用于估算电池单元芯部处温度的方法

摘要

本发明涉及一种用于估算电动车辆或混合动力车辆的牵引电池的模块（10）的芯部处温度的方法，在该牵引电池中封装有多个电荷蓄积元件（11），其特征在于，在该电池模块（10）的一个外壁（13）水平处测量出温度（y），并且其特征在于，计算了该芯部处的一个温度估算值；基于该温度测量值（y）对该电池模块（10）的芯部处进行公式化（I）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于估算电动车辆或混合动力车辆的牵引电池模块的 芯部处温度的方法，在一个模块中封装有多个电荷蓄积元件（通常称作电 池单元）。

根据本发明的这种方法的一种应用涉及电动车辆或混合动力车辆中值 得注意地对具有多个电荷蓄积元件的电池在其运行过程中进行管理。更具 体地讲，旨在应用于该电池的运行中以便值得注意地在优化能量和热量管 理策略的背景下实时估算出这些电荷蓄积元件的内部温度以保证该电池的 安全性以及对该电池的能量潜力的优化使用。

背景技术

使用在电动车辆或混合动力车辆上的牵引电池是这样一种车辆的最关 键部件之一。值得注意的是因为该电池温度影响组成该电池的这些电荷蓄 积元件内的化学反应动力学，所以电池的温度是制约其性能水平的决定因 数。具体地讲，高温趋于增加杂散反应，这导致该电池可供使用容量的下 降以及内部电阻的增大。因为这一点，这种温度相对于组成该电池的这些 元件而言是一个老化因数。此外，超出一定温度后存在电池热逸散的风险。 因此对电池温度的准确的且可靠的了解对于能够相应地应对过热的情况， 并且更加概括地，能够在该车辆中实施一种热量管理策略，确切地讲是用 于确保该电池就安全性、功能性以及使用寿命而言的优化运行是关键的。

同样，实践已知的是将温度传感器安排在这些封装有电荷蓄积元件的 电池模块的外壁上以便提供该电池的一个温度测量值。然而，出于这些电 荷蓄积元件内的热量扩散的物理原因，由该传感器测量的这个电池温度信 息相对于该模块芯部处的温度是有衰减的并且在时间上是有偏差的。实际 上由于焦耳效应在这些电荷蓄积元件中产生了热量，并且然后热量在该电 池封装材料中扩散以便然后通过这些外壁上的对流交换而朝向外部环境消 散。结果是，这个温度信息并不会准确地反映该电池模块的芯部处温度、 也就是这些电荷蓄积元件的热量产生的点处的内部温度，并且因此不可能 有效地在该电池的温升极限上做出应对。

由于这个温度不能被测量，因此该温度则必须被估算。与外部测量相 比为了获得更高的精确度，例如从文件US 2007/01 3901 7中已知一种用于 估算电池温度的方法。根据这个文件的方法是基于对该电池的与该车辆外 部温度相关联的初始热状态的一个估计、并且基于对该电池内部产生的、 例如从该电池的电阻测量以及通过该电池的电流的测量推导出的热量的一 个估计，来估算代表该电池内部温度的温度。然而，这种考虑了该电池内 部产生的热量的估算方法却忽略了该电池中的热量扩散的问题，这不利地 影响了所获得的温度估算值的准确度和可靠性。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的是要提出一种用于估算电动车辆或混合 动力车辆的牵引电池模块的芯部处温度的方法，这种方法没有上述这些缺 点。

为此，本发明的方法本质上的特征在于测量出该电池模块的一个外壁 上的温度并且由这个温度测量值来计算出该电池模块的芯部处温度的一个 估算值。

根据一个特别有利的实施例，建立了该电池模块的这些电荷蓄积元件 中产生的热量的一种扩散模型，该模型根据其作为输入而接收的该模块的 芯部处的一个温度的一个函数来作为输出而供应该电池模块的外部上的温 度的估算值，并且对该电池模块的芯部处的温度估算值是通过对为了从该 模型作为输出而获得一个基本上等于该测量温度的温度值而要作为输入来 提供给该模型的一个温度值进行确定来计算的。

优选地，这个要作为输入来供应给该模型的温度值被确定成使得该外 壁上测量出的温度与该模型的输出温度之间的差值基本上为零。

根据这个实施例，还测量了周围空气的温度和该电池模块的这些端子 处的电流，该扩散模型取这些测量值作为输入。

有利地，该电池模块的这些电荷蓄积元件中产生的热量的这种扩散模 型是通过在该电池模块的一种一维空间衔接的每个节点处应用热量等式来 建立的。

本发明还涉及一种用于电动车辆或混合动力车辆的牵引电池的能量管 理装置，该牵引电池由多个电荷蓄积元件构成，这些电荷蓄积元件是被封 装在至少一个电池模块中，该能量管理装置包括：

-一个第一测量构件，该第一测量构件是被安排在该电池模块的一个 外壁上并且适用于供应该电池模块的外壁上的一个温度测量值，

-一个处理模块，该处理模块是被连接到该第一测量构件上，用于接 收该电池模块的外壁上的温度测量值并且适用于产生代表该电池模块的芯 部处温度的一个输出信号，该输出信号是通过根据本发明的方法计算出的， 以及

-一个控制模块，该控制模块适用于确保响应于由该处理模块产生的 该输出信号来对该电池进行能量管理。

有利地，该控制模块适用于响应于由该处理模块产生的输出信号来控 制对该电池的冷却。

优选地，该装置可以包括一个第二测量构件和一个第三测量构件，这 些测量构件对应地适用于供应一个周围空气的温度测量值以及该电池模块 的这些端子处的一个电流测量值，并且该处理模块包括一个输入器件，该 输入器件是被连接到这些第二和第三测量构件上以接收该周围空气的温度 测量值以及该电流测量值。

附图说明

本发明的其他特征和优点将通过参照附图从以下通过指示而绝非限制 的方式给出的说明中清楚地显现，在附图中：

-图1是一个电池模块的示意图；

-图2是展示根据本发明的估算方法的运行的一个框图；

-图3是展示一个电池模块中的用于实施根据本发明的估算方法的一 种温度扩散模型的简图；

-图4是展示该电池模块的用于实施根据本发明的估算方法的空间衔 接的简图。

具体实施方式

图1展示了一个电池模块10，四个电荷蓄积元件11或电池单元是被 封装在该电池模块中。一个温度传感器12被放置在电池模块10的一个外 壁13上以便供应该电池模块10的外壁13上的一个温度测量值。另一方面， 该电池模块的芯部处的温度则不能被测量出。为了估算这个温度，根据本 发明提出的是使用一个可以测量出的相关变量，在这种情况下是该电池模 块的外壁的温度。

为此目的，根据本发明，计划开发一种特定的处理模块或“软件传感 器”、还被称作观测器，从而实施以一种虚拟方式再现该电池模块中的热量 扩散动态的一种模型（将在以下更详细地描述该模型）。这个虚拟传感器 是与用于测量该模块壁的温度的一个物理传感器连接在一个伺服控制回路 中的，该回路使之有可能消除该虚拟传感器的估算值与该物理传感器的测 量值之间的任何误差。该观测器因此被设计成用于在每个瞬时上传送该电 池模块芯部处的一个温度估算值。

更确切地讲，参见图2，设T为电池模块10的芯部处温度，并且f表 示由一个处理模块20（观测器）计算出的这个温度的估算值。因此这个估 算值是通过实施电池模块10中的温度动态的一个模型、并且还通过考虑多 个输入（它们是周围空气温度T_空气和穿过该电池模块的电流I）、并且还 通过使用由传感器12供应的该壁的温度测量值y以校正任何可能的偏差来 形成的。

对该电池模块中的热量扩散的建模必须使得该模块足以代表真实性， 而且就用于实时实施的计算时间而言并不是高强度的。为此目的，如图3 中所展示的，该电池模块中的温度变化可以被分解成两个部分。在活性材 料（也就是这些电池单元）中，该温度可以被假定是均匀的，而热量扩散 现象（也就是该温度的下降）可以在该该封装材料中观测到。这些边缘效 应可以被忽略并且所有的对流交换可以在一个维度上成组到一起。

问题因此可以类似于半无限壁中的以一种对流交换作为限制条件的非 稳定传导的问题。由一种能量平衡（该能量平衡代表了给出随着该电池运 行中产生的这些热量流的变化而变化的温度趋势的所有等式以及傅里叶定 律表达式（由Jean-Baptiste Biot制定的表示热通量密度与温度梯度之间联 系的半经验定律））引出了总体热量传导等式。取由边界Γ包围的域D，以 作为空间极坐标的温度场T(x,t)取决于：

其中(T)指代该温度场上的这些偏导数的算符，ρc_ρ表示密度与比热容 的乘积，为流体速度场，为温度梯度，λ为热导系数，并且s为内部热 量源。这个问题要求边界r处的多个限制条件，这些限制条件可以具有两 种类型，即一种强制温度条件或一种强制通量密度条件。出于电池计算机 计算能力原因，该问题必须通过使其离散化来被简化。

为此，如图4中所展示的，该电池模块可以被一维地衔接。通过使这 个热量等式在该电池模块中限定的一种一维空间衔接的每个节点处离散 化，就建立了一种一维数学模型。各个节点是通过一个1到n之间的指数 来限定的，相对于该模块芯部的距离X从针对指数为1的节点的0变化到 针对指数为n的节点的L。本发明的一个目的因此是要根据指数为n的节 点处测量的温度的一个函数估算指数为1的节点处的温度。本申请在下文 中，术语“节点”和“点”将被可互换地使用。

在一个一维问题中，其中热传递率λ被假定成在整个域上是恒定的并且 假定在该域中不产生热量或者在该域内不存在对流交换，该公式被简化成：

其中i是图4中展示的衔接点的指数。

这两种限制条件以及每个节点处的初始温度来补充这个等式系统。这 个等式允许用多个空间导数和时间导数。这些空间导数是使用围绕所涉及 点的有限二阶展开来近似的。在间隔节距d恒定的具体情况下，前一等式 变成：

${\mathrm{\rho c}}_{\rho }\frac{{\mathrm{dT}}_i}{\mathrm{dt}}-\frac{\lambda }{d^2}(T_{i-1}-2T_i+T_{i+1})=0$

其中，作为点x₁处的限制条件

${\mathrm{\rho c}}_v\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}-\frac{\lambda }{d}(T_2-T_1)-s_i=0,$

其中s_i=aRP是该节点的热量产生（焦耳效应）的等价，并且作为点 x_n处的限制条件

${\mathrm{\rho c}}_{\rho }\frac{{\mathrm{dT}}_n}{\mathrm{dt}}-\frac{X}{d}(T_{n-1}-T_n)+h_e(T_n-T_{\mathrm{air}})=0,$

其中h_e是D与外界之间的边界处的传递系数（n是离散点的序数）。

前一公式的热量弱等式能够以如下线性系统状态形式表示：

y是由该壁的外侧上的传感器测量的温度。根据本发明在模型中存在 能量平衡使之有可能结合周围大气的温度趋势以及该电池模块的这些端子 处的电流来进行电池模块10中的热量扩散的模拟，以便作为模块20的输 出而供应该电池模块10的外壁13上的一个温度估算值。

前述模型于是用作该处理模块20（观测器）的基础。然而，有必要作 出一定校正以检查收敛性（信息的有效性）。这个细微差别是由模型输出 f与温度传感器12供应的壁上温度测量值y之间测量到的差来提供的。该 观测器的等式于是被写成：

其中变量上的符号^表示来自该观测器的所述变量的估算值，K是确保 该观测器在一个有限时间内的收敛性的一个增益矩阵，并且y是由该壁上 的温度传感器12给出的值。的值表示由处理模块20（观测器）作为一个 输出信号而供应的该电池模块芯部处的温度估算值。这个估算值可以被认 为是这些电荷蓄积元件的内部温度的一个可靠值。该处理模块（观测器） 因此使之有可能模仿定位在这个点处的一个温度传感器。

一个控制模块能够确切地使用来自该处理模块20的输出信号以用于 处理该电池能量管理。例如，该控制模块能够响应于由处理模块20产生的 输出信号来控制对该电池的冷却。

借助于本发明的方法获得的该电池的这些元件的内部温度的估算值是 特别有利的，原因是该估算值构成了该电池在该车辆的整个运行里程内有 效并且安全运行能力的保证。在实践中，由该处理模块（观测器）供应的 信息相对大地增强了对这些电池模块的内部温度的了解。与不具有该观测 器的电池相比，该观测器供应的信息因此使之有可能改善该电池的可供使 用性。此外，由于该电池的内部参数是取决于该电池的这些元件的温度的， 由该观测器供应的信息使之有可能更好地估算这些参数、并且由此提高了 可靠性以及电动车辆和混合动力车辆的里程。