CN109311410B - 用于对电池组进行热调节的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对电池组(4)进行热调节的方法，其中所述电池组(1)包括多个电池单体(4a、4b、4c…)并且形成电存储系统(15)的一部分，所述方法包括执行准备运行功能的步骤，用于优化所述电池组(4)在使用期间的性能。此外，所述方法包括以下步骤：计算电池组(4)要达到的设定点温度(TS)，以便在预定时间段(t)期间提供足够的性能水平而无需进一步的热调节；以及对所述电池组(4)进行热调节以达到所述设定点温度(TS)。本发明还涉及一种用于这种热调节的装置。

Description

用于对电池组进行热调节的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于对电池组进行热调节的方法，其中所述电池组包括多个电池单体并且形成电存储系统的一部分。该方法包括执行准备运行功能(ready-to-runfunction)的步骤，用于优化所述电池组在使用期间的性能。
本发明还涉及一种用于对电池组进行热调节的装置，所述装置包括电池组，所述电池组包括多个电池单体并且形成电存储系统的一部分。该装置被构造成用于执行准备运行功能，以便优化所述电池组在使用期间的性能。
本发明可应用于重型车辆，例如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管将针对公共汽车来描述本发明，但本发明不限于该特定车辆，而是也可用在其它车辆中。
背景技术
在车辆领域中，关于与用替代动力源(即，用作传统内燃机的替代品的动力源)推进车辆，得到了稳定发展。特别地，电动操作的车辆已经成为一种很有前景的替代方案。
根据当今的技术，可以仅通过电机来操作车辆，或者通过包括电机和内燃机的装置来操作车辆。后一种替代方案通常被称为混合动力车辆(HEV)，并且例如能够以如下方式使用：在市区外行驶时使用内燃机来操作车辆，而在市区内或在需要限制有害污染物(例如一氧化碳和氮氧化物)排放的环境中可以使用电机。另一种类型的车辆是所谓的插电式混合动力车辆(PHEV)，其被布置成使得外部电源可以用于对电池组充电，所述电池组用于为车辆中的电机供电。可以使用电网电力来实现该充电过程。
电动操作的车辆中涉及的技术与电能存储系统的发展密切相关，包括用于车辆的与电池相关的技术。由电机操作的车辆通常由可再充电的电能存储系统供电，该可再充电的电能存储系统即具有可再充电电池单体的电池组，能够如上所述地通过外部电源对该电池组充电。这是在已经通过合适的连接器元件将能量存储系统和外部电源电连接之后进行的。电池组与控制电路一起形成能量存储系统，该能量存储系统被构造成用于向电机提供电力。
在汽车领域中，能量存储系统通常包括具有大量电池单体的电池组。电池组可以例如是锂离子型的。在使用600V锂离子电池组的情况下，那么，将例如需要大约200个串联连接的电池单体以实现期望的电压来操作车辆。车辆的可用行驶里程取决于某些参数，例如电池组的荷电状态(SOC)。荷电状态是用于管理电动车辆中的可用能量的重要参数。
已知的是，包括上述类型的电池组的能量存储系统的电力输出和性能取决于电池组的温度。例如，在插电式混合动力车辆中使用的电池组必须在包括极低温度和极高温度的苛刻条件下操作，例如在-20摄氏度到+40摄氏度之间的区间内。这意味着这种电池组的性能可能根据操作期间的实际温度而显著变化。例如，如果电池组具有非常低的温度，则可以预料到这种车辆的里程将显著降低。
除了用于电动车辆的能量存储系统具有取决于电池组温度的性能这一已知事实之外，显然通常希望提供一种被构造成在需要时提供最佳性能的电池组。
因此，在考虑电池具有温度依赖性这一重要事实的同时，优化电池组的性能始终是非常重要的。通常可以通过给电池组充电以及通过优化电池组的温度来提高性能。另一方面，如果对电池组充电过多，则这可能对电池组和与能量存储系统相关联的电子部件的寿命和功能有害。
用于电动车辆的热调节系统是先前已知的。专利文献US 2015/306974教导了一种系统，该系统被构造成用于在所述电池组的充电期间对电池组进行热调节。
尽管US2015/306974文献教导了一种对电池组进行热调节的方法，但希望提供改进的能量存储系统：该能量存储系统确保能量存储系统的关键功能在它们被需要时具有高水平的性能，同时确保与能量存储系统相关的电子部件的最佳寿命和质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于对电池组进行热调节的方法和装置，所述方法和装置提供了准备运行功能，该功能确保了能量存储系统的最佳性能，同时限制充电量，以便获得相关电子部件的长寿命和优化的功能。
该目的通过一种用于对电池组进行热调节的方法来实现，其中所述电池组包括多个电池单体并且形成电存储系统的一部分，所述方法包括执行准备运行功能的步骤，用于优化所述电池组在使用期间的性能。此外，所述方法包括以下步骤：计算电池组要达到的设定点温度，以便在预定时间段期间提供足够的性能水平而无需进一步的热调节；以及对所述电池组进行热调节以达到所述设定点温度。
通过提供如上限定的方法，电池组将被热调节，以在给定时间内提供全额性能。
根据一个实施例，所述方法还包括在所述电池组电连接到外部电源时执行所述准备运行功能的步骤，所述外部电源被构造成用于对所述电池组充电。优选地，在已经开始所述电池组的充电之后执行所述准备运行功能。这意味着，可以在对电池组充电的同时在合适的情况下实现准备运行功能。
根据一个实施例，当电池组已经达到所述设定点温度时，能量存储系统进入睡眠模式，并且当进入睡眠模式时，终止充电。以这种方式，电池组将被热调节以提供全额性能，同时确保能量存储系统不必始终处于活动状态。
根据一个实施例，所述方法还包括通过加热或冷却对电池组进行热调节以达到所述设定点温度的步骤。
根据实施例，所述方法包括至少根据环境温度来选择所述设定点温度。这是一种控制热调节过程的简单但有效的方法。
此外，根据实施例，所述方法包括根据维护所述电池组的需要来选择所述预定时间段。例如，那么可以考虑平衡电池单体的需要，或者校准诸如荷电状态(SOC)、功率状态(SOP)、健康状态(SOH)和能量状态(SOE)的参数的需要。这意味着可以在热调节过程期间以正确的方式进行这种维护活动。
根据本发明的另一个方面，所述目的通过一种用于对电池组进行热调节的装置来获得，所述装置包括电池组，所述电池组包括多个电池单体并且形成电存储系统的一部分，所述装置还被构造成用于执行准备运行功能，以便优化所述电池组在使用期间的性能。所述装置包括与所述电池组相关联的热调节单元，其中所述装置包括控制单元，该控制单元被配置成用于计算电池组要达到的设定点温度，以便在预定时间段期间提供足够的性能水平而无需进一步的热调节，并且所述控制单元还被配置成用于控制所述热调节单元，使得所述电池组达到所述设定点温度。
在以下的描述和从属权利要求中，公开了本发明的其它优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。
图1示出了其中可以实现本发明的车辆的简化透视图。
图2是根据本发明的实施例的装置的示意图。
图3是示出了实现本发明的方式的流程图。
具体实施方式
在下文中将参考附图更充分地描述本公开的不同方面。然而，本文中公开的方法和系统能够以许多不同的形式实现，且不应被解释为限于下文所阐述的方面。
现在将参考实施例和附图来描述本发明。首先参考图1，其中示出了公共汽车1形式的车辆的简化透视图，根据本实施例，公共汽车1是电动类型的并且配备有能够用于操作公共汽车1的电机2。这在图1中是通过后轮轴3示意性地示出的，后轮轴3连接到电机2。
公共汽车1携载具有电池组4的电能存储系统，电池组4又包括多个电池单体(图1中未详细示出)。如下面将更详细描述的，这些电池单体串联连接以提供DC输出电压。适当地，所述电池单体是锂离子型的，但也可以使用其它类型。
电池组4还连接到电子控制单元5，该电子控制单元5被布置用于测量指示电池组4的操作状态的一个或多个预定参数。例如，控制单元5可以构造成用于测量电池组4及其电池单体的电压或者一个或多个替代参数，例如电池电流或每个电池单体的温度。控制单元5还可以构造成用于确定指示和控制电池组4的状况或容量的参数，例如电池组4的荷电状态(SOC)、健康状态(SOE)和能量状态(SOE)。下面将参考图2更详细地描述电池组4。
根据该实施例，如图1所示，电池组4布置在公共汽车1的顶部上，但是在本发明的范围内，电池组4的其它布置也是可能的。
公共汽车1的推进系统的其它部件(这里未详细示出)也连接到控制单元5。尽管参考公共汽车形式的车辆描述了本发明，但本发明实际上可用于任何类型的、至少由电机操作且具有包括带有多个电池单体的电池组的能量存储系统的车辆。
在公共汽车1的操作期间，电池组4将向电机2输送所需的电力，电机2进而驱动后轮轴3。能够使用电机操作车辆的方式是先前普遍已知的，因此，此处不再详细描述。
公共汽车1配备有第一电连接器元件6，第一电连接器元件6适当地为安装在公共汽车1的外部上的插座的形式。第一连接器元件6被布置成连接到第二电连接器元件7，第二电连接器元件7为设有插头7a的充电电缆的形式，插头7a可以电连接到第一连接器元件6并且被构造成用于传导具有一定电压的充电电流。第二电连接器元件7形成外部电源8的一部分，外部电源8适当地连接到AC电网系统。以这种方式，可以通过连接器元件6、7对电池组4供给电流。更准确地说，电流被馈送到车载充电单元9，车载充电单元9连接到电池组4以用于电池组4的充电。
根据一个实施例，电池组4的充电发生在公共汽车1停止时，即，在公共汽车终点站或公共汽车车站的充电站处或类似位置。
如图1中所示，车辆1被布置成仅通过电机2来操作。根据另一个实施例(图中未示出)，该车辆可以是混合动力车辆，例如所谓的插电式混合动力车辆，其配备有经由离合器彼此连接的内燃机和电机。然后可以交替地或并行地使用内燃机和电机来操作车辆。
在所示的示例中，当公共汽车停止而使得连接器元件6、7能够彼此连接时，可以开始对电池组4充电的过程。这意味着可以在将电池组4连接到外部电源8之后开始对电池组4的充电。
根据替代实施例(图中未示出)，可以通过受电弓形式的连接器元件来实现对电池组的充电，该受电弓被布置在车辆1的顶部上并且经由架空电线连接到外部电源。根据又一个实施例，可以通过沿着路面布置的导电电力轨来实现充电。这种装置被构造成与车辆的一个或多个集电器协作，所述集电器能够移动并朝向地面降低，并且可以构造成在车辆的运行期间与所述导电电力轨连接。
如开头所提到的，已知电池组的电力输出和性能取决于其温度。为此，本公开涉及用于对电池组4进行热调节的装置和方法。为了实现这种热调节，将环境温度传感器10布置在车辆1中并且连接到控制单元5。此外，热调节单元11被布置成与电池组4连接，并且被构造成用于根据与电池组4相关的热需求来加热或冷却电池组4。
通过车载充电单元9经由电压转换器12对热调节单元11供电。此外，控制单元5连接到热调节单元11并且被配置成用于如下所述地控制该热调节单元。
现在将参考图2来更详细地描述执行电池组4的热调节的方式，图2是示出了电池组4、控制单元5、车载充电单元9和车辆1的某些其它相关部件的示意图。
根据一个实施例，电池组4包括多个电池单体，所述电池单体象征性地由三个电池单体4a、4b、4c来表示，它们串联连接并且提供输出电池电压。电池组4包含大量的电池单体，适当的量为200个单体，但具体数量可以变化。根据该实施例，电池单体4a、4b、4c是锂离子型的，但本发明的原理同样适用于其它类型的电池单体。此外，尽管该实施例包括单个电池组，但应该注意，本发明也适用于多个电池组在单个车辆中组合的情况。
如上文参考图1所述的，电池组4连接到电机2并且被构造成用于操作所述电机2，电机2进而操作所述车辆。此外，电池组4连接到车载充电单元9，以便在充电单元9连接到外部电源8时允许对电池组4充电。外部电源8通常被构造成用于供应400V AC三相电压。充电单元9通常向电池组4供应700V DC电压。然而，在本发明的范围内，可以有替代的规格。
此外，电池组4包括电池温度传感器13，该电池温度传感器13连接到电池控制单元14。电池控制单元14的总体目的是控制电池组4的充电程序并且还监测电池组4的状况。适当地，电池控制单元14还可以被构造成实现电池单体平衡过程。当在一段时间内电池组4中的不同电池单体的电压在单体之间不同时，可能需要这种单体平衡过程。如果不进行单体平衡，则可能导致电池性能下降。
电池控制单元14连接到上述控制单元5。此外，环境温度传感器10也连接到控制单元5。电池组4、控制单元5、环境温度传感器10、电池温度传感器13和电池控制单元14一起形成能量存储系统15。
此外，充电单元9连接到电压转换器12，该电压转换器12被构造成用于向车辆中的某些低压部件供应电力，例如，诸如空调系统、加热装置和照明单元的部件(图2中未示出)。电压转换器12还连接到热调节单元11，该热调节单元11被构造成用于加热或冷却电池组4，使得电池组4可以呈现特定的电池温度(TB)。对于大多数车辆，电池组4被构造成使得电池组4可以在至少应在-20摄氏度到+45摄氏度之间的环境温度下操作。
更确切地说，热调节单元11设置有电加热器(未详细示出)，该电加热器被构造成用于加热在输入液体回路11a中朝向电池组4流动的液体。所述液体被泵送通过与电池组4相关联的回路并且通过输出液体回路11b返回到热调节单元11。热调节单元11被靠近电池组4布置，以便用于所述电池组4的热调节。
因此，车载充电单元9既以供应给电池组4的牵引电压的形式供应电能，又经由电压转换器12向车辆的某些电气部件(例如热调节单元11)供应电能。
如开头所提到的，已知包括电池组4的能量存储系统15的电力输出和性能取决于电池组4的温度TB。在这方面，应注意的是，电池组4的实际温度TB的测量是通过电池温度传感器13提供的。也已知电池组4需要定期充电以提供最佳性能。如上所述，通过可以在适当情形下连接到车载充电单元9的外部电源8来提供充电。
对于商业运营的公共汽车形式的车辆1，可以预料到这种公共汽车需要在夜间或者在公共汽车的非交通运营的其它合适时间停放在充电设施处。在这种情形下，通常需要对电池组4充电以达到预定的荷电状态(SOC)，以便确保能量存储系统15在该车辆被下次使用时提供足够高的性能水平。这意味着需要“准备运行”功能，该功能确保了能量存储系统15在充电后该车辆被下次使用时的高性能水平。
重要的是要考虑到充电程序应该在尽可能短的时间段内进行，以便节省能量并增加所有相关的车辆部件的寿命。否则，即，如果能量存储系统15是始终“活动的”，意味着电池组4始终充电，则可能存在关于电池组4及其相关部件的耐用性和功能性的问题，这是一个缺点。这种方法的另一个问题是，何时将再次使用该车辆并不总是已知的。因此，可能不总是能够确定实际需要多长的充电时间。
因此，需要一种这样的充电程序：该充电程序不会持续不必要地长的时间，但仍足以使能量存储系统15达到最佳的准备运行状态。能够用于定义足够高的性能水平的参数是例如某些用于确定电池组4的状况和状态的参数，例如荷电状态(SOC)和功率状态(SOP)，以及可选地还有健康状态(SOH)和能量状态(SOE)。
由于上述原因，本公开基于如下原理：在充电期间进行用于对电池组4进行热调节的特定方法。更确切地说，该方法包括通过将电池组4连接到外部电源8(见图1和图2)来开始对电池组4的充电的初始步骤。接下来，在充电期间执行准备运行功能，以便优化电池组4的在其应该被使用时的性能。
所述准备运行功能基于如下原理：确定电池组4的特定的设定点温度TS并将其用于热调节过程。然后将设定点温度TS用作热调节单元11的目标温度，即，加热或冷却电池组4以达到所述设定点温度TS。设定点温度TS的值被选择为与电池组4的状态相对应的大小，其中在预定时间段t期间(在充电已终止之后)电池组4不需要任何进一步的热调节。以这种方式，能够对电池组4进行热调节，以便确保在所述时间段t期间的全额性能。
因此，并且参考图1和图2的实施例，当外部电源8已连接到车载充电单元9以便为电池组4充电时，启动所述准备运行功能。该准备运行功能的目的是确保能量存储系统的所有相关功能在它们被需要时具有全额性能，同时确保当已进行了足够的充电时、能量存储系统15可以断开并进入非活动状态，即“睡眠“模式。应当注意，本发明不限于总是在电池组4的实际充电期间开始所述准备运行功能的实施例。本发明的主要原理涉及执行所述准备运行功能以便确保能量存储系统的全额性能。
控制单元5将基于与其间可以确保全额性能的给定时间段有关的要求来确定设定点温度TS。换句话说，该控制单元将计算设定点温度TS作为应该被调节到的温度，以便在给定的时间t内不需要任何热调节，同时提供全额性能而不需要任何额外的热调节。
可以基于若干参数来确定设定点温度TS的大小。特别地，它取决于通过环境温度传感器10检测到的环境温度TA。这意味着可以使用作为环境温度TA的函数的电池组4的冷却来计算设定点温度TS。
根据另一个实施例，时间段t的大小取决于与期间能够执行电池组4的某些维护功能所需的一定时间相关的要求。这种维护功能的一个示例是单体平衡过程，由于如上所述的电池单体4a、4b、4c的不平衡，必须开始这种单体平衡过程。维护功能的另一个示例是对于指示电池组4的状况的参数(例如荷电状态(SOC)和功率状态(SOP))的校准过程。
在控制单元5已确定了设定点温度TS之后，启动热调节单元11以使电池组4达到所述温度TS。这可以通过加热或冷却电池组4来获得。更确切地说，如果实际电池组温度TB比设定点温度TS低，则进行加热，而如果实际电池组温度TB比设定点温度TS高，则进行冷却。
当电池组温度TB已经达到设定点温度TS时，电池组4的充电将终止，并且能量存储系统2将进入休眠模式或睡眠模式，在该模式中，能量存储系统15中几乎不使用电力且几乎没有电子部件被使用。这对于能量存储系统15及其部件的能量消耗、寿命和功能性是有益的。这也意味着能量存储系统15在其不活动时正保持被热调节。
下一次应该使用该车辆时，能量存储系统15处于如上所述的、预计它能够在给定的时间段t期间提供全额性能的状态。取决于环境温度，可能发生电池温度TB随着时间的流逝已降低了一定量的情况。由于这个原因，并且根据实施例，如果电池温度TB已经降低到预定水平，则可以再次开始上述热调节过程以达到设定点温度TS。
现在将参考图3来描述根据本公开的方法，图3是示出了该方法的示意性流程图。首先，车载充电单元9连接到外部电源8(图3中的步骤16)，之后，开始对电池组4充电的过程(步骤17)。接下来，通过如下方式执行准备运行功能(步骤18)：首先计算电池组4要达到的设定点温度TS(步骤19)，以便在预定时间段t期间不需要进一步的热调节；其次对电池组1进行热调节(步骤20)，以便实际达到设定点温度TS。这通过用热调节单元11冷却或加热电池组4来完成。如上所述，基于由环境温度传感器10检测到的环境温度TA来适当地选择设定点温度TS。
关于时间段t的值，可以根据以下参数中的一个或两个参数来选择(步骤21)：
-进行电池组4的维护(例如对电池单体4a、4b、4c.....进行平衡)所需的时间；以及
-校准指示电池组4的状况的参数(例如电池组4的荷电状态(SOC)、功率状态(SOP)、健康状态(SOH)和能量状态(SOE))所需的时间。
当确定电池组温度TB已达到设定点温度TS时(步骤22)，能量存储系统进入睡眠模式(即，非活动模式)并且终止充电(步骤23)。如果电池组温度TB尚未达到设定点温度TS，则继续充电。以这种方式，获得了准备运行功能，通过该功能将确保能量存储系统2在被需要时具有全额性能，同时确保能量存储系统2不必处于始终活动状态。
应该理解，本发明不限于上述的和附图中示出的实施例；而是，技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变型。
例如，本发明可以应用于诸如卡车、公共汽车和建筑设备的车辆中。然而，本发明不限于车辆，而是通常也可以用在其它应用中，例如，例如出于备用目的而在家庭或商业环境中为电气设备服务的蓄电池。

Claims (10)

1.一种用于通过加热或冷却电池组(4)进行热调节的方法，其中所述电池组(4)包括多个电池单体(4a、4b、4c...)并且形成电存储系统(15)的一部分，所述方法包括：
-执行准备运行功能，用于优化所述电池组(4)在使用期间的性能，所述准备运行功能是在所述电池组(4)电连接到外部电源(8)时执行的，所述外部电源(8)被构造成用于对所述电池组(4)充电；
所述方法的特征在于，执行所述准备运行功能包括以下步骤：
-计算所述电池组(4)要达到的设定点温度(TS)，以便在所述充电终止之后的预定时间段(t)期间提供足够的性能水平而无需进一步的热调节；其中，至少根据环境温度(TA)来选择所述设定点温度(TS)，并且根据进行所述电池组(4)的维护所需的时间和对指示所述电池组(4)的状况的参数进行校准所需的时间中的任一个来选择所述预定时间段(t)；
-对所述电池组(4)进行热调节以达到所述设定点温度(TS)；
-当所述电池组(4)已达到所述设定点温度(TS)时，进入睡眠模式；以及
-当进入了所述睡眠模式时，终止所述充电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：
-在开始所述电池组(4)的充电之后，执行所述准备运行功能。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括：
-通过对所述电池组(4)的加热或冷却进行热调节，以达到所述设定点温度(TS)。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括：
-对车辆(1)中的电池组(4)进行热调节，所述电存储系统(15)被构造成用于操作所述车辆(1)中的电机(2)。
5.一种用于通过加热或冷却电池组(4)来进行热调节的装置，所述装置包括电池组(4)，所述电池组(4)包括多个电池单体(4a、4b、4c...)并且形成电存储系统(15)的一部分，所述装置还被构造成用于执行准备运行功能，以便优化所述电池组(4)在使用期间的性能；其特征在于，所述装置包括热调节单元(11)，所述热调节单元(11)与所述电池组(4)相关联，并且其中所述装置包括控制单元(5)，所述控制单元(5)被配置成通过以下方式执行所述行准备运行功能：计算所述电池组(4)要达到的设定点温度(TS)，以便在预定时间段(t)期间提供足够的性能水平而无需进一步的热调节，其中至少根据环境温度(TA)来选择所述设定点温度(TS)，并且根据进行所述电池组(4)的维护所需的时间和对指示所述电池组(4)的状况的参数进行校准所需的时间中的任一个来选择所述预定时间段(t)，其中所述控制单元(5)被配置成用于当所述电池组(4)电连接到外部电源(8)时执行所述准备运行功能，所述外部电源(8)被构造成用于对所述电池组(4)充电，并且所述控制单元(5)还被配置成用于控制所述热调节单元(11)，使得所述电池组(4)达到所述设定点温度(TS)；并且其中所述控制单元(5)还被配置成用于在所述电池组(4)已达到所述设定点温度(TS)时开始所述电池组(4)的睡眠模式，并且用于在所述睡眠模式期间终止所述充电。
6.根据权利要求5所述的用于通过加热或冷却电池组(4)来进行热调节的装置，其中所述控制单元(5)被配置成用于在所述电池组(4)的充电开始之后执行所述准备运行功能。
7.根据权利要求5至6中的任一项所述的用于通过加热或冷却电池组(4)来进行热调节的装置，其中所述热调节单元(11)包括用于加热或冷却所述电池组(4)的构件。
8.一种车辆(1)，所述车辆(1)包括根据权利要求5至7中的任一项所述的用于通过加热或冷却电池组(4)来进行热调节的装置，并且该装置被构造成用于操作所述车辆(1)中的电机(2)。
9.一种携载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码组件，所述程序代码组件用于当所述计算机程序在计算机上运行时执行根据权利要求1至4中的任一项所述的方法的步骤。
10.一种控制单元(5)，所述控制单元(5)用于对车辆(1)中的电池组(4)进行热调节，所述控制单元(5)被配置成执行根据权利要求1至4中的任一项所述的方法的步骤。
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