CN112219334B - 控制二次电池组的充电的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于控制二次电池组的充电的装置和方法。充电控制装置测量从多个二次电池中选择的第一二次电池的第一温度、流入冷却设备的冷却剂的第二温度、二次电池组的充电电流、第一二次电池的第一端子电压和最接近冷却设备的第二二次电池的第二端子电压，根据集总热模型估计第二二次电池的温度估计点的温度，以及将估计的温度确定为二次电池组的最低温度，并且根据最低温度来变化提供给二次电池的充电电力，该集总热模型具有在从第二二次电池的温度估计点、第一温度测量点和第二温度测量点选择的二个点之间的热阻以及关于温度、电流和电压的测量数据。

Description

控制二次电池组的充电的装置和方法
技术领域
本申请要求于2018年12月18日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0164612的优先权，其公开内容通过引用合并于此。
本公开涉及一种用于利用简单的硬件配置来可靠地估计二次电池组的整体区域的最低温度并且基于所估计的最低温度来控制二次电池组的充电条件的装置和方法。
背景技术
近来，能够重复地充电和再生的二次电池作为化石能源的替代品引起了人们的关注。
二次电池通常用在诸如手机、摄像机和电动工具的传统的手持式设备中，并且最近，其应用领域逐渐扩大到电动汽车(EV、HEV、PHEV)、大容量蓄电器(ESS)、不间断电源系统(UPS)等。
商用的二次电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和锂二次电池。其中，与镍基二次电池相比，锂二次电池由于其诸如基本上没有记忆效应、低自放电率和高能量密度的优点而备受关注。
二次电池用在各种领域中，并且在最近引起关注的电动车辆或蓄电设备的领域中，需要大容量的电池。因此，在对应领域中，使用其中串联和/或并联连接多个二次电池的二次电池组。
在二次电池组的充电过程中，由多个二次电池产生热量。热量来自二次电池的内阻。由每个二次电池产生的热量被传导到相邻的二次电池或其他组件，或者通过与二次电池组耦合合的空气冷却式或水冷却式的冷却设备排放到外部。
当对二次电池进行充电时，工作离子(例如，锂离子)从正极移动到负极。另外，通过扩散到负极活性材料中而插入被转移到负极的工作离子。
伴随充电过程的电化学反应的速率与温度成比例。即，温度越低，电化学反应的速率越低。因此，当对二次电池组进行充电时，必须基于具有最低温度的二次电池来控制充电。如果基于具有较高温度的二次电池来控制充电，则在具有较低温度的二次电池中工作离子以缓慢的速率扩散到负极活性材料中，因此存在于负极活性材料的表面上的工作离子的浓度可能增加到引起镀锂的程度。
众所周知，当在负极活性材料的表面上发生镀锂时，存在迅速缩短二次电池的寿命的问题。另外，镀锂在过充电条件下引起过度的副反应，从而引起热失控现象。
二次电池组不具有跨整体区域的相同温度。这是因为在每个二次电池中产生的热量不相同并且到相邻区域的热传递率也不相同。因此，为了找出在构成二次电池组的二次电池当中哪个二次电池的温度最低，需要将温度传感器附接到每个二次电池并且实时地监测每个二次电池的温度。这是增加二次电池组的制造成本的原因。
此外，由附接到二次电池的温度传感器测量的温度是附接温度传感器的点处的表面温度。因此，对应温度不能被视为代表二次电池的整体温度。这是因为即使在单个二次电池的情况下，其整体区域的温度也不均匀。
因此，在现有技术中，考虑到二次电池的每个区域存在温度偏差，通过从由温度传感器测量的温度减去最低温度偏差而获得的校正温度被估计为二次电池的温度。另外，基于多个校正温度当中的最小值来调节二次电池组的充电条件，即，充电电流和充电电压的大小。
即使在二次电池的每个区域没有温度偏差或温度偏差非常小的情况下，该方法也导致仍然保守地调节充电条件。即，由于总是将二次电池的温度估计为低于实际温度，因此同样将充电电流和充电电压的大小调节得低。这是增加二次电池组的充电时间的因素。
在二次电池的应用领域中，缩短充电时间在电动汽车领域中特别重要。这是因为仅当充电时间短时才可以方便地使用电动汽车。
为了缩短充电时间，必须解决各种技术问题。其中，二次电池组的整体区域当中具有最低温度的区域的实际温度的可靠估计也被认为是要解决的问题之一。
发明内容
技术问题
本公开旨在解决现有技术的问题，因此，本公开旨在提供一种充电控制装置和方法，其可以通过将二次电池组的整体区域的最低温度估计为更接近实际温度，并且基于所估计的最低温度来调节二次电池组的充电条件来缩短充电时间。
可以从下述详细描述中理解本公开的这些和其他目的以及优点，并且根据本公开的示例性实施例，本公开的这些和其他目的以及优点将变得更加显而易见。而且，将容易理解到，可以通过所附权利要求中示出的装置及其组合来实现本公开的目的和优点。
技术方案
在本公开的一个方面中，提供一种用于控制二次电池组的充电的装置，该二次电池组包括多个二次电池并且被耦合到冷却设备，该装置包括：单体温度测量单元，其被配置为测量从多个二次电池中选择的第一二次电池的第一温度；冷却剂温度测量单元，其被配置为测量流入冷却设备的冷却剂的第二温度；电流测量单元，其被配置为测量二次电池组的充电电流；电压测量单元，其被配置为测量第一二次电池的第一端子电压和最接近冷却设备的第二二次电池的第二端子电压；最低温度估计单元，其被配置为根据集总热模型以及从单体温度测量单元、冷却剂温度测量单元、电流测量单元和电压测量单元输入的第一温度、第二温度、充电电流、第一端子电压和第二端子电压来估计第二二次电池的温度估计点的第三温度，并且将估计的第三温度确定为二次电池组的最低温度，该集总热模型具有从第二二次电池的温度估计点、第一温度的测量点(或第一温度测量点)和第二温度的测量点(或第二温度测量点)中选择的两个点之间的热阻；以及充电电力调节单元，被配置为根据所确定的最低温度来变化提供给二次电池组的充电电力。
根据实施例，集总热模型可以包括第一温度测量点和第二温度测量点之间的第一热阻、第一温度测量点和温度估计点之间的第二热阻以及温度估计点和第二温度测量点之间的第三热阻，以及可以串联连接第一热阻、第二热阻和第三热阻以配置闭环电路。
根据另一实施例，最低温度估计单元可以被配置为基于由下述第一等式和第二等式导出的下述第三等式来估计第三温度(T2,estimate)：
其中，m是第一二次电池和第二二次电池的质量；Cp是第一二次电池和第二二次电池在恒压下的比热；V1和OCV1是第一二次电池的端子电压和OCV(开路电压)；V2和OCV2是第二二次电池的端子电压和OCV；T1是第一温度测量点的第一温度，Tcoolant是第二温度测量点的第二温度以及T2,estimate是温度估计点的第三温度；并且R1,c是第一温度测量点与第二温度测量点之间的第一热阻，R12是第一温度测量点与温度估计点之间的第二热阻，以及R2,c是温度估计点和第二温度测量点之间的第三热阻。
优选地，最低温度估计单元可以被配置为确定第一二次电池的SOC(充电状态，SOC1)，并且参考SOC和OCV之间的预定相关性，确定对应于第一二次电池的SOC(SOC1)的OCV(开路电压，OCV1)，以及确定第二二次电池的SOC(SOC2)，并且参考SOC和OCV之间的预定相关性，确定对应于第二二次电池的SOC(SOC2)的OCV(OCV2)。
优选地，充电电力调节单元可以被配置为从最低温度估计单元接收最低温度，参考二次电池组的充电电流或充电电压与二次电池组的最低温度之间的预定相关性来确定对应于所输入的最低温度的充电电流或充电电压，并且根据所确定的充电电流或充电电压，向二次电池组提供充电电力。
在实施例中，充电电力调节单元可以被配置为参考定义用于温度估计点的多个最低温度和对应于每个最低温度的充电电流或充电电压的查找表，根据二次电池组的最低温度来变化充电电流或充电电压。
优选地，最低温度估计单元可以被配置为确定第一二次电池和第二二次电池的SOH(健康状态)，并且根据所确定的SOH来变化第一热阻、第二热阻和第三热阻。
在本公开的另一方面中，还提供一种用于控制二次电池组的充电的方法，二次电池组包括多个二次电池并且被耦合到冷却设备，该方法包括：测量从多个二次电池中选择的第一二次电池的第一温度；测量流入冷却设备的冷却剂的第二温度；测量二次电池组的充电电流；测量第一二次电池的第一端子电压和最接近冷却设备的第二二次电池的第二端子电压；根据集总热模型以及从单体温度测量单元、冷却剂温度测量单元、电流测量单元和电压测量单元输入的第一温度、第二温度、充电电流、第一端子电压和第二端子电压来估计第二二次电池的温度估计点的温度，并且将估计的温度确定为二次电池组的最低温度，该集总热模型具有从第二二次电池的温度估计点、第一温度的测量点(或第一温度测量点)和第二温度的测量点(或第二温度测量点)中选择的两个点之间的热阻；以及根据所确定的最低温度来变化提供给二次电池组的充电电力。
在本公开的又一方面中，还提供一种电动设备，包括用于控制二次电池组的充电的装置。
有益效果
根据本公开的一方面，可以通过使用集总热模型，仅利用最少数量的温度传感器来可靠地估计预期温度最低的位置处的二次电池的温度。
根据本公开的另一方面，由于可以根据被估计为具有最低温度的二次电池来调节充电电力，所以可以防止在充电期间——特别是在快速充电期间——在负极处的镀锂。
根据本公开的又一方面，通过使用集总热模型可靠地估计二次电池组的二次电池当中、预期具有最低温度的二次电池的温度并且然后调节充电电力，可以将充电电力增加到二次电池组可接受的最大值。因此，由于不需要如现有技术那样保守地调节充电电力，因此可以缩短充电时间。
本公开可以具有除上述之外的各种效果，并且可以从下述描述理解本公开的其他效果，并且可以通过本公开的实施例更清楚地了解本公开的其他效果。
附图说明
附图示出了本公开的优选实施例，并且与前述公开一起，用来提供对本公开的技术特征的进一步理解，因此，本公开不应当被解释为限于附图。
图1是示意性地示出在根据本公开的实施例的充电控制装置耦合到的二次电池组中测量温度的点的图。
图2是示出根据本公开的实施例的集总热模型的示例的图。
图3是示出根据本公开的实施例的用于控制二次电池组的充电的装置的框图。
图4是用于示出根据本公开的实施例的用于控制二次电池组的充电的方法的流程图。
具体实施方式
最佳模式
在下文中，将参考附图详细地描述本公开的优选实施例。在描述之前，应当理解到，说明书和所附权利要求书中使用的术语不应当被解释为限于一般含义和词典含义，而是在允许发明人定义适合于最佳说明的术语的原理的基础上，基于对应于本公开的技术方面的含义和概念来解释。
因此，本文提出的描述仅是仅为了说明目的的优选示例，而不旨在限制本公开的范围，因此应当理解到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其做出其他等同和修改。
此外，在本公开中，如果认为相关的已知结构或功能的详细描述可能模糊本公开的主题，则将省略其详细描述。
在整体说明书中，当将一部分称为“包括”或“包含”任何元素时，意味着该部分可以进一步包括其他元素，而不排除其他元素，除非另有明确说明。此外，说明书中描述的术语“处理器”是指处理至少一个功能或操作的单元，并且可以由硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。
另外，在整体说明书中，当将一部分称为“连接”到另一部分时，不限于它们是“直接连接”的情况，而是还包括它们与插入其之间的另一元素“间接连接”的情况。
在本说明书中，二次电池是指一个独立的单体，其包括负极端子和正极端子并且在物理上是单独的。例如，一个袋型锂聚合物单体可以被认为是二次电池。
图1是示意性地示出在根据本公开的实施例的充电控制装置耦合到的二次电池组中测量温度的点的图。
参考图1，根据本公开的实施例的充电控制装置耦合到的二次电池组10包括在预定方向上堆叠的多个二次电池11。堆叠方向可以是垂直方向或水平方向。
二次电池11可以是任何种类的，只要其在本领域中是已知的。例如，二次电池11可以是袋型锂聚合物二次电池。
可以以各种方式堆叠二次电池11。由于本公开的特征在于控制二次电池组的充电，因此未详细地示出二次电池11的堆叠结构。
优选地，二次电池组10耦合到冷却设备20。冷却设备20用于吸收在对多个二次电池11进行充电的过程中产生的热并且将该热释放至外部。
在一个实施例中，冷却设备20可以是空气冷却型或水冷却型。在这种情况下，冷却设备20包括冷却剂通过其流入的入口21和冷却剂通过其流出的出口22。
在另一个实施例中，冷却设备20可以是不具有用于循环空气或液体冷却剂的流动路径的冷却风扇。
优选地，单体温度测量单元30和冷却剂温度测量单元40被分别安装到二次电池组10和冷却设备20。
单体温度测量单元30被安装到从多个二次电池11中随机选择的二次电池，并且冷却剂温度测量单元40被安装在冷却设备20的入口21附近。
优选地，单体温度测量单元30被附接到二次电池11，该二次电池11位于由于蓄热现象而温度升高最多的区域中，例如在二次电池组10的中央，以便检测二次电池组10的过热状态。
在下文中，为了便于描述，将附接单体温度测量单元30的二次电池11称为第一二次电池11a。另外，将位于最接近冷却设备20的入口21的二次电池11称为第二二次电池11b。
同时，当二次电池组10被充电时，在每个二次电池11中产生热量。这时，位于中央的第一二次电池11a的温度相对高于位于一侧处的第二二次电池11b的温度。另外，位于冷却设备20的入口21处的第二二次电池11b的温度最低。这是因为第二二次电池11b位于具有低温的冷却剂流入的入口21附近，并且仅一个二次电池11相邻地位于右侧处，使得热量被平稳地排放。因此，当控制供应给二次电池组10的充电电力时，优选地参考第二二次电池11b的温度来控制充电电力。
在本公开中，将在第二二次电池11b的整体区域中预期温度最低的位置选择为温度估计点，并且使用集总热模型来估计对应点的温度。
优选地，第二二次电池11b的温度估计点可以是下端50，但是本公开不限于此。作为替代方案，温度估计点可以是第二二次电池11b的与空气接触的外表面的中央。
如图1所示，当耦合二次电池组10和冷却设备20时，由于第二二次电池11b的下端50位于最接近于冷却设备20的入口21，所以热量被平稳地传递到冷却设备20，使得下端50的温度可以低于其他部分的温度。
图2是示出根据本公开的实施例的集总热模型的示例的图。
参考图2，根据本公开的实施例的集总热模型包括在闭环电路上串联连接的第一至第三热阻(R1,2、R1,c、R2,c)以及在相邻热阻之间设置的第一至第三温度节点(T1、T2,estimate、Tcoolant)。
在此，第一热阻(R1,c)是存在于附接到第一二次电池11a的单体温度测量单元30的第一温度测量点与附接到冷却设备20的入口21的冷却剂温度测量单元40的第二温度测量点之间的热阻。
另外，第二热阻(R1,2)是存在于第一温度测量点和第二二次电池11b的温度估计点之间的热阻。
另外，第三热阻(R2,c)是存在于第二二次电池11b的温度估计点与第二温度测量点之间的热阻。
另外，第一温度节点(T1)是由单体温度测量单元30测量的温度。
另外，第二温度节点(Tcoolant)是由冷却剂温度测量单元40测量的温度。
另外，第三温度节点(T2,estimate)是第二二次电池11b的温度估计点的估计温度。
根据集总热模型，如果将质量为m且恒压下的比热为Cp的对象的发热量定义为Qdissipation，并且将传递给外部对象或从外部对象吸收的热量定义为Qconvection，则下面的等式(1)成立。
如果目标对象从外部对象吸收热量，则将Qconvection的符号改变为正。
当对二次电池组10进行充电时，每个二次电池11的端子电压V可以被表示为根据内阻(R)的OCV(开路电压)和IR电压之和，如下文的等式(2)所示。I是流过二次电池11的充电电流。
V＝OCV+IR-----(2)
另外，当充电电流I流到每个二次电池11时，二次电池11的发热量Qdissipation可以由下面的等式(3)表示。
Qdissipation＝I2R＝|V-OCV||I|-----(3)
此外，根据集总热模型，从具有高温度的对象传递到具有低温度的对象的热量可以由下面的等式(4)表示。
在等式4中，Thigh表示具有高温度的对象的温度，并且Tlow表示具有低温度的对象的温度。另外，Rh,l表示存在于具有高温度的对象与具有低温度的对象之间的热阻。
如果将等式(3)和(4)应用于根据本公开的实施例的集总热模型的第一温度节点(T1)，则可以得出下述等式(5)。
在等式(5)中，右项的第一公式是在预定时间(dt)期间产生的第一二次电池11a的发热量，第二公式是在预定时间(dt)期间从具有高温度的第一二次电池11a传递到具有低温度的第二二次电池11b的热量，以及第三公式是在预定时间(dt)期间从具有高温度的第一二次电池11a传递到具有低温度的冷却设备20的热量。V1和OCV1是第一二次电池11a的端子电压和OCV，以及I1是第一二次电池11a的充电电流。R12是第一二次电池11a的温度测量点与第二二次电池11b的温度估计点之间的热阻，以及R1,c是第一二次电池11a的温度测量点与冷却剂温度测量点之间的热阻。另外，T1是由单体温度测量单元30测量的温度，Tcoolant是由冷却剂温度测量单元40测量的温度，以及T2,estimate是第二二次电池11b的温度估计点的估计温度。
另外，如果将等式(3)和(4)应用于根据本公开的实施例的集总热模型的第三温度节点(T2,estimate)，则可以导出下述等式(6)。
在等式(6)中，右项的第一公式是在预定时间(dt)期间产生的第二二次电池11b的发热量，第二公式是在预定时间(dt)期间从具有高温度的第一二次电池11a传递到具有低温度的第二二次电池11b的热量，以及第三公式是在预定时间(dt)期间从具有高温度的第二二次电池11b传递到具有低温度的冷却设备20的热量。V2和OCV2是第二二次电池11b的端子电压和OCV，以及I2是第二二次电池11b的充电电流。R12是第一二次电池11a的温度测量点与第二二次电池11b的温度估计点之间的热阻，以及R2,c是第二二次电池11b的温度估计点与冷却剂温度测量点之间的热阻。另外，T1是由单体温度测量单元30测量的温度，Tcoolant是由冷却剂温度测量单元40测量的温度，以及T2,estimate是第二二次电池11b的温度估计点的估计温度。
在等式(5)和(6)中，右项的第二公式相同，但符号相反。因此，如果使等式(5)和(6)相加，则可以导出下面的等式(7)。
在等式(7)中，T1和Tcoolant分别是由单体温度测量单元30和冷却剂温度测量单元40测量的温度，R1,c和R2,c是预定热阻，以及m和Cp可以被近似为构成二次电池组10的二次电池11的质量和恒压下的比热。即，可以近似地，构成二次电池组10的所有二次电池11——包括第一和第二二次电池11a、11b——具有相同的质量且具有在恒压下相同的比热。另外，由于第一二次电池11a和第二二次电池11b的充电电流相同，所以可以用二次电池组10的充电电流(I)代替I1和I2。
根据时间离散模型，可以将等式(7)变换为下面的等式(8)。
在等式(8)中，用k索引的变量是在当前时间点测量或估计的值，而用k-1索引的变量是在前一时间点测量或估计的值。I1和I2是第一二次电池11a和第二二次电池11b的充电电流，其与二次电池组10的充电电流(I)相同。
在等式(8)中，可以将T2,estimate的初始条件设置为等于首先由单体温度测量单元30测量的第一二次电池11a的温度，或者设置为低预设预定百分比。
优选地，在本公开中，可以以固定时间间隔确定V1、V2、OCV1、OCV2、I、T1和Tcoolant，并且可以使用预设参数值(R1,c,R2,c,m,Cp)和等式(8)估计第二二次电池11b的温度估计点的温度(T2,estimate)，以及可以将估计的温度确定为二次电池组10的最低温度(Tmin)。另外，在本公开中，可以通过根据最低温度(Tmin)调节用于二次电池组10的充电电流和/或充电电压来控制供应给二次电池组10的充电电力。稍后将对此进行描述。
在本公开中，热阻对应于当通过存在于两个点之间的结构每秒传递单位热量(例如，1J)时两个点之间的温度差，并且单位是K(开尔文)/W(瓦特)。
优选地，可以根据在ASTM D5470中定义的标准测量方法来测量热阻。
作为示例，可以以以下方式确定两个点A和B的热阻RA，B。
首先，将加热器附接到点A，并且将冷却器附接到点B，使得点A保持TA的温度并且点B保持TB的温度，以形成点A和点B之间的温度梯度Δ。
如果形成温度梯度Δ，则在点A处移除热源，并且使用冷却器使点B保持在温度TB。然后，使A点的温度从TA呈指数下降，并且收敛至TB。在该过程中，获得了在点A处针对时间t的温度改变曲线TA，measure(t)。
同时，可以使用集总热模型来近似点A处的温度改变如下。
mCp＊dTA(t)/dt＝-1/RA，B(TA(t)-TB)-----(9)
dTA(t)/dt＝-1/(RA，B＊mCp)＊(TA(t)-TB)-----10
d(TA(t)-TB)/dt＝-1/(RA，B＊mCp)＊(TA(t)-TB)-----(11)
如果求解了等式11的微分方程，则获得以下等式(12)。
TA(t)＝exp[-1/(RA，B＊mCp)＊(TA(t)-TB)]+TB-----(12)
在等式(12)中，m是存在于点A和点B之间的结构的质量，以及Cp是恒压下的比热，这可以预先知道。因此，可以调整RA,B，使得等式(12)的TA(t)遵循通过实验获得的温度改变曲线TA,measure(t)，并且调整的RA,B值是点A和点B之间的热阻。
在下文中，将基于以上说明，详细地描述根据本公开的用于控制二次电池组的充电的装置和方法。
图3是示出根据本公开的实施例的用于控制二次电池组的充电的装置的框图。
一起参考图1和3，根据本公开的实施例的用于控制二次电池组的充电的装置100用于控制耦合到冷却设备20的二次电池组10的充电电力，并且包括单体温度测量单元30、冷却剂温度测量单元40、电压测量单元50、电流测量单元60、最低温度估计单元70、充电电力调节单元80和存储单元90。
单体温度测量单元30根据最低温度估计单元70的请求周期性地测量从多个二次电池11中选择的第一二次电池11a的第一温度(T1)，并且将第一温度(T1)测量值输出到最低温度估计单元70。
冷却剂温度测量单元30根据最低温度估计单元70的请求周期性地测量流入冷却设备20中的冷却剂的第二温度(Tcoolant)，并且将第二温度(Tcoolant)测量值输出到最低温度估计单元70。
单体温度测量单元30和冷却剂温度测量单元40可以是本领域已知的温度传感器，诸如热电偶，并且本公开不限于此。
电压测量单元50根据最低温度估计单元70的请求周期性地测量构成二次电池组10的二次电池1的端子电压，并且将端子电压测量值输出到最低温度估计单元70。
为了便于说明，在由电压测量单元50测量的端子电压当中，将第一二次电池11a的端子电压称为第一端子电压(V1)，以及将第二二次电池11b的端子电压称为第二端子电压(V2)。
电压测量单元50可以包括多路复用器，用于以时分方式切换电压感测线以测量每个二次电池11的端子电压；浮动电容器，用于对每个二次电池11充电并且保持其电压；电压感测电路，用于测量由浮动电容器充电并保持的二次电池11的电压；等等，但是本公开不限于此。
电流测量单元60根据最低温度估计单元70的请求周期性地测量流到二次电池组10的充电电流(I)，并且将电流测量值输出到最低温度估计单元70。
当充电电流(I)流到二次电池组10时，电流测量单元60可以测量施加到感测电阻器65两端的电压，并且将测量的电压值输出到最低温度估计单元70。感测电阻器65的两端电压对应于电流测量值。最低温度估计单元70可以使用欧姆定律(V＝IR)将感测电阻器65的两端电压转换为充电电流。电流测量单元60还可以被诸如霍尔传感器的其他已知的电流传感器代替。
最低温度估计单元70可操作地耦合到单体温度测量单元30、冷却剂温度测量单元40、电压测量单元50和电流测量单元60。此外，最低温度估计单元70周期性地从单体温度测量单元30、冷却剂温度测量单元40、电压测量单元50和电流测量单元60接收第一二次电池11a的第一温度(T1)测量值、冷却剂的第二温度(Tcoolant)测量值、包括第一和第二二次电池11a、11b的第一端子电压(V1)测量值和第二端子电压(V2)测量值的所有二次电池11的端子电压测量值、以及流到二次电池组10的充电电流(I)测量值，将值转换为数字数据，并且将数字数据记录在存储单元90中。
存储单元90是能够以电、磁、光学或量子机械地记录和擦除数据的存储介质。存储单元90可以是RAM、ROM、寄存器、硬盘、光记录介质或磁记录介质，但不限于此。存储单元90可以可操作地电耦合到最低温度估计单元70，从而可以由最低温度估计单元70例如经由数据总线访问。
存储单元90可以存储和/或更新和/或删除具有由最低温度估计单元70执行的各种控制逻辑的程序，和/或在执行控制逻辑时生成的数据。存储单元90可以在逻辑上分为两个或更多个部分，并且还可以被包括在最低温度估计单元70中。
最低温度估计单元70可以周期性地估计第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一SOC(SOC1)和第二SOC(SOC2)，并且确定对应于每个SOC的第一OCV(OCV1)和第二OCV(OCV2)。
作为示例，最低温度估计单元70可以通过安培计数方法估计第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一和第二SOC(SOC1、SOC2)，并且确定对应于第一和第二SOC(SOC1、SOC2)的(OCV1、OCV2)。
具体地，最低温度估计单元70紧接在二次电池组10的充电开始之前控制电压测量单元50，以测量第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一端子电压(V1)和第二端子电压(V2)，并且将第一端子电压(V1)和第二端子电压(V2)确定为第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一OCV(OCV1)初始值和第二OCV(OCV2)初始值。
在此之后，最低温度估计单元70通过从预先记录在存储单元90中的SOC-OCV查找表读取对应于第一和第二OCV(OCV1、OCV2)的初始值的第一和第二SOC(SOC1、SOC2)，来确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一SOC(SOC1)初始值和第二SOC(SOC2)初始值。
随后，如果开始二次电池组10的充电，则最低温度估计单元70通过对周期性测量的充电电流(I)进行计数，确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一SOC(SOC1)和第二SOC(SOC2)，并且参考SOC-OCV查找表，读取对应于第一SOC(SOC1)和第二SOC(SOC2)的第一OCV(OCV1)和第二OCV(OCV2)，以更新第一和第二二次电池11a、11b的第一OCV(OCV1)和第二OCV(OCV1)，并且将它们记录在存储单元90中。
替代地，最低温度估计单元70可以通过利用诸如现有技术已知的扩展卡尔曼滤波器的自适应算法，使用周期性测量的电流和电压数据来确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一和第二SOC(SOC1、SOC2)，并且参考SOC-OCV查找表来读取对应于第一SOC(SOC1)和第二SOC(SOC2)的第一OCV(OCV1)和第二OCV(OCV2)，以更新第二二次电池11a、11b的第一OCV(OCV1)和第二OCV(OCV2)，并且将它们记录在存储单元90中。
在本公开中，除了安培计数方法和扩展卡尔曼滤波器算法外，最低温度估计单元70还可以使用本领域已知的其他方法来确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的SOC(SOC1、SOC2)。
优选地，只要收集到电压、电流和温度数据，最低温度估计单元70可以通过使用由集总热模型(见图2)导出的上面的等式(8)来周期性地——例如每隔1秒——估计第二二次电池11b的温度估计点的第三温度(T2,estimate)，并且将第三温度(T2,estimate)确定为二次电池组10的最低温度(Tmin)。最低温度估计单元70将所确定的二次电池组10的最低温度(Tmin)记录在存储单元90中。
当通过应用等式(8)确定第三温度(T2,estimate)时，最低温度估计单元70可以将第三温度(T2,estimate)的初始值设置为与第一温度(T1)的初始值(T1(1))相同或比第一温度(T1)的初始值低预定百分比。另外，热阻(R1,c,R2,c)、二次电池11的质量(m)和恒压下的比热(Cp)可以参考预先记录在存储单元90中的参数数据。
充电电力调节单元80可操作地耦合到最低温度估计单元70，并且可以从最低温度估计单元70接收二次电池组10的最低温度(Tmin)，并且根据最低温度(Tmin)，自适应地变化提供给二次电池组10的充电电力。
作为示例，充电电力调节单元80可以参考二次电池组10的充电电流和二次电池组10的最低温度(Tmin)之间的预定相关性，例如最低温度-充电电流查找表，确定对应于最低温度(Tmin)的充电电流，并且通过控制充电设备110，将所确定的充电电流提供给二次电池组10。
在此，充电模式可以是恒流充电模式，其中，充电电流的大小保持恒定，直到二次电池11的端子电压达到截止电压为止，但是本公开不限于此。
作为另一示例，充电电力调节单元80可以参考二次电池组10的充电电压与二次电池组10的最低温度(Tmin)之间的预定相关性，例如最低温度-充电电压查找表，来确定对应于最低温度(Tmin)的充电电压，并且通过控制充电设备110将所确定的充电电压提供给二次电池组10。
在此，充电模式可以是恒压充电模式，其中，充电电压的大小保持恒定，直到二次电池11的端子电压达到完全充电电压为止，但是本公开不限于此。
除了恒流充电模式和恒压充电模式之外，充电电力调节单元80还可以根据脉冲充电模式将充电电力供应给二次电池组10。在这种情况下，充电电力调节单元80可以根据二次电池组10的最低温度(Tmin)自适应地变化充电脉冲的幅度、持续时间和占空比。
同时，最低温度估计单元70可以确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的SOH(健康状态)，并且根据所确定的SOH来变化第一热阻(R1,2)、第二热阻(R1,c)和第三热阻(R2,c)。
具体地，最低温度估计单元70可以通过使用累积在存储单元90中的多个电压数据和电流数据，通过最小二乘法来计算用于第一二次电池11a和第二二次电池11b中的每一个的I-V线性方程，并且将每个IV线性方程的斜率确定为第一二次电池11a和第二二次电池11b的内阻。另外，最低温度估计单元70可以基于预先记录在存储单元90中的第一二次电池11a的初始内阻和第二二次电池11b的初始内阻来确定内阻的增加率％，并且将(100％-增加率)确定为SOH。在此之后，最低温度估计单元70可以通过参考根据二次电池11的SOH定义第一热阻(R1,2)、第二热阻(R1,c)和第三热阻(R2,c)的相关性的查找表，读取对应于SOC的第一热阻(R1,2)、第二热阻(R1,c)和第三热阻(R2,c)，来根据当前的SOH变化第一热阻(R1,2)、第二热阻(R1,c)和第三热阻(R2,c)。
由于本公开不受计算劣化度(SOH)的方法的限制，很显然，除了使用内阻计算劣化度的方法外，还可以使用本公开所属的技术领域中已知的其他方法来计算劣化度。
根据一个方面，最低温度估计单元70可以被实现为包括微处理器的微控制单元(MCU)。在该实施例中，最低温度估计单元70可以可选地包括本领域已知以执行上文所述的控制逻辑的处理器、专用集成电路(ASIC)、另一芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器、存储器设备、数据处理设备等。
此外，上述控制逻辑可以被编码为可在MCU单元中执行、存储在可由MCU单元的处理器访问的存储介质中并由此执行的程序。如果存储单元90被集成在MCU单元中，则程序不限于被记录在存储单元90中。
对存储介质没有特别限制，只要其可由计算机中包括的处理器访问即可。作为示例，存储介质包括选自由ROM、RAM、寄存器、CD-ROM、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录设备组成的组中的至少一个。
编码方案可以被调制成载波信号以在特定时间点被包括在通信载波中，并且还可以被分发给联网计算机以在其中存储和执行。另外，本公开所属领域的程序员可以容易地推断出用于实现组合的控制逻辑的功能程序、代码和代码段。
根据另一方面，充电电力调节单元80控制充电设备110，并且可以是在充电设备110中设置的控制单元。在这种情况下，最低温度估计单元70和充电电力调节单元80可以通过通信接口连接，并且最低温度估计单元70可以通过通信接口将二次电池组10的最低温度(Tmin)发送到充电电力调节单元80。
优选地，通信接口可以是诸如CANN通信接口、RS232通信接口等的有线通信接口，或者是诸如Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi等的短距离无线通信接口。
根据本公开的实施例的用于控制二次电池组的充电的装置可以被包括在电动设备中。
电动设备包括从二次电池组接收电力的各种设备，诸如智能电话、平板电脑、膝上型计算机、电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车、电动自行车、无人机、蓄电设备、不间断电源等。
此外，根据本公开的用于控制二次电池组的充电的装置可以被包括在用于控制二次电池组的充电和放电的电池管理系统中。
图4是用于示出根据本公开的实施例的用于控制二次电池组的充电的方法的流程图。
在下文中，将参考图4描述根据本公开的实施例的用于控制二次电池组的充电的方法。
首先，在步骤S10中，在二次电池组10的充电开始之前，最低温度估计单元70控制电压测量单元50，以测量第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一端子电压(V1)和第二端子电压(V2)，并且将第一端子电压(V1)和第二端子电压(V2)确定为第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一OCV(OCV1)初始值和第二OCV(OCV2)初始值。
随后，在步骤S20中，最低温度估计单元70通过从预先记录在存储单元90中的SOC-OCV查找表中读取对应于第一和第二OCV(OCV1、OCV2)的初始值的第一和第二SOC(SOC1、SOC2)，确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一SOC(SOC1)和第二SOC(SOC2)的初始值。
在此之后，在步骤S30，如果二次电池组10的充电开始，则最低温度估计单元70控制单体温度测量单元30、冷却剂温度测量单元40、电压测量单元50和电流测量单元60以周期性地接收第一二次电池11a的第一温度(T1)测量值、冷却设备20的入口21的第二温度(Tcoolant)测量值、包括第一二次电池11a的第一端子电压(V1)的测量值和第二二次电池11b的第二端子电压(V2)的测量值的二次电池11的端子电压测量值、以及与在第一和第二二次电池11a、11b中流动的充电电流相对应的二次电池组10的充电电流(I)测量值，并且将测量值记录在存储单元90中。
在步骤S40，最低温度估计单元70通过对基于在步骤S10中确定的第一SOC(SOC1)的初始值和第二SOC(SOC2)的初始值周期性地测量的充电电流(I)进行计数，确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的第一SOC(SOC1)和第二SOC(SOC2)，通过参考SOC-OCV查找表读取与第一SOC(SOC1)和第二SOC(SOC2)相对应的第一OCV(OCV1)和第二OCV(OCV2)，来更新第一和第二二次电池11a、11b的第一OCV(OCV1)和第二OCV(OCV2)，并且将所更新的数据存储在存储单元90中。
在此，很显然，除了安培计数法外，最低温度估计单元70可以使用扩展卡尔曼滤波器算法或本领域已知的其他方法来确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的SOC(SOC1、SOC2)。
接下来，在步骤S50，只要收集到电压、电流和温度数据，最低温度估计单元70可以通过使用从集总热模型(见图2)导出的上述等式(8)周期性地——例如每隔1秒——估计第二二次电池11b的温度估计点的第三温度(T2,estimate)，并且将第三温度(T2,estimate)确定为二次电池组10的最低温度(Tmin)。最低温度估计单元70将所确定的二次电池组10的最低温度(Tmin)记录在存储单元90中。
当通过应用等式(8)确定第三温度(T2,estimate)时，最低温度估计单元70可以将第三温度(T2,estimate)的初始值设置为与第一温度(T1)的初始值相同或比第一温度(T1)的初始值低预定百分比。另外，热阻(R1,c、R2,c)、二次电池11的质量(m)和恒压下的比热(Cp)可以参考预先记录在存储单元90中的参数数据。
接下来，在步骤S60，最低温度估计单元70将在步骤S50中确定的二次电池组10的最低温度(Tmin)发送到充电电力调节单元80。
然后，在步骤S70，充电电力调节单元80可以从最低温度估计单元70接收二次电池组10的最低温度(Tmin)，并且根据最低温度(Tmin)自适应地变化提供给二次电池组10的充电电力。
作为示例，充电电力调节单元80可以参考二次电池组10的充电电流与二次电池组10的最低温度(Tmin)之间的预定相关性，例如最低温度-充电电流查找表，确定对应于最低温度(Tmin)的充电电流，并且通过控制充电设备110将所确定的充电电流提供给二次电池组10。
在此，充电模式可以是恒流充电模式，其中，充电电流的大小保持恒定，直到二次电池11的端子电压达到截止电压为止，但是本公开不限于此。
作为另一示例，充电电力调节单元80可以参考二次电池组10的充电电压与二次电池组10的最低温度(Tmin)之间的预定相关性，例如最低温度-充电电压查找表，确定对应于最低温度(Tmin)的充电电压，并且通过控制充电设备110将所确定的充电电压提供给二次电池组10。
在此，充电模式可以是恒压充电模式，其中，充电电压的大小保持恒定，直到二次电池11的端子电压达到完全充电电压为止，但是本公开不限于此。
除了恒流充电模式和恒压充电模式之外，充电电力调节单元80可以根据脉冲充电模式将充电电力供应给二次电池组10。在这种情况下，充电电力调节单元80可以根据二次电池组10的最低温度(Tmin)自适应地变化充电脉冲的幅度、持续时间和占空比。
同时，最低温度估计单元70可以如上所述确定第一二次电池11a和第二二次电池11b的SOH，并且根据所确定的SOH变化第一热阻(R1,2)、第二热阻(R1,c)和第三热阻(R2,c)。
在本公开的各种示例性实施例的描述中，应当理解到，可在功能上而不是物理上区分被称为“单元”的元件。因此，每个元件可以与其他元件选择性地集成在一起，或者每个元件可以被划分为用于有效实现控制逻辑的子元件。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，如果可以对集成或划分的元件确认功能同一性，则该集成或划分的元件将落入本公开的范围内。
已经详细描述了本公开。然而，应当理解到，详细说明和具体示例虽然指示了本公开的优选实施例，但是仅以示例的方式给出，因为本公开的范围内的各种改变和修改从该详细描述，对于本领域技术人员将是显而易见的。
工业适用性
根据本公开的方面，可以通过使用集总热模型，仅利用最少数量的温度传感器来可靠地估计预期温度最低的位置处的二次电池的温度。
根据本公开的另一方面，由于可以根据被估计为具有最低温度的二次电池来调节充电电力，因此可以防止在充电期间——特别是在快速充电期间——在负极处的镀锂。
根据本公开的又一方面，通过使用集总热模型可靠地估计二次电池组的二次电池当中、预期具有最低温度的二次电池的温度并且然后调节充电电力，可以将充电电力增加到二次电池组可接受的最大值。因此，由于不需要如现有技术那样保守地调节充电电力，因此可以缩短充电时间。

Claims (15)

1.一种用于控制二次电池组的充电的装置，所述二次电池组包括多个二次电池并且被耦合到冷却设备，所述装置包括：
单体温度测量单元，所述单体温度测量单元被配置为测量从所述多个二次电池中选择的第一二次电池的第一温度；
冷却剂温度测量单元，所述冷却剂温度测量单元被配置为测量流入所述冷却设备的冷却剂的第二温度；
电流测量单元，所述电流测量单元被配置为测量所述二次电池组的充电电流；
电压测量单元，所述电压测量单元被配置为测量所述第一二次电池的第一端子电压和最接近所述冷却设备的第二二次电池的第二端子电压；
最低温度估计单元，所述最低温度估计单元被配置为根据：
a)集总热模型，所述集总热模型具有从所述第二二次电池的温度估计点、所述第一温度的测量点和所述第二温度的测量点中选择的两个点之间的热阻；以及
b)从所述单体温度测量单元、所述冷却剂温度测量单元、所述电流测量单元和所述电压测量单元输入的所述第一温度、所述第二温度、所述充电电流、所述第一端子电压和所述第二端子电压，
来估计所述第二二次电池的温度估计点的第三温度，并且将所估计的第三温度确定为所述二次电池组的最低温度；以及
充电电力调节单元，所述充电电力调节单元被配置为根据所确定的最低温度来变化提供给所述二次电池组的充电电力。
2.根据权利要求1所述的用于控制二次电池组的充电的装置，
其中，所述集总热模型包括所述第一温度的测量点和所述第二温度的测量点之间的第一热阻、所述第一温度的测量点和所述温度估计点之间的第二热阻以及所述温度估计点和所述第二温度的测量点之间的第三热阻，以及
串联连接所述第一热阻、所述第二热阻和所述第三热阻以配置闭环电路。
3.根据权利要求1所述的用于控制二次电池组的充电的装置，
其中，所述最低温度估计单元被配置为基于由下述第一等式和第二等式导出的下述第三等式来估计所述第三温度T2,estimate：
其中，m是所述第一二次电池和所述第二二次电池的质量；Cp是所述第一二次电池和所述第二二次电池在恒压下的比热；V1和OCV1是所述第一二次电池的端子电压和开路电压；V2和OCV2是所述第二二次电池的端子电压和开路电压；T1是所述第一温度的测量点的第一温度，Tcoolant是所述第二温度的测量点的第二温度以及T2,estimate是所述温度估计点的第三温度；并且R1,c是所述第一温度的测量点与所述第二温度的测量点之间的第一热阻，R12是所述第一温度的测量点与所述温度估计点之间的第二热阻，R2,c是所述温度估计点和所述第二温度的测量点之间的第三热阻，以及I1和I2是所述第一二次电池和所述第二二次电池的充电电流。
4.根据权利要求3所述的用于控制二次电池组的充电的装置，
其中，所述最低温度估计单元被配置为：
确定所述第一二次电池的充电状态SOC1，并且参考充电状态和开路电压之间的预定相关性，确定对应于所述第一二次电池的充电状态SOC1的开路电压OCV1，以及
确定所述第二二次电池的充电状态SOC2，并且参考充电状态和开路电压之间的预定相关性，确定对应于所述第二二次电池的充电状态SOC2的开路电压OCV2。
5.根据权利要求1所述的用于控制二次电池组的充电的装置，
其中，所述充电电力调节单元被配置为从所述最低温度估计单元接收最低温度，参考所述二次电池组的充电电流或充电电压与所述二次电池组的最低温度之间的预定相关性来确定对应于所输入的最低温度的充电电流或充电电压，并且根据所确定的充电电流或充电电压向所述二次电池组提供充电电力。
6.根据权利要求1所述的用于控制二次电池组的充电的装置，
其中，所述充电电力调节单元被配置为参考定义用于所述温度估计点的多个最低温度和对应于每个最低温度的充电电流或充电电压的查找表，根据所述二次电池组的最低温度来变化充电电流或充电电压。
7.根据权利要求2所述的用于控制二次电池组的充电的装置，
其中，所述最低温度估计单元被配置为确定所述第一二次电池和所述第二二次电池的SOH，并且根据所确定的SOH来变化所述第一热阻、所述第二热阻和所述第三热阻。
8.一种用于控制二次电池组的充电的方法，所述二次电池组包括多个二次电池并且被耦合到冷却设备，所述方法包括：
测量从所述多个二次电池中选择的第一二次电池的第一温度；
测量流入所述冷却设备的冷却剂的第二温度；
测量所述二次电池组的充电电流；
测量所述第一二次电池的第一端子电压和最接近所述冷却设备的第二二次电池的第二端子电压；
根据：
a)集总热模型，所述集总热模型具有从所述第二二次电池的温度估计点、第一温度的测量点和第二温度的测量点中选择的两个点之间的热阻；以及
b)所述第一温度、所述第二温度、所述充电电流、所述第一端子电压和所述第二端子电压,
来估计所述第二二次电池的温度估计点的第三温度，并且将所估计的第三温度确定为所述二次电池组的最低温度；以及
根据所确定的最低温度来变化提供给所述二次电池组的充电电力。
9.根据权利要求8所述的用于控制二次电池组的充电的方法，
其中，所述集总热模型包括所述第一温度的测量点和所述第二温度的测量点之间的第一热阻、所述第一温度的测量点和所述温度估计点之间的第二热阻以及所述温度估计点和所述第二温度的测量点之间的第三热阻，以及
串联连接所述第一热阻、所述第二热阻和所述第三热阻以配置闭环电路。
10.根据权利要求8所述的用于控制二次电池组的充电的方法，
其中，确定所述二次电池组的最低温度的步骤被配置为基于由下述第一等式和第二等式导出的下述第三等式来估计所述第三温度T2,estimate：
其中，m是所述第一二次电池和所述第二二次电池的质量；Cp是所述第一二次电池和所述第二二次电池在恒压下的比热；V1和OCV1是所述第一二次电池的端子电压和开路电压；V2和OCV2是所述第二二次电池的端子电压和开路电压；T1是所述第一温度的测量点的第一温度，Tcoolant是所述第二温度的测量点的第二温度以及T2,estimate是所述温度估计点的第三温度；并且R1,c是所述第一温度的测量点与所述第二温度的测量点之间的第一热阻，R12是所述第一温度的测量点与所述温度估计点之间的第二热阻，以及R2,c是所述温度估计点和所述第二温度的测量点之间的第三热阻，以及I1和I2是所述第一二次电池和所述第二二次电池的充电电流。
11.根据权利要求10所述的用于控制二次电池组的充电的方法，
其中，确定所述二次电池组的最低温度的步骤进一步包括：
确定所述第一二次电池的充电状态SOC1，并且参考充电状态和开路电压之间的预定相关性，确定对应于所述第一二次电池的充电状态SOC1的开路电压OCV1，以及
确定所述第二二次电池的充电状态SOC2，并且参考充电状态和开路电压之间的预定相关性，确定对应于所述第二二次电池的充电状态SOC2的开路电压OCV2。
12.根据权利要求8所述的用于控制二次电池组的充电的方法，
其中，变化提供给所述二次电池组的充电电力的步骤为：
参考所述二次电池组的充电电流或充电电压与所述二次电池组的最低温度之间的预定相关性来确定对应于所确定的最低温度的充电电流或充电电压，并且根据所确定的充电电流或充电电压向所述二次电池组提供充电电力。
13.根据权利要求12所述的用于控制二次电池组的充电的方法，
其中，变化提供给所述二次电池组的充电电力的步骤为：
参考定义用于所述温度估计点的多个最低温度和对应于每个最低温度的充电电流或充电电压的查找表，根据所述第三温度T2,estimate来变化充电电流或充电电压。
14.根据权利要求9所述的用于控制二次电池组的充电的方法，
其中，确定所述二次电池组的最低温度的步骤进一步包括：
确定所述第一二次电池和所述第二二次电池的SOH，并且根据所确定的SOH来变化所述第一热阻、所述第二热阻和所述第三热阻。
15.一种包括根据权利要求1所述的用于控制二次电池组的充电的装置的电动设备。
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