CN110651391B - 具有pcm热管理系统的电池组中的相变材料(pcm)的热荷电状态估算 - Google Patents

具有pcm热管理系统的电池组中的相变材料(pcm)的热荷电状态估算 Download PDF

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Abstract

一种确定和/或监测电池系统中相变材料的热荷电状态或熔化分数的方法和装置。该电池系统包括多个电化学电池元件，与多个电化学电池元件热接触的相变材料的供应，以及电池管理系统，其监测相变材料的储热容量并根据相变材料的储热容量自动控制多个电化学电池元件的功率。电池管理系统根据相变材料的储热容量自动调节多个电化学电池元件的功率输出，以在预定的安全温度极限内提供热量输出。

Description

具有PCM热管理系统的电池组中的相变材料(PCM)的热荷电状 态估算
技术领域
本发明一般涉及相变材料(PCM)用于热管理的用途，更具体地说，涉及用于确定和/或监测相变材料的热荷电状态或熔化分数的方法和设备。
背景技术
锂离子电池目前用于许多应用中，例如电动车辆，便携式电子设备，混合动力电动车辆，固定存储系统等。传统上，锂离子电池组的冷却通过强制空气冷却和/或液体冷却执行，通常复杂、昂贵、繁重，并且需要高度维护。在例如美国专利6,942,944、6,468,689、8,273,474中提出了使用相变材料(PCM)来热管理锂离子电池或其他电池化学物质，在此通过引用而并入。
电池使用过程中产生的热量使PCM熔化，在电池休眠后，PCM冷却并凝固，提供完全可重复和可靠的热管理。用于电池的PCM已经在各种应用中实现，包括运输，不间断电源，航空航天以及并网和离网电能存储。通过限制电池组的峰值温度，PCM可以改善电气性能，系统寿命和操作安全性。
基于PCM的热管理策略可以非常有效地防止不安全的电池状况并保持正常操作的最佳温度。在PCM热管理系统中，在PCM材料的相变期间获得最大的优点，其中利用大量潜热来吸收从电池组中的电池释放的热量。PCM完全熔化后(以防固液PCM)，电池组温度会急剧上升。PCM热管理系统通常设计成在PCM完全熔化后不运行。在PCM用于电池热管理的当前应用中，控制系统通过监测各种电池参数来调节流入和流出电池组的电流，以确保安全的电池操作。
商用电池组中的当前现有技术控制系统监测电流，电压，荷电状态和/或整个电池组温度，并控制电池组的操作。在空气或液体冷却系统中，连续监测电池组温度，当电池组温度超过设定点温度时打开空气或液体流，当电池组温度低于设定点温度时关闭空气或液体流。因此，专用控制系统被设计为空气或液体冷却系统的一部分。在基于PCM的冷却系统中，基于其简单的被动操作而不需要移动部件，不需要复杂的控制系统。然而，仍然需要连续监测PCM，以便控制系统可以始终根据PCM中可用的潜热存储来安全地操作电池组，而当PCM完全熔化时不操作电池组。
发明内容
本发明的总体目的是提供一种电池管理系统(BMS)，其特别设计用于使用相变材料(PCM)进行热管理的电池组。本发明的方法和BMS具有增强的预测或以其他方式确定PCM的熔化分数(melt fraction)或热荷电状态(TSoC)的能力。
例如，如果T-SoC为0％，则整个PCM熔化且呈液相；如果T-SoC为100％，则整个PCM处于固态状态并可以从电池组中吸收大量热量。在电池组运行期间，如果T-SoC达到或接近100％，但是电池组容量仍然可用并且低于温度限制，则BMS会将功率限制在安全水平。因此，BMS根据PCM的T-SoC或熔化分数来控制电池组的功率。
当前的控制技术没有解决上述用于电池冷却应用的PCM的熔化分数的估算问题。本发明包括一种可以在新的或现有的控制系统中实施的方法，当将PCM用于冷却应用时基于一些输入参数(例如电流和环境温度)估算电池组中PCM的熔化分数。由本发明提供的用于BMS的附加智能允许根据PCM的熔化分数和可用的潜热存储使电池组更安全地操作。本发明实施例的智能BMS系统依赖于一些参数来估算PCM温度，PCM熔化分数和/或可用的热存储。BMS系统会相应地调节电池功率输出，并在对电池组充电时执行类似的功能。
本发明实施例的另一个重要优点是准确估算PCM的熔化分数或可用的储热容量将有助于减轻电池组中电池的热失控扩展。在没有足够的PCM潜热可用的情况下，如果单个电池发生热失控，电池组中的电池可能会扩展，因为释放出的热量无法充分存储在PCM中。
本发明的另一个优点是通过消除对用于估算PCM温度和熔化分数的大量温度传感器的需要，高度简化了用于电池组的电子设备和控制网络。本发明的实施例需要较少的传感器并且依赖于新的方法来计算电池组温度和/或PCM温度。
本发明的总体目的可以至少部分地通过新颖的电池管理系统(BMS)来实现，该电池管理系统用于监测相变材料(PCM)的储热容量，并控制电池组的行为以维持在安全温度极限的最佳功率，从而减轻了电池组的热失控。本发明进一步包括一种诸如在BMS中实施的方法，以估算电池的荷电状态、电池发热量、电池温度以及PCM的熔化分数。本发明进一步包括一种新颖的控制策略，其可以根据每个电池组的可用的能量和温度控制电池组安全地操作，然后控制电池负载(例如电动机)的行为。
本发明包括一种电池系统，具有多个电化学电池元件，以及具有导热性并且与所述多个电化学电池元件热接触的相变材料的供应，由此所述相变材料吸收来自多个电化学电池元件在充电或放电时产生的热量的至少一部分。电池管理系统监测相变材料的储热容量，并根据相变材料的储热容量自动控制多个电化学电池元件的功率。电池管理系统理想地自动确定或估算以下一项以上：电池荷电状态，电池发热量，电池温度和相变材料的熔化分数。电池管理系统根据相变材料的储热容量自动调节多个电化学电池元件的功率输出，以在预定的安全温度极限内提供热量输出。在本发明的实施例中，电池管理系统包括：电热模块，被配置为确定并输出电化学电池发热量；以及电池热模块，被配置为确定并输出电池温度；熔化分数模块，被配置为估算相变材料荷电状态的剩余储热容量。
在本发明的实施例中，电池管理系统自动预测或估算相变材料的熔化分数或热荷电状态。电池管理系统可以根据相变材料的潜热来预测或估算相变材料的熔化分数或热荷电状态。期望将用于电流、电化学电池元件温度和环境温度中的至少一项的传感器放置在电池模块上的各个位置或整个电池模块的各个位置，并提供可用于电池管理系统的数据，以预测或估算相变材料的熔化分数或热荷电状态。例如，电池管理系统可以使用在整个相变材料的供应测量的温度从预定值预测或估算熔化分数或热荷电状态。
本发明进一步包括电池系统，该电池系统包括具有多个电化学电池元件的电化学电池阵列和至少部分地包围电化学电池阵列并与其热接触的热管理基质。诸如由石墨或基于聚合物复合物格(lattice)形成的热管理基质包括至少部分地布置在导热格中的相变材料的供应。该热管理基质消散了由热管理基质包围的电化学电池阵列的至少一部分激活时产生的热量的至少一部分。提供了一种电池管理系统，用于根据相变材料的熔化分数或热荷电状态来监测热管理基质的储热容量。相邻的电化学电池元件至少部分地被热管理基质隔开，并且相变材料是例如具有约5℃至85℃的相变温度的封装的水合盐。
本发明还包括一种操作电源系统的方法。该方法包括：使至少一个电池元件放电以产生一定量的功率和一定量的热量；在与放电的电池元件热接触的相变材料中吸收至少一部分热量；随后从相变材料释放至少一部分吸收的热量以加热至少一个电池元件；监测相变材料的储热容量；以及根据所述储热容量来调节所述至少一个电池的功率输出。该方法可以进一步包括以下步骤：确定电池元件发热量；确定电源系统温度；并根据所确定的电池元件发热量和电源系统温度来估算相变材料荷电状态的储热容量。
根据结合所附权利要求书和附图的以下详细描述，其他目的和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是包含根据本发明一个实施例的热管理系统的电池模块的俯视示意图。
图2是图1所示的电池模块中使用的一电池元件的透视示意图。
图3是图1所示的电池模块中使用的多个电池元件的透视示意图。
图4是包含根据本发明另一实施例的热管理系统的电池模块的俯视示意图。
图5是图4中所示的电池模块的指定象限的俯视示意图。
图6是电池模块象限的俯视示意图，类似于图4所示但现在是根据本发明另一实施例的电池模块。
图7也是电池模块象限的俯视示意图，类似于图4所示但现在是根据本发明的又一电池模块。
图8示出了根据本发明实施例的电池BMS计算的示例性示意图。
图9示出了根据本发明实施例的热荷电估算模型。
图10A示出了电池电热模型。
图10B示出了电池电气模型。
图11显示了放电和充电的参数识别结果。
图12A示出了估算的和测量的端电压之间的比较。
图12B示出估算的电池发热量。
图13示出了电池热模型和由相变材料包围的电池组成的单个部分(节点)。
图14A总结了显热区域的电池热模型的验证结果。
图14B总结了相变区域的电池热模型的验证结果。
图15A是有效比热容与温度的关系图。
图15B是TSoC与温度的关系图。
图16是估算温度和TSoC的关系图。
具体实施方式
本发明大体上提供一种改进的电源系统和操作方法。更具体地，本发明提供了一种改进的电源系统和操作方法，以便提供或导致改进的热管理，例如可以适当地减少、最小化或以其他方式适当地管理不期望的温度偏移和温度的不均匀性。
本发明提供了一种用于估算电池组中使用的相变复合材料的热荷电状态(T-SoC)或PCM的熔化分数的装置和方法。在本发明的实施例中，一旦通过电池管理系统(BMS)估算和计算T-SoC或PCM熔化分数，则由BMS实时执行另一电池算法以调整电池组的性能和可用功率以确保足够的PCM潜热可用于存储电池热量。然后可以将电池组的调制功率和能量状态(例如通过BMS的通信模块)传送给电动机控制器和/或用户。以这种方式，PCM的可用存储容量与电池功率同步，反之又通过电池BMS中实现的新方法调节电动机和车辆功率。
本发明可以体现在各种不同的电池结构中或与其结合。作为代表，图1示出了示例性电池模块，总体上由附图标记10表示。电池模块10包括由八(8)个例如本领域已知的电池元件14、16、18、20、22、24、26和28组成的电池包12。代表性示出的BMS 25处于与电池模块10的感测和控制组合中，并且连接到多于一个传感器30的阵列，并且根据需要期望地连接到整个模块10中的多个传感器30，以及连接到模块10外部的用于感测和/或测量周围的外部温度的一个或多个可选传感器30'。传感器的数量和位置可以根据需要和模块10的材料和/或配置而变化。
图2单独和更详细地示出了电池元件14。如图所示，电池元件14具有由长度L和宽度D组成的大致圆柱形状。虽然这种形状的电池元件是常见且众所周知的，但本发明的更广泛的实践不必限于此，因为如果需要，具有其他所需的形状或尺寸的电池元件可以单独使用或组合使用。图3单独和更详细地示出了电池包12。
回到图1，电池模块10在电池包12的各个相邻电池元件14、16、18、20、22、24、26和28之间形成或包括大体上由附图标记32表示的空隙空间。根据本发明的优选实践，这种电池模块空隙被填充或以其他方式适当地包含合适的相变材料(PCM)，大体上由附图标记34表示，并且例如在下面更详细地描述，例如，促进这种电源系统内所需的热管理。特别地，在所示实施例中，相变材料34围绕电池元件14、16、18、20、22、24、26和28中的每一个，并且通常与其热接触。
根据本发明的一个优选实施例，如此包括或结合的相变材料34可以理想地用作或充当吸热器以吸收模块10内产生的多余热量，例如在电池放电或充电的相对高度放热的过程中。特别地，在放电期间从电池14、16、18、20、22、24、26和28产生的热量可以至少暂时地作为潜热存储在相变材料34中。
因此，相变材料34允许这种热量的存储以供以后或随后使用或利用。例如，存储或以其他方式包含在这种相变材料中的热量可以在以后适当地释放，或者如通常所说的那样，“排出”以适当地用于电池模块10或与电池模块10结合使用。特别地，这种存储的热量可以是在弛豫期间适当地排出至电池模块，并使电池保持在高于周围温度的高温下较长时间。例如，这种热量可以稍后被排出，例如当电池温度下降时，例如在电池充电期间或在寒冷天气条件下。
各种相变材料，例如本领域已知的，可适用于本发明的实践。例如，用于锂离子电池应用的合适的相变材料理想地具有约5℃至约85℃的熔点，理想的是约15℃至约85℃，并且在一些实施例中，优选在约30℃至60℃之间，并且理想地具有每单位质量比的高潜热和窄的熔化温度范围。此外，用于本发明实践的相变材料还理想地是热可循环的、无害的、无污染的、非反应性的或相对于其他电池组件惰性、无毒、廉价且重量或密度相对较轻。合适的相变材料通常可包括石蜡，例如相对便宜，不易或不倾向于分解，并且通常在锂离子电池的推荐操作范围内具有相对低的熔化温度。
其他示例性PCM材料包括水合盐，例如包封的水合盐，其相变温度为约5℃至85℃。盐水合物包括离散混合比的盐和水，通常每盐离子对具有整数个水分子，由此形成稳定的晶体结构。键通常是离子偶极键或氢键。水分子以明确的方式在结构中定位和定向。表I包括用作PCM的示例性盐水合物。作为一个例子，氯化镁六水合物MgCl2*6H2O是一种晶格结构，包括两部分：Cl-离子和6个水分子，它们围绕镁离子Mg2+取向以八面体定向并通过离子偶极键结合。由于盐水合物的稳定的晶体结构，熔化温度高于水。
表I
Figure BDA0002241257000000061
或者，本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解，氯苯和溴苯以非常相似的结构结晶并具有低和窄的结晶温度范围。因此，氯苯和溴苯的混合物可适用于特定应用，例如涉及在约30℃至约45℃之间的精确温度控制。用于这种应用的其他可能或合适的相变材料可包括熔点为约70℃的硬脂酸，以及各种市售的硬脂酸酯，包括甲酯，丙酯和丁酯，其熔点为约17℃至约34℃。用于实施本发明的另一种候选相变材料是聚乙二醇(PEG)。然而，由PEG或由PEG热降解的潜在或可能的问题或顾虑可以防止、限制或以其他方式约束这种使用或应用。鉴于以上所述，应理解，本发明的更广泛实践不必限于或限制结合特定或特殊相变材料的使用或实践。
本发明的实施例包括具有多个开口的导热容纳格构件，其中设置有相变材料的至少一部分供应。这种发明可以以各种不同的形式或结构体现。作为代表，图4示出了电池模块，该电池模块总体上由附图标记110表示，并且包含根据本发明的一个这样的实施例的热管理系统。电池模块110通常包括壳体112，例如由塑料或其他聚合物制成并且优选地是电绝缘的，以及容纳或包含在模块壳体112内的多个电化学电池元件(总体上由附图标记114表示)，如后文所述。
在所示实施例中，电池模块110分别被分成四个大致相同形状和尺寸的模块象限116、117、118和119。每个模块象限包括或包含四个电化学电池元件114。例如，模块象限116包括或包含电化学电池元件122、124、126和128；模块象限117包括或包含电化学电池元件132、134、136和138；模块象限118包括或包含电化学电池元件142、144、146和148；模块象限119包括或包含电化学电池元件152、154、156和158。BMS 125连接到在每个模块象限116、117、118和119内根据需要设置的传感器130。
在所示的实施例中，电池元件是锂离子电池，每个具有1.8Ah的容量，其直径(对应于图2中所示的D)为18mm，高度或长度(对应于图2中所示的L)65mm。每个模块象限中的四个电池串联连接，四个象限依次并联连接，以提供或导致总额定容量为7.2Ah，总标称电压为14.68V。
然而，本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解，本发明的更广泛的实践不必受电池元件的尺寸、形状、数量、形式或类型，或这些电池元件或模块单元中的两个或更多个可能的结合或连接的方式或技术的限制。
图5单独和更详细地示出了模块象限116。回到图4，电池模块110在各种电池元件114之间形成或包括总体上由附图标记160表示的空隙空间。根据本发明的优选实践，这种电池模块空隙160至少是部分地填充或以其他方式适当地包含合适的相变材料(PCM，大体上由附图标记162表示并且例如在上面详细描述)的供应，以便于在这种电源系统内进行期望的热管理。
如在各种上述实施例中那样，相变材料162理想地围绕电池元件114并且通常与电池元件114热接触。这样包括或结合的相变材料162可以理想地用作或充当吸热器以吸收模块110内产生的多余热量，例如在电池放电或充电的相对高度放热的过程中，例如相变材料162在吸收或释放足够量的热量时理想地经历可逆的相变。特别地，在放电期间从电池114产生的热量可以至少暂时地作为潜热存储在相变材料162中。
因此，相变材料162允许存储这种热量以后期或后续使用或利用。例如，存储或以其他方式包含在这种相变材料中的热量可以稍后被适当地释放或被排出以在电池模块110中适当使用或与电池模块110结合使用。具体地，这种存储的热量可以在弛豫期间适当地排出到电池模块并使电池在高于周围温度的高温下保持较长时间。例如，这种热量例如当电池温度下降时，例如在电池充电期间或在寒冷天气条件下，可以稍后被排出。
如上所述，各种相变材料，例如本领域已知的，可适用于本发明的实践。例如并且如上所述，用于锂离子电池应用的合适的相变材料理想地具有在约30℃和60℃之间的熔点，每单位质量比的高潜热，和窄的熔化温度范围。此外，用于本发明实践的相变材料还理想地是热可循环的，无害的，无污染的，非反应性的或相对于其他电池组件惰性，无毒，廉价且重量或密度相对较轻。因此，合适的这种相变材料通常可包括石蜡，例如相对便宜，不易或不倾向于分解，并且通常在锂离子电池的推荐操作范围内具有相对低的熔化温度。
根据本发明该实施例的优选实践，壳体112还包含导热容纳格构件164，例如理想地填充或以其他方式适当地包含或定位在电池模块空隙160内。导热容纳格构件164可能最好地参考图5所示。
容纳格构件164理想地包括多个开口或孔166，其使用将在下面更详细地描述。容纳格构件164理想地由导热材料形成，例如由金属，石墨或其复合物形成。用于本发明实践的特别优选的容纳格构件材料包括，例如，各种筛网和泡沫材料，例如石墨泡沫和金属泡沫，例如泡沫铝，特别是这种泡沫的开放孔(open-cell)形式。根据本发明的优选实践，相变材料供应162的至少一部分设置在容纳格构件164的开口166中。
如本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解，与没有容纳格构件的其他方面相同的电池模块相比，包含容纳格构件可以理想地用于更均匀地分配在从电化学电池元件充电或放电时产生的热量。根据本发明的优选实施例，容纳格构件的导热率比相变材料的导热率大一个数量级。在一个特别优选的实施方案中，已发现希望的容纳格构件具有至少约10W·m-1·K-1的导热率。
电池模块110包括可选的多个突出的传热翅片170。更具体地，这种传热翅片170从壳体112向外延伸。这种传热翅片通常可由相对轻质的可成形的导热金属构成或形成。例如铝等。然而，可以理解的是，这种传热翅片170可以不同地形成或构造，例如适当地接合或连接到壳体112，或者如可能优选的，适当地接合或连接到容纳格构件164，以便与之热交流。如本领域技术人员在本文提供的教导的指导下所理解，可以利用或结合传热翅片的各种形式或结构用于本发明的实践中，并且本发明的更广泛的实践不必限于使用或实践具有特定形式或类型的传热翅片。
如本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解，这种传热翅片等的存在或包含有助于利用外部主动冷却，其中选择的冷却介质(例如基于强制的空气、液体或其他选定的冷却介质的循环)例如通过风扇(未示出)外部循环到电池模块110。
虽然本发明的更广泛的实践不必限于使用或实践具有或包含一定孔隙率的容纳格构件，但已发现通常优选的是用于本发明的实践中的容纳格构件理想地具有或包含至少20％的孔隙率或开放体积。可以理解，较高的孔隙率容许或允许其中相变材料的较高负载。
已经发现，在特定实施方式中，通常希望在电池元件114的每一个周围设置一定量的电绝缘体174，以最小化或避免被电化学电池元件114和容纳格构件164及在两者之间的不期望的电接触。在本发明的实践中可以使用各种绝缘材料，例如本领域已知的各种塑料。应理解，本发明的更广泛的实践不必限于使用或实践特定的绝缘材料。
尽管已经具体参考锂离子电池描述了本发明的这个实施例，但是应该理解，在这种实施例的实践中可以使用各种合适的电池元件，例如包括可充电电池元件和燃料电池，例如利用或使用氢或甲醇作为燃料。
此外，应当理解，在一些应用中，可能希望采用没有这种传热翅片的实施例。例如，图6示出了电池模块210，模块象限216，其大致类似于上述模块象限116，但现在没有存在或包含传热翅片。电池模块210包括壳体212和容纳或包含在模块壳体212内的多个电化学电池元件(总体上由附图标记214表示)。如在上述实施例中，电池模块210在各种电池元件214之间形成或包括总体上用附图标记260表示的空隙空间。这种电池模块空隙260容纳或包含导热容纳格构件264。容纳格构件264理想地包括多个开口或孔266，其中设置有或者包含的是合适的相变材料(PCM)，总体上用附图标记262表示，例如上面描述那样。
图7示出了电池模块310，模块象限316，其大致类似于上述模块象限116，但现在没有存在或包含传热翅片或其中设置有相变材料(PCM)的导热容纳格构件。电池模块310包括壳体312和容纳或包含在模块壳体312内的多个电化学电池元件(总体上由附图标记314表示)。如在上述实施例中，电池模块310在各种电池元件314之间形成或包括总体上用附图标记360表示的空隙空间。这种电池模块空隙360容纳或包含相变材料(PCM)，总体上用附图标记362表示，例如上面描述那样。
本发明包括电池管理系统(BMS)，其根据相变材料的熔化分数或热荷电状态监测热管理基质(thermal management matrix)的储热容量。BMS可以是或包括具有用于处理传感器数据以监测和控制电池模块的可执行编码软件指令的任何合适的处理器和可记录的存储器设备。在本发明的实施例中，BMS包括选自以下的硬件和/或软件模块：电热模块，其被配置为确定和输出电化学电池的热量产生；电池热模块，其被配置为确定和输出电池温度；熔化分数模块，其被配置为估算相变材料的荷电状态的剩余储热容量。
图8示出了根据本发明一个实施例的电池BMS计算的简单示意图。在图8中，确定负载的当前功率要求，电池荷电状态和当前环境温度，并用于连续/周期性地并自动地估算PCM热荷电状态。测量的变量被连续或周期性地更新并用于模型计算以估算热荷电状态。期望根据热荷电状态确定和调节可用功率。
本发明测量或以其他方式确定用于储热容量的PCM荷电状态。在本发明的实施例中，通过集成图9中所示的三个子模型来执行与电池组的BMS的集成。来自每个子模型的输出被发送到BMS以处理输入并控制电池组功率输出和预期的应用。如图9所示，三个子模型包括：电池电热模型，其输出电池单元/电池发热量；电池热模型，其输出电池组温度，输入PCM；和熔化分数模型，其估算用于剩余储热容量的PCM荷电状态。
在本发明的实施例中，使用温度传感器网络和电池电热模型的组合来完成T-SoC的估算。如图1和图4所示，温度传感器根据需要和电池组的配置放置在整个电池组的不同位置，并且是估算算法的输入。
图10A示出了示例性电热模型，图10B示出了相应的电池电气模型，其将每个电池视为欧姆电阻器和三个电阻器–电容(RC，resistor-capacity)对的等效电路，以表示电池内部的电化学过程。使用单元级特征脉冲测试根据温度和电池电荷状态预先确定电阻器和电容器的参数，并且将这些值用作算法的查找表。使用不可逆(欧姆)加热和可逆(熵)加热计算电池发热量。对于可逆发热量，电池熵系数是使用单元级温度变化实验预先确定的。
可以使用不同SoC和温度值的脉冲弛豫测试以及充电和放电来识别电气模型电路参数。示例性识别的值显示在图11中。
通过动态应力测试电流曲线验证电热模型的精度。如表II所示，端电压估算中的平均误差小于或约为1％；这种精度将保证准确估算电池的发热量。图12A-B示出了估算的和测量的端电压的样本，以及估算的发热量。
表II.平均误差总结–ETM
Figure BDA0002241257000000101
图13中总结的示例性电池热模型将每个电池视为电阻器和电容器的等效热回路中的节点，其中电阻器表示传导和对流电阻，并且电容器是电池和相变材料的显热和潜热。使用标准热特性预先确定电池热性质。
通过应用一定的加热模式并将模型估算的温度与测量的温度进行比较，在两种操作模式(显热区域和相变区域)中验证电池热模型。图14A示出了对于显热区域和图14B中的相变区域的四个不同位置处的实验和模型估算的温度之间的比较。温度估算的平均误差对于显热区域小于0.1℃，对于相变区域小于0.3℃。
相变材料比热和潜热可以作为集中的“有效比热”处理。如图15A所示，使用受控的加热和冷却实验，根据温度确定有效比热。来自加热和冷却的数据被馈送到用于热网络模型的Simulink求解器，然后识别比热函数。热荷电状态定义为材料完全熔化之前剩余的潜热的百分比。
为了执行T-SoC算法，提供电池电流和温度作为电气模型的输入，从中计算电池发热量。电池发热量被馈送到电池热模型，该模型计算整个电池组的温度。最后，使用位置特定的温度从查询表中确定T-SoC，如图15B所示。
在本发明的实施例中，如图15A-B所示，在相变材料的第一温度下，熔化分数或热荷电状态是95％，在相变材料的中间第二温度下，熔化分数或热荷电状态是50％，在相变材料的第三温度下，熔化分数或热荷电状态是5％，其中第一温度小于第二温度，第二温度小于第三温度。此外，第一温度和第二温度之间的差值至少是第二温度和第三温度之差的两倍。在另一个实施例中，在相变材料的第一温度下熔化分数或热荷电状态是95％，在相变材料的第二温度下熔化分数或热荷电状态是5％，在相变材料的第一温度和第二温度之间的第三温度下，熔化分数或热荷电状态相对于温度的一阶导数为零。在相变材料的第一温度和第三温度之间的第四温度下，熔化分数或热荷电状态相对于温度的二阶导数为零。
包括三个子模型的整体模型通过对电池执行充电和放电循环来实验验证。图16显示了基于熔化分数模型计算热荷电状态的估算温度的示例。
然后，BMS将使用T-SoC来确定是否应降低电池功率，并且在本发明的某些实施例中，应向用户提供哪些信息，以便他们可以决定如何继续进一步的电池运行。一旦T-SoC达到0％(即，相变材料完全熔化)，BMS可能会或将停止电池运行。
本文说明性公开的本发明可适当地在不存在本文未具体公开的任何要素、部件、步骤、组分或成分的情况下实施。
虽然在前面的详细描述中已经结合本发明的某些优选实施例描述了本发明，并且已经出于说明的目的阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明易于附加实施例且在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以显著改变本文所述的某些细节。

Claims (19)

1.一种电池系统，包括：
多个电化学电池元件；
与所述多个电化学电池元件热接触的相变材料的供应，由此所述相变材料吸收来自所述多个电化学电池元件在充电或放电时产生的热量的至少一部分，所述相变材料具有导热性；和
电池管理系统，所述电池管理系统使用在整个相变材料的供应中所测量的温度从预定值自动预测或估算熔化分数或热荷电状态，根据所述相变材料的熔化分数或热荷电状态来监测所述相变材料的储热容量，并根据所述相变材料的储热容量自动控制所述多个电化学电池元件的功率。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
所述电池管理系统根据所述相变材料的储热容量自动调节所述多个电化学电池元件的功率输出，以在预定的安全温度极限内提供热量输出。
3.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，还包括用于以下各项中的至少一项的传感器：电流、电化学电池元件温度和环境温度，其中，所述电池管理系统根据所述传感器的数据预测或估算所述相变材料的熔化分数或热荷电状态。
4.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述电池管理系统根据所述相变材料的潜热来预测或估算所述相变材料的熔化分数或热荷电状态。
5.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
在所述相变材料的第一温度下，熔化分数或热荷电状态为95％，
在所述相变材料的中间第二温度下，熔化分数或热荷电状态为50％，
在所述相变材料的第三温度下，熔化分数或热荷电状态为5％，
所述第一温度小于所述第二温度，所述第二温度小于所述第三温度，
第一温度和第二温度之间的差至少是第二温度和第三温度之间的差的两倍。
6.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
在所述相变材料的第一温度下，熔化分数或热荷电状态为95％，
在所述相变材料的第二温度下，熔化分数或热荷电状态为5％，
在所述相变材料的第一温度和第二温度之间的第三温度下，熔化分数或热荷电状态相对于温度的一阶导数为零，并且
在所述相变材料的第一温度和第三温度之间的第四温度下，熔化分数或热荷电状态相对于温度的二阶导数为零。
7.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述电池管理系统自动确定或估算以下一项以上：电池荷电状态、电池发热量、电池温度以及所述相变材料的熔化分数。
8.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，还包括：
容纳格构件，其布置在所述电化学电池元件周围并且包括多个容纳所述相变材料的供应的开口；和
温度传感器，其放置在所述容纳格构件上的多个位置或整个所述容纳格构件的多个位置，其中所述电池管理系统使用所述多个电化学电池元件或所述容纳格构件的测量的温度数据估算所述相变材料的储热容量。
9.根据权利要求8所述的电池系统，其特征在于，所述电池管理系统包括：电热模块，其被配置为确定并输出电化学电池发热量；电池热模块，其被配置为确定并输出电池温度；以及熔化分数模块，其被配置为估算相变材料荷电状态的剩余储热容量。
10.一种电池系统，包括：
包括多个电化学电池元件的电化学电池阵列；
至少部分地包围所述电化学电池阵列并与其热接触的热管理基质，该热管理基质包括至少部分布置在导热格中的相变材料的供应，该热管理基质耗散由所述热管理基质包围的电化学电池阵列的至少一部分激活时产生的热量的至少一部分；和
电池管理系统，所述电池管理系统使用在整个相变材料的供应中所测量的温度从预定值自动预测或估算熔化分数或热荷电状态，并根据所述相变材料的熔化分数或热荷电状态来监测所述热管理基质的储热容量，所述电池管理系统根据所述相变材料的储热容量自动地调节所述多个电化学电池元件的功率输出，以在预定的安全温度极限内提供热量输出。
11.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，相邻的电化学电池元件至少部分地被所述热管理基质间隔开，该热管理基质包括石墨或聚合物复合格，且所述相变材料包括包封的水合盐，其相变温度5°C至85°C。
12.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，所述电池管理系统自动调节所述电化学电池阵列的性能和可用功率，以确保所述热管理基质的足够的潜热能够用于存储电池热量。
13.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块将调制的功率和能量状态传达给设备控制器或用户。
14.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，相邻的电化学电池元件至少部分地被所述热管理基质间隔开，该热管理基质包括石墨格，并且所述相变材料包括包封的石蜡且相变温度约5°C至85°C。
15.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，还包括与所述热管理基质结合的传感器，用于以下至少一项：电流、电化学电池元件温度和环境温度，其中，所述电池管理系统根据所述传感器的数据估算所述相变材料的熔化分数或热荷电状态。
16.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，所述电池管理系统使用所述多个电化学电池元件和所述热管理基质测得的温度数据来估算所述相变材料的储热容量。
17.根据权利要求10所述的电池系统，其特征在于，所述电池管理系统包括：电热模块，其被配置为确定并输出电化学电池发热量；以及电池热模块，其被配置为确定并输出电池温度；熔化分数模块，其被配置为估算相变材料荷电状态的剩余储热容量。
18.一种操作电源系统的方法，该方法包括：
使至少一个电池元件放电以产生一定量的功率和一定量的热量；
在与放电的电池元件热接触的相变材料中吸收至少一部分热量；
随后从相变材料释放至少一部分吸收的热量以加热至少一个电池元件；
使用在整个相变材料的供应中所测量的温度从预定值自动预测或估算熔化分数或热荷电状态；
根据所述相变材料的熔化分数或热荷电状态来监测相变材料的储热容量；和
根据储热容量调节至少一个电池的功率输出。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
确定电池元件发热量；
确定电源系统温度；以及
根据确定的电池元件发热量和电源系统温度，估算相变材料荷电状态的储热容量。
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