CN110854451A - 模块化构造的电池和运行模块化构造的电池的方法 - Google Patents

模块化构造的电池和运行模块化构造的电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模块化构造的电池和运行模块化构造的电池的方法。模块化构造的电池(100)具有多个电池胞元(101)和用于检测电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)的检测单元(20)。为此，按照本发明，设有执行器(40)，以便根据检测到的电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，来调节电池中的压力(P)。

Description

模块化构造的电池和运行模块化构造的电池的方法
技术领域
本发明涉及一种模块化构造的电池和具有相应的模块化构造的电池的车辆。此外，本发明涉及一种运行模块化构造的电池的方法。
背景技术
电池胞元、例如锂离子电池胞元在运行期间逐渐老化。这种老化改变与运行相关的电池的特性、例如容量、内阻、自放电率、供电能力(Leistungs-
Figure BDA0002174260700000011
)、可能的充电率、机械特性等。已知通过对胞元施加机械力作用，可以影响胞元老化的过程。在已知的电池中，经常机械地预紧电池胞元，以抵抗老化。电池内的电池胞元经常以恒定的压力被夹紧。然而，电池胞元的夹紧状态可能随着胞元的老化而改变，因为随着使用时间的增加，胞元可能呈现厚度增大(所谓的“膨胀”)。此外，电池胞元的厚度增大还与运行点有关，例如与充电状态或“State of Charge”(SOC)、老化状态或“健康状态(State of Health)”(SOH)、可获取的C率(entnehmbare Stromrate)、温度等有关。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，在模块化构造的电池中，至少部分地克服从现有技术中已知的至少一个缺点。本发明要解决的技术问题尤其是在于，提供一种模块化构造的电池，其简单地构造，并且对电池胞元提供与电池胞元的老化和与运行点有关的厚度增大匹配的、改善的、尤其是灵活的、优选可控制的压力施加或者说压力控制。此外，本发明要解决的技术问题在于，提供一种相应的车辆。此外，本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的运行模块化构造的电池的方法，所述方法能够以可靠并且经济的方式针对电池胞元实施，并且使得能够延长电池的寿命并且改善电池的性能。
根据本发明的技术问题通过具有本发明的特征的模块化构造的电池、具有本发明的特征的相应的车辆以及具有本发明的特征的运行模块化构造的电池的方法来解决。在下面的描述中列示本发明的优选的扩展设计。关于本发明的各个方面公开的特征可以以如下方式彼此组合，即，对于关于本发明的各个发明方面的公开，始终相互参照或者可以相互参照。
本发明提供一种模块化构造的电池(或者下面简称为电池)，所述电池包括：多个电池胞元和用于检测电池的至少一个运行状态的检测单元。为此，根据本发明，设有执行器，执行器优选布置在电池中，以便根据检测到的电池的至少一个运行状态，调节电池中的压力(即电池内的电池胞元的夹紧压力)，其中，尤其是借助控制单元将电池的相应的老化模型与检测到的运行状态相关联，其中，优选根据该老化模型，借助控制单元选择并且借助执行器提供能够实现电池的最大寿命的压力。
本发明的意义上的电池的运行状态，可以理解为电池的不同的运行参数、例如温度、充电状态或“State of Charge”(SOC)、老化状态或“健康状态”(SOH)、电力要求(Stromanforderung)等的全面的组合。本发明的意义上的执行器有效地将控制单元的控制指令转换为电池中的合适的压力。控制单元又包括电池的各种老化模型，可以根据检测到的运行状态单独选择老化模型。每个老化模型包括电池的寿命关于电池中的压力的函数。因此，在知道匹配的老化模型的情况下，可以确定按照该老化模型有望实现电池的最大寿命的最佳压力。
模块化构造的电池可以有利地在移动应用中、例如在车辆中或者在固定应用中、例如在发电机中使用。
在此，本发明的构思在于，通过针对电池的任意运行状态确定最佳压力的老化模型，提供电池中的压力的额定值，或者说电池内的电池胞元的夹紧压力或夹紧力的额定值。老化模型可以集成在专门的控制单元中或直接集成在电池管理系统中。控制单元基于已知的历史记录、电池的当前以及预期的运行参数，来确定电池胞元的最佳夹紧力或电池中的最佳压力，所述运行参数共同描述电池的运行状态。控制单元控制执行器，执行器以有效、灵活的方式随时针对运行点，对电池胞元施加最佳的夹紧压力，这使得显著延长电池胞元的寿命以及得到一般性的性能改善、例如C率等。
此外，在模块化构造的电池中，本发明可以设置为，设置液压冷却装置，用于调节电池胞元的温度，并且以静液压的方式(hydrostatisch)支承电池胞元。液压冷却装置可以对电池胞元均匀地施加压力。同时，液压冷却装置可以将电池的温度调节至适合于检测到的运行状态的温度。此外，液压冷却装置可以具有朝向电池的输入管道以及从电池起始的排出管道。通过输入管道，可以将调节温度的冷却剂输送至电池。通过排出管道，可以将吸收了电池胞元的余热的冷却剂排出。电池可以具有用于电池胞元的壳体，可以通过输入管道将冷却剂引入壳体中。有利地，电池胞元可以容纳在柔性的、尤其是冷却剂不可通过的包裹物中。冷却剂环绕电池胞元流动，因此调节胞元的温度。此外，借助冷却剂以静液压的方式支承胞元。吸收了电池胞元的余热的冷却剂借助排出管道从壳体排出。
此外，本发明可以设置为，执行器可以布置在液压冷却装置的朝向电池的输入管道中。因此，执行器可以对电池胞元施加液压。
此外，本发明可以设置为，执行器被实施为，根据检测到的电池的运行状态，作为液压冷却装置中的液压，来调节电池中的压力。液压均匀并且温和地施加在电池胞元上。可以有利地针对运行状态并且与电池胞元的老化对应地调节液压。以这种方式，可以为电池提供改善的运行条件。
此外，在模块化构造的电池中，本发明可以设置为，电池的运行状态包括电池的多个运行参数，例如电池的电流、电压、容量、温度、内阻、老化状态、充电状态、自放电率、可能的充电率、供电能力、功率要求、机械特性和/或几何特性。因此，电池的运行状态可以呈现电池的运行参数的全面的组合。
有利地，检测单元可以具有至少一个传感器，用于检测电池的至少一个运行参数，以确定电池的运行状态，其中，电池的运行参数可以是：电池的电流(I)、电压(U)、容量(C)、温度(T)、内阻(R)、老化状态(SOH)、充电状态(SOC)、自放电率、可能的充电率、供电能力、功率要求、机械特性和/或几何特性。因此，可以监视电池的运行。
此外，在模块化构造的电池中，本发明可以设置控制单元，控制单元被设计为用于控制执行器，以便调节电池中的压力、尤其是最佳压力，最佳压力使得能够按照与检测到的运行状态对应的电池的老化模型，实现电池的最大寿命，其中，尤其是老化模型能够根据检测到的电池的运行状态来确定。因此，可以确定适合用于在检测到的运行状态下运行电池的最佳压力。
此外，本发明的范围内的控制单元可以具有存储器，在存储器中，作为关于电池中的压力的电池的寿命的函数，存储与电池的不同的运行状态对应的电池的老化模型。因此，可以针对压力提供控制，其确保电池内的电池胞元受到合适的夹紧压力。
此外，可能有利的是，本发明的范围内的控制单元例如借助专门的电力电子设备，对检测到的电池的运行状态分配相应的老化模型。因此，使得能够针对电池中的压力进行智能的、尤其是针对运行状态的控制。
此外，可能有利的是，本发明的范围内的控制单元可以被设计为，根据检测到的电池的运行状态，以及在稍后的时间点的电池的预计的使用和/或预计的使用位置，来预测在该稍后的时间点的电池的运行状态，其中，根据预测的电池的运行状态确定老化模型。因此，可以对电池中的压力提供前瞻性的控制。电池的预计的使用(例如在静止阶段、在高峰时间、在混合动力车辆中在要驶过低排放区时转换为电动驱动时)和/或预计的使用位置(例如在下坡行驶时、高速公路行驶、市内行驶时)，可以借助监视系统、导航单元、路线规划系统、智能车载计算机或类似设备来确定。
在本发明的范围内，还可以想到，在电池管理系统内实现控制单元。因此，利用电池的现有设备就可以实现本发明的范围内的优点。
此外，本发明提供一种具有模块化构造的电池的车辆，模块化构造的电池可以如上所述构造。借助按照本发明的车辆，实现与上面关于按照本发明的电池所描述的相同的优点。在此，完全引用这些优点。
此外，根据本发明的技术问题通过一种运行模块化构造的电池的方法来解决，所述电池具有多个电池胞元和用于检测所述电池的运行状态的检测单元，其中，控制执行器，执行器特别地是电池的一部分，以便根据检测到的电池的运行状态调节电池中的压力，其中，尤其是将检测到的运行状态与相应的电池的老化模型相关联，其中，优选按照该老化模型选择能够实现电池的最大寿命的压力。借助按照本发明的方法，同样实现与上面关于按照本发明的电池所描述的相同的优点。在此，完全引用这些优点。
此外，在所述方法的范围内，本发明可以设置为，控制单元控制执行器，从而调节电池中的压力、尤其是最佳压力，最佳压力按照与检测到的电池的运行状态对应的电池的老化模型，能够实现电池的最大寿命。根据检测到的电池的运行状态来选择匹配的老化模型。因此，可以有效并且灵活地设置合适的压力，该压力使得在检测到的运行状态下产生电池的最佳的运行条件。
附图说明
下面，通过根据附图对本发明的优选实施例的描述，来详细示出改进本发明的其它措施。在此，在说明书中提到的特征本身单独或者其任意的组合相应地可能对于本发明是必不可少的。在此，应当注意，附图仅具有描述性的特征，而不视为是以任何方式限制本发明。
图1示出了本发明的意义上的模块化构造的电池的示意图，以及
图2示出了用于检测到的电池的运行状态的示例性的老化模型。
具体实施方式
图1示出了模块化构造的电池100，其包括多个电池胞元101，电池胞元101可以以锂离子电池胞元101、例如软包胞元的形式构造。模块化构造的电池100包括用于调节电池100的温度的液压冷却装置10，液压冷却装置10还被实施为用于以静液压的方式支承电池胞元101。此外，电池100包括用于检测电池100的运行状态I、U、C、T、R、SOH、SOC的检测单元20。
电池胞元101在运行期间逐渐老化。这种老化改变与运行相关的电池100的特性、例如电容C、内阻R、自放电率、供电能力、可能的充电率、机械特性等。此外，这种老化使得电池胞元101可能呈现厚度增大(所谓的“膨胀”)。此外，电池胞元101的厚度增大还与运行点有关，例如与充电状态或“State of Charge”SOC、老化状态或“健康状态”SOH、可获取的C率、温度等有关。
按照本发明，在按照本发明的电池100中设有执行器40，以便根据检测到的电池100的运行状态I、U、C、T、R、SOH、SOC，调节电池100中的压力D(即电池100内的电池胞元101中的夹紧压力)。
在本发明的范围内，借助控制单元30，将检测到的运行状态I、U、C、T、R、SOH、SOC与电池100的相应的老化模型L(P)相关联(参见图2中的函数f)。按照所选择的老化模型L(P)，控制单元30选择压力、尤其是最佳压力P*，该最佳压力P*对应于电池100的最大寿命Lmax(参见在图2中示出的函数f的最大值Lmax(P*))。控制单元30又控制执行器40，以便在电池100中设置该最佳压力P*。
优选可以作为用于以静液压的方式支承电池胞元101的液压P来设置压力P。为此，执行器40可以布置在液压冷却装置10的输入管道11中。执行器40例如可以以泵或压缩机的形式构造。
本发明的意义上的电池100的运行状态I、U、C、T、R、SOH、SOC，可以理解为电池100的不同的运行参数的全面的组合，其例如包括：电池100的电流I、电压U、容量C、温度T、内阻R、老化状态SOH、充电状态SOC、自放电率、可能的充电率、供电能力、功率要求、机械特性和/或几何特性。
执行器40有效地将控制单元30的控制指令，转换为电池100中的合适的压力P。在本发明的意义上，借助控制单元30，通过针对电池100的每个运行状态I、U、C、T、R、SOH、SOC确定最佳压力P*的老化模型L(P)，来提供电池100中的压力P的额定值，或者说电池100内的电池胞元101的夹紧压力或夹紧力的额定值。为此，可以对控制单元30提供相应的电力电子设备。
有利地，控制单元30可以基于已知的历史记录、电池的当前以及预期的运行参数，来设置电池100中的最佳压力P*。对电池100中的压力P的这种控制，使得其寿命显著延长，并且使得一般性的性能得到改善。
控制单元30包括存储器31，在存储器31中存储有电池100的各种老化模型L(P)，可以根据检测到的运行状态I、U、C、T、R、SOH、SOC单独选择老化模型L(P)。每个老化模型L(P)包括电池100的寿命L关于电池100中的压力P的函数f。因此，在知道匹配的老化模型L(P)的情况下，可以确定最佳压力P*，按照该老化模型L(P)，该最佳压力P*能够实现电池100的最大寿命Lmax。
电池100还可以具有用于电池胞元101的优选耐压的壳体102，通过液压冷却装置10的输入管道11可以将冷却剂引入壳体102中。有利地，电池胞元101可以被容纳在柔性的、尤其是冷却剂不可通过的包裹物中。冷却剂环绕电池胞元101流动，因此调节胞元的温度。此外，借助冷却剂以静液压的方式支承电池胞元101。借助液压冷却装置10的排出管道12，从壳体102排出吸收了电池胞元101的余热的冷却剂。
有利地，本发明的意义上的检测单元20可以具有至少一个传感器22，用于检测电池100的至少一个运行参数，以便确定电池100的运行状态I、U、C、T、R、SOH、SOC，如在图1中示意性地示出的。
此外，检测单元20可以具有压力传感器21，用于监视电池100内、即壳体102内的静液压P。
控制单元30还可以具有相应的调节器32，调节器32通过对执行器40进行调节，将壳体102内的静液压P调节至最佳压力P*。
按照本发明的电子设备单元30可以在中央电池管理系统110中实现，或者作为单独的单元或单独的控制设备来实施。
此外，在液压冷却装置10的冷却回路中，可以在输入管道11中设置制冷机14。在液压冷却装置10的排出管道12中，可以在压缩机15或泵15之后，设置热交换器17。热交换器17可以借助通风机16通风，以便促进散热。热交换器17例如可以在车辆散热器内实现。热交换器17又可以连接到车辆加热器201，以便利用电池100的余热。在热交换器17的通道之后，可以设置用于节流冷却剂的阀18。借助制冷机14和热交换器17，可以可靠地实现热传递。借助执行器40和压缩机15，可以灵活地控制电池100中以及液压冷却装置10的冷却回路中的压力比。
如在图1中右下方所示，按照本发明的系统1可以以有利的方式在移动应用中、例如在车辆200中使用。
前面对附图的描述仅仅在示例的框架内描述本发明。当然，各个实施方式的各个特征，只要在技术上有意义，可以彼此自由组合，而不脱离本发明的范围。
附图标记列表
10 冷却装置
11 输入管道
12 排出管道
14 制冷机、蒸发器
15 压缩机、泵
16 通风机
17 热交换器、车辆散热器
18 阀
20 检测单元
21 压力传感器
22 传感器
30 控制单元
31 存储器
32 调节器
40 执行器
100 电池
101 电池胞元
102 壳体
110 电池管理系统
200 车辆
201 车辆加热器
I、U、C、T、R、SOH、SOC 运行状态
I 电流
U 电压
C 容量
T 温度
R 内阻
SOH 老化状态
SOC 充电状态
f 函数
L(P) 老化模型
L 寿命
Lmax 最大寿命
P 压力
P* 最佳压力

Claims (10)

1.一种模块化构造的电池(100)，具有：
多个电池胞元(101)，以及
检测单元(20)，所述检测单元(20)用于检测所述电池(100)的至少一个运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，
其特征在于，
设有执行器(40)，以便根据检测到的所述电池(100)的至少一个运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，调节所述电池(100)中的压力(P)。
2.按照权利要求1所述的电池(100)，其特征在于，
设有液压冷却装置(10)，用于调节所述电池胞元(101)的温度，并且以静液压的方式支承所述电池胞元(101)，
和/或所述执行器(40)布置在液压冷却装置(10)的朝向所述电池(100)的输入管道(11)中，
和/或所述执行器(40)被实施为，根据检测到的所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，作为液压冷却装置(10)中的液压(P)，调节所述电池(100)中的压力(P)。
3.按照权利要求1或2所述的电池(100)，其特征在于，
所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)包括下面提到的所述电池(100)的运行参数中的一个或多个：所述电池(100)的电流(I)、电压(U)、容量(C)、温度(T)、内阻(R)、老化状态(SOH)、充电状态(SOC)、自放电率、可能的充电率、供电能力、功率要求、机械特性和/或几何特性，
和/或所述检测单元(20)具有至少一个传感器(22)，以便检测所述电池(100)的至少一个运行参数，用于确定所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，其中，所述电池(100)的运行参数包括：所述电池(100)的电流(I)、电压(U)、容量(C)、温度(T)、内阻(R)、老化状态(SOH)、充电状态(SOC)、自放电率、可能的充电率、供电能力、功率要求、机械特性和/或几何特性。
4.按照前述权利要求之一所述的电池(100)，其特征在于，
设有控制单元(30)，所述控制单元(30)被设计为用于控制所述执行器(40)，以便在所述电池(100)中设置最佳压力(P*)，按照与检测到的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)对应的所述电池(100)的老化模型(L(P))，所述最佳压力(P*)能够实现所述电池(100)的最大寿命(Lmax)。
5.按照权利要求4所述的电池(100)，其特征在于，
所述控制单元(30)具有存储器(31)，在所述存储器(31)中，作为所述电池(100)的寿命(L)关于所述电池(100)中的压力(P)的函数(f)，针对所述电池(100)的不同的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，存储相应的所述电池(100)的老化模型(L(P))，
和/或所述控制单元(30)将检测到的所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，与相应的老化模型(L(P))相关联。
6.按照权利要求4或5所述的电池(100)，其特征在于，
所述控制单元(30)被设计为用于，根据检测到的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，以及在稍后的时间点的所述电池(100)的预计的使用和/或预计的使用位置，来预测在所述稍后的时间点的所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，
其中，能够根据预测的所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)来确定老化模型(L(P))。
7.按照权利要求4至6之一所述的电池(100)，其特征在于，
所述控制单元(30)在电池管理系统(110)内实现。
8.一种车辆(200)，具有按照前述权利要求之一所述的模块化构造的电池(100)。
9.一种运行模块化构造的电池(100)的方法，所述电池(100)具有多个电池胞元(101)和检测单元(20)，所述检测单元(20)用于检测所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，
其特征在于，
控制执行器(40)，以便根据检测到的所述电池(100)的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)，来调节所述电池(100)中的压力(P)。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，
控制单元(30)控制所述执行器(40)，使得在所述电池(100)中设置最佳压力(P*)，按照与检测到的运行状态(I、U、C、T、R、SOH、SOC)对应的所述电池(100)的老化模型(L(P))，所述最佳压力(P*)能够实现所述电池(100)的最大寿命(Lmax)。
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