵌入到单片机中的电芯内部温度预测模型。目前国际上关于电芯内部温度预测模型的研究都是基于圆柱形电池的，这些模型通过圆柱形电池铝壳中心的温度来预测电芯的内部温度，预测的误差也较大。而且，尚未见有方形电池的温度预测模型。

在方形的电池模组中，外部汇流条的温度是可以直接采集的、最易于测量的温度，但在很多情况下，汇流条的检测温度与电芯内部温度有较大差别。若采用直接采集到的汇流条温度作为电芯内部温度的表征温度进行计算，往往会给电池荷电状态、寿命、功率限制等参数估算带来较大误差。

有鉴于此，有必要提供一种电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，这种方法能够通过检测到的电池模组的汇流条温度来在线实时的推测出电芯的内部温度。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种电池模组中电芯内部温度的实时测量方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，包括：

步骤一，建立通过电池模组的汇流条温度计算电芯内部温度的动态预测数学模型：

Y^t＝AY^t+BY^t-1+CX+D

Y＝[T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T_JR]′

其中，t为时间迭代计算的当前时点,t-1为迭代计算的前一个时点，A、B、C为7*7的常数系数矩阵，D为7*1的常数系数矩阵，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇为电芯内部传热路径上的测量点的温度，T_JR为电芯内部温度，T_air为外界环境测量点的温度，T_busbar为汇流条温度，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇和T_air在模型迭代完毕后可以消除；

步骤二，将所述动态预测数学模型嵌入计算设备中；

步骤三，实时测量电池模组的汇流条的温度T_busbar；

步骤四，将步骤105中得到的电池模组的汇流条温度T_busbar输入计算设备，计算设备利用所述动态预测数学模型实时计算并输出电芯内部温度T_JR。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述步骤一中建立动态预测数学模型的步骤包括：

步骤A，制作内置感温线的电池模组，电池模组包括电芯、电极和在电芯与电极之间传递能量的汇流条，感温线用于测量外界环境、汇流条以及电芯内部的温度；

步骤B，建立从汇流条到电芯内部的一维传热方程：其中，i代表测量节点的编号，2≤i≤7；，C_i代表测量节点i的热容，Q_i代表测量节点i的产热功率，T_i代表测量节点i的温度，R_i,i-1代表测量节点i和测量节点i-1之间的热阻，R_i,i+1代表测量节点i和测量节点i+1之间的热阻；

步骤C，在外界环境、汇流条以及电芯内部选择测量节点，测量各个测量节点所代表物体的热容值、各个测量节点之间的热阻值以及各个测量节点的电阻值；

步骤D，利用各个测量节点的电阻值和充放电测试输入电流值求出各个测量节点在所述充放电测试的产热功率值；

步骤E，将测量得到的各个节点所代表物体的热容值、各个节点之间的热阻值以及求得的各个测量节点的产热功率值代入所述一维传热方程，经过数学变换，得到计算各个测量节点和电芯内部温度的动态预测数学模型。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述步骤C中测量各个测量节点所代表物体的热容值包括：通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和材料物理性能来获得各个测量节点所代表物体的热容值。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述步骤C中测量各个测量节点之间的热阻值包括：通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和导热系数来获得各个测量节点之间的热阻值。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述步骤C中测量各个测量节点的电阻值包括：通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和材料电阻率来获得各个测量节点的电阻值。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述步骤D的充放电测试包括大倍率的充放电测试。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述充放电测试进一步包括：以不同的外界温度作为初始温度进行充放电测试。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述步骤一中建立动态预测数学模型的步骤还包括位于步骤D和E之间的步骤：

将测量得到的各个测量节点所代表物体的热容值、各个测量节点之间的热阻值以及各个测量节点的产热功率值代入前述一维传热方程，求出各个测量节点和电芯内部温度值；

利用感温线测量得到各个测量节点的温度值和通过一维传热方程求得的各个测量节点的温度值比较，验证前述一维传热方程的可靠性。

作为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的一种改进，所述步骤二和所述步骤四中的计算设备为电池管理系统。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种电池包，其包括电池管理系统和电池模组，其中电池模组包括电芯、电极和汇流条，汇流条在电芯与电极之间传递能量；所述电池包还包括实时测量电池模组的汇流条温度T_busbar、并与电池管理系统连接的采样线；所述电池管理系统中嵌有通过电池模组的汇流条温度T_busbar计算电芯内部温度T_JR的动态预测数学模型：

Y^t＝AY^t+BY^t-1+CX+D

Y＝[T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T_JR]′

其中，t为时间迭代计算的当前时点,t-1为迭代计算的前一个时点，A、B、C为7*7的常数系数矩阵，D为7*1的常数系数矩阵，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇为电芯内部传热路径上的测量点的温度，T_JR为电芯内部温度，T_air为外界环境测量点的温度，T_busbar为汇流条温度，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇和T_air在模型迭代完毕后可以消除。

与现有技术相比，本发明通过建立动态预测数学模型，并将动态预测数学模型运用于计算设备中，通过测量电池模组的汇流条温度、将汇流条温度输入计算设备来实时地计算电芯内部温度，其测量操作简单、计算速度快、误差小、占用存储空间小，显著提高了电池管理系统的运行效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法及其有益技术效果进行详细说明。

图1为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的流程图。

图2为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法中建立动态预测数学模型的方法的流程图。

图3为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法的从电池模组汇流条到电芯内部的一维传热路线图。

图4为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法在实际工况条件下计算结果与实测数据的对比图。

图5为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法在电池1C倍率的放电条件下计算结果与实测数据的对比图。

图6为本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法在电池0.5C倍率的放电条件下计算结果与实测数据的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

请参阅图1，本发明电池模组中电芯内部温度的实时测量方法包括：

步骤101，建立通过电池模组的汇流条温度计算电芯内部温度的动态预测数学模型：

Y^t＝AY^t+BY^t-1+CX+D

Y＝[T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T_JR]′

其中，t为时间迭代计算的当前时点,t-1为迭代计算的前一个时点，A、B、C为7*7的常数系数矩阵，D为7*1的常数系数矩阵，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇为电芯内部传热路径上的测量点的温度，T_JR为电芯内部温度，T_air为外界环境测量点的温度，T_busbar为汇流条温度，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇和T_air在模型迭代完毕后可以消除；

步骤103，将动态预测数学模型嵌入计算设备中；

步骤105，实时测量电池模组的汇流条温度T_busbar；

步骤107，将步骤105中得到的电池模组的汇流条温度T_busbar输入计算设备，计算设备利用步骤101中的动态预测数学模型实时计算并输出电芯内部温度T_JR。

其中，根据本发明的一个实施方式，步骤103和步骤107中的计算设备为电池管理系统。

请参阅图2，根据图2所示的实施方式，步骤101中建立动态预测数学模型的步骤包括：

步骤301，制作内置感温线的电池模组，电池模组包括电芯、电极和在电芯与电极之间传递能量的汇流条，感温线用于测量外界环境、汇流条以及电芯内部的温度。

步骤303，建立从汇流条到电芯内部的一维传热方程：其中，i代表测量节点的编号，2≤i≤7；C_i代表测量节点i的热容，Q_i代表测量节点i的产热功率，T_i代表测量节点i的温度，R_i,i-1代表测量节点i和测量节点i-1之间的热阻，R_i,i+1代表测量节点i和测量节点i+1之间的热阻。

步骤305，在外界环境、汇流条以及电芯内部选择测量节点，测量各个测量节点所代表物体的热容值、各个测量节点之间的热阻值以及各个测量节点的电阻值。其中，测量节点可以按照图3所示的一维传热路线在电池模组的感温线上选择。各个测量节点所代表物体的热容值可以通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和材料物理性能来获得。各个测量节点之间的热阻值可以通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和导热系数来获得。各个测量节点的电阻值可以通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和材料电阻率来获得。测量各个测量节点的温度时，以不同的外界温度作为初始温度，对电池模组进行包括大倍率充放电在内的充放电测试，外界初始温度和温度的变化包括用户在正常使用电池的过程中有可能出现的常规和恶劣的温度和温升工况，例如：初始温度设定为-5摄氏度，电池温度在半小时时间范围内从-5摄氏度变化至+15摄氏度。

步骤307，根据所测得的各个测量节点的电阻值和充放电测试输入电流值求出各个测量节点在所述充放电测试的产热功率值。

步骤309，将测量得到的各个测量节点所代表物体的热容值、各个测量节点之间的热阻值以及各个测量节点的产热功率值代入前述一维传热方程，求出各个测量节点和电芯内部代表温度值。

步骤311，利用感温线测量得到各个测量节点的温度值和通过一维传热方程求得的各个测量节点的温度值比较，验证前述一维传热方程的可靠性。

步骤313，将测量得到的各个节点所代表物体的热容值、各个节点之间的热阻值以及求得的各个测量节点的产热功率值代入前述一维传热方程，经过数学变换，得到步骤101中通过电池模组的汇流条温度计算电芯内部温度的动态预测数学模型。需要说明的是，由于不同款的电芯在材料和尺寸设计上不同，系数矩阵A、B、C、D的具体数值不相同。根据本发明的一个实施方式，系数矩阵的具体数值如下：

其中，cf＝0.034624*T_busbar+7.07为极柱的热容，dt为单位时间步长，对应不同功率的运行工况，dt的数值选择不同。I为单位时间步长的电池充放电流值。

为检验本发明测量方法所达到的技术效果，将运用本发明测量方法得到的电芯内部温度与实际测量所得到的电芯内部真实温度进行对比。

实验验证

对于磷酸铁锂86Ah的方形硬壳电池模组在环境和初始温度为0摄氏度下执行某实际工况10-0D-M充放电条件，本发明测量方法的计算结果与实测数据的对比如图4所示。图中横坐标为时间，纵坐标为温度值。由于电池管理系统只能得到整数数据，图中的温度值都是离散点，为了方便在视觉上区分不同的数值，图中用光滑的连线连接各个离散点形成连续变化的曲线。曲线2-J2表示测试时间段内电芯内部的真实温度值(以下称实测数据)，曲线busbar3表示测试时间段内模组汇流条的温度值，曲线computed2-J表示测试时间段内通过本发明测量方法计算得到的电芯内部温度值(以下称计算结果)。由图可见，计算结果与实测数据非常接近，误差在1摄氏度以内。

在外界初始温度为-5摄氏度，磷酸铁锂86Ah的方形硬壳电池模组在1C和0.5C的放电条件下，本发明测量方法的计算结果与实测数据的对比如图5和图6所示。图中坐标轴、各点和曲线的意义与图4相同，此处不再赘述。由图可见，计算结果与实测数据基本重合，误差小于1摄氏度。

与现有技术相比，本发明通过建立动态预测数学模型，并将动态预测数学模型运用于计算设备中，通过测量电池模组的汇流条温度、将汇流条温度输入计算设备来实时地计算电芯内部温度，其测量操作简单、计算速度快、误差小、占用存储空间小，显著提高了电池管理系统的运行效率。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一，建立通过电池模组的汇流条温度计算电芯内部温度的动态预测数学模型：

Y^t＝AY^t+BY^t-1+CX+D

Y＝[T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T_JR]′

其中，t为时间迭代计算的当前时点,t-1为迭代计算的前一个时点，A、B、C为7*7的常数系数矩阵，D为7*1的常数系数矩阵，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇为电芯内部传热路径上的测量点的温度，T_JR为电芯内部温度，T_air为外界环境测量点的温度，T_busbar为汇流条温度，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇和T_air在模型迭代完毕后可以消除；

步骤二，将所述动态预测数学模型嵌入计算设备中；

步骤三，实时测量电池模组的汇流条温度T_busbar；

步骤四，将步骤三中得到的电池模组的汇流条温度T_busbar输入计算设备，计算设备利用所述动态预测数学模型实时计算并输出电芯内部温度T_JR。

2.根据权利要求1所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述步骤一中建立动态预测数学模型的步骤包括：

步骤A，制作内置感温线的电池模组，电池模组包括电芯、电极和在电芯与电极之间传递能量的汇流条，感温线用于测量外界环境、汇流条以及电芯内部的温度；

步骤B，建立从汇流条到电芯内部的一维传热方程：其中，i代表测量节点的编号，2≤i≤7；C_i代表测量节点i的热容，Q_i代表测量节点i的产热功率，T_i代表测量节点i的温度，R_i,i-1代表测量节点i和测量节点i-1之间的热阻，R_i,i+1代表测量节点i和测量节点i+1之间的热阻；

步骤C，在外界环境、汇流条以及电芯内部选择测量节点，测量各个测量节点所代表物体的热容值、各个测量节点之间的热阻值以及各个测量节点的电阻值；

步骤D，利用各个测量节点的电阻值和充放电测试输入电流值求出各个测量节点在所述充放电测试的产热功率值；

步骤E，将测量得到的各个节点所代表物体的热容值、各个节点之间的热阻值以及求得的各个测量节点的产热功率值代入所述一维传热方程，经过数学变换，得到计算各个测量节点和电芯内部温度的动态预测数学模型。

3.根据权利要求2所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述步骤C中测量各个测量节点所代表物体的热容值包括：通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和材料物理性能来获得各个测量节点所代表物体的热容值。

4.根据权利要求2所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述步骤C中测量各个测量节点之间的热阻值包括：通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和导热系数来获得各个测量节点之间的热阻值。

5.根据权利要求2所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述步骤C中测量各个测量节点的电阻值包括：通过测量各个测量节点所代表物体的尺寸和材料电阻率来获得各个测量节点的电阻值。

6.根据权利要求2所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述步骤D的充放电测试包括大倍率的充放电测试。

7.根据权利要求6所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述充放电测试进一步包括：以不同的外界温度作为初始温度进行充放电测试。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述步骤一中建立动态预测数学模型的步骤还包括位于步骤D和E之间的步骤：

将测量得到的各个测量节点所代表物体的热容值、各个测量节点之间的热阻值以及各个测量节点的产热功率值代入前述一维传热方程，求出各个测量节点和电芯内部温度值；

利用感温线测量得到各个测量节点的温度值和通过一维传热方程求得的各个测量节点的温度值比较，验证前述一维传热方程的可靠性。

9.根据权利要求1所述的电池模组中电芯内部温度的实时测量方法，其特征在于，所述步骤二和所述步骤四中的计算设备为电池管理系统。

10.一种电池包，其包括电池管理系统和电池模组，其中电池模组包括电芯、电极和汇流条，汇流条在电芯与电极之间传递能量；其特征在于：所述电池包还包括实时测量电池模组的汇流条温度T_busbar、并与电池管理系统连接的采样线；所述电池管理系统中嵌有通过电池模组的汇流条温度T_busbar计算电芯内部温度T_JR的动态预测数学模型：

Y^t＝AY^t+BY^t-1+CX+D

Y＝[T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T_JR]′

其中，t为时间迭代计算的当前时点,t-1为迭代计算的前一个时点，A、B、C为7*7的常数系数矩阵，D为7*1的常数系数矩阵，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇为电芯内部传热路径上的测量点的温度，T_JR为电芯内部温度，T_air为外界环境测量点的温度，T_busbar为汇流条温度，T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇和T_air在模型迭代完毕后可以消除。