用于電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)熱管理的優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在標(biāo)稱和極端操作條件管理電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)的表面溫度和核心溫度的優(yōu)化方法。對(duì)于涉及混合動(dòng)力車輛和電動(dòng)車的應(yīng)用，必須控制組成系統(tǒng)的元件的表面處和核心中的熱狀態(tài)（T），以便防止熱失控、著火、和爆炸的任何風(fēng)險(xiǎn)。使用電池的電、熱和熱化學(xué)失控模型，來(lái)執(zhí)行不可直接測(cè)量的內(nèi)部特性的重建，這些內(nèi)部特性諸如這些元件的核心中的溫度。使用具有集中參數(shù)（0D）的模型，該方法可與電池自身的操作（實(shí)時(shí)地）一起同步使用，或者例如在能量和熱管理策略的校準(zhǔn)、優(yōu)化或驗(yàn)證的環(huán)境內(nèi)離線地使用該方法。該方法可模擬電池的熱、電、和熱化學(xué)失控行為，并且所述方法還可被用于調(diào)整電池的大小。
【專利說(shuō)明】用于電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)熱管理的優(yōu)化方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種估算用于電能存儲(chǔ)的電化學(xué)系統(tǒng)的組成元件的核心溫度的方法，該電化學(xué)系統(tǒng)是電池類型的，其中該核心溫度不可直接測(cè)量，本發(fā)明還涉及一種電池管理系統(tǒng)。
[0002]該方法允許對(duì)電化學(xué)電池的管理，特別是當(dāng)電化學(xué)電池在標(biāo)稱操作條件或者在極端操作條件下被用于混合動(dòng)力車或電動(dòng)車中、或者被用于與生產(chǎn)間歇式能量(諸如風(fēng)能或太陽(yáng)能)有關(guān)的任何其他存儲(chǔ)應(yīng)用中時(shí)。存儲(chǔ)系統(tǒng)的標(biāo)稱操作條件由制造商定義，制造商指定了允許電池安全使用的電壓、電流、和溫度范圍。極端條件對(duì)應(yīng)于標(biāo)稱條件之外的操作，即，處于涉及熱失控問(wèn)題的電壓和/或溫度和/或電流電平。
[0003]根據(jù)本發(fā)明的方法允許模擬電池的內(nèi)部熱失控、電失控、和熱化學(xué)失控行為。內(nèi)部熱特性和化學(xué)特性的重建，即從電池的表層到核心，允許在標(biāo)稱和極端操作條件下對(duì)系統(tǒng)的射流冷卻的實(shí)時(shí)控制，通過(guò)激活特定安全裝置以便于防止或限制熱失控。
[0004]該方法在離線時(shí)也可有用，特別是根據(jù)有關(guān)應(yīng)用來(lái)調(diào)整電池的大小以及優(yōu)化能量和熱量管理策略，從而限制由高內(nèi)部熱梯度所引起的元件老化，以及避免可導(dǎo)致熱失控和爆炸的極端操作條件。
[0005]電化學(xué)電池是混合動(dòng)力車輛或電動(dòng)車中最關(guān)鍵的組件中的一個(gè)重要組件。特別對(duì)于鋰離子技術(shù)，必須遵守由制造商所定義的電池電壓和溫度操作窗，從而保證電化學(xué)系統(tǒng)的性能和安全性。由于元件的電壓產(chǎn)生于導(dǎo)電材料中的電子運(yùn)動(dòng)，諸如流形運(yùn)動(dòng)(manifold)，本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為電壓是在元件中均勻的特性。另一方面，由于熱傳播現(xiàn)象并不非?？焖?，在電池的使用期間，元件的溫度不是均勻特性。
[0006]電池的初始熱狀態(tài)覆蓋了較寬的溫度范圍，取決于外部溫度，一般在_40°C到+70°C之間。操作期間的熱狀態(tài)因變于在充電和放電條件下的電池消耗、電池的設(shè)計(jì)和環(huán)境下而發(fā)展。普通的熱狀態(tài)估算器被限于用位于單元電池表面或者位于單元電池之間的連接上的熱電偶進(jìn)行測(cè)量。然而，從未有效地了解單元電池的核心溫度。對(duì)表面和核心的熱狀態(tài)的更精確和可靠的估算將帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)，因此使得車輛的監(jiān)管者能夠防止關(guān)于系統(tǒng)中心內(nèi)的核心溫度的安全性超過(guò)率。事實(shí)上，在操作期間，在用于電能存儲(chǔ)的電化學(xué)包的組成單元電池的表面和核心之間產(chǎn)生了較高的熱梯度。臨界電流操作條件和不適當(dāng)?shù)臒嵴{(diào)節(jié)可引起系統(tǒng)內(nèi)非常高的熱梯度，并且導(dǎo)致熱失控、著火、或者甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。除了這些安全方面之外，對(duì)內(nèi)部熱梯度的控制將有利地允許減少這些元件的老化并且增加它們的壽命。
[0007]對(duì)車輛適當(dāng)?shù)牟僮骰谥悄茈姵毓芾硐到y(tǒng)(通常稱為BMS)，該系統(tǒng)通過(guò)在各種電和熱的動(dòng)態(tài)負(fù)載水平之間的最佳折衷，完全安全地操作電池。
[0008]BMS具有多種功能:它在單元電池和/或模塊級(jí)別執(zhí)行電流、電壓、和表面溫度的測(cè)量，它估算充電狀態(tài)(SoC)、健康狀態(tài)(SoH)，并且從這些測(cè)量和估算來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算可用的能量和功率，它定義進(jìn)入和離開(kāi)電池的電流閾值，它控制冷卻，且最終它(例如，通過(guò)激活/去活一些模塊)完成某些安全任務(wù)。準(zhǔn)確且可靠地了解充電狀態(tài)(SoC)、健康狀態(tài)(SoH)和熱狀態(tài)(T )，對(duì)于BMS是必不可少的。[0009]電池的充電狀態(tài)是它的可用容量(表達(dá)為它的標(biāo)稱容量的百分比)。了解SoC允許估算電池在給定電流可繼續(xù)提供能量多久，或者它可吸收能量多久。這個(gè)信息影響了車輛的操作，并且特別是影響了在它的組件之間的能量管理。
[0010]在電池的壽命期間，由于使用期間發(fā)生的物理和化學(xué)的變化，它的性能趨于逐漸劣化，直到電池變得不可用。健康狀態(tài)(SoH)是再充電之后的可用容量(以Ah表達(dá))，其因此是對(duì)于事實(shí)上已經(jīng)達(dá)到的電池的生命周期中的點(diǎn)的測(cè)量。
[0011]常規(guī)地通過(guò)測(cè)量表面溫度而給出熱狀態(tài)(T )?！颈尘凹夹g(shù)】
[0012]通過(guò)電池管理系統(tǒng)或BMS來(lái)提供在標(biāo)稱和極端條件下的電池的安全操作。在它的功能之中，它根據(jù)在單元電池和/或模塊級(jí)所收集的電流、電壓、和表面溫度測(cè)量來(lái)激活/去活例如一些模塊，來(lái)控制電池的冷卻并且完成特定的安全任務(wù)。至今，還沒(méi)有裝備有用于直接測(cè)量核心溫度的溫度檢測(cè)器(例如熱電偶)的商品化元件。因此，由于元件內(nèi)的放熱熱化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量必須散播至壁部并且產(chǎn)生將由BMS檢測(cè)的顯著加熱，因此無(wú)法與電池操作同步地預(yù)見(jiàn)熱失控初始的檢測(cè)。
[0013]常規(guī)地使用離線熱模型來(lái)執(zhí)行電池核心中的熱狀態(tài)估算，但是熱平衡很不完整。例如，文件EP-1，816，700AI僅考慮了歸因于焦耳效應(yīng)的歐姆損失。
[0014]如今，用于電能存儲(chǔ)的電化學(xué)系統(tǒng)具有直接依賴于存儲(chǔ)化學(xué)能形式的電能的電極材料的物理、化學(xué)、和電化學(xué)性質(zhì)的熱行為。這些電化學(xué)反應(yīng)能夠是吸熱或者放熱的。
[0015]文件EP-880，710 (飛利浦)描述了電池的電和熱數(shù)學(xué)模型的使用，然而這個(gè)模型沒(méi)有考慮在涉及熱失控現(xiàn)象時(shí)的極端條件下的電池行為。
[0016]因此，所討論的現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有描述特別是包括優(yōu)化的熱平衡和對(duì)熱化學(xué)失控動(dòng)力學(xué)的描述的方法，從而在任何時(shí)間從已知的內(nèi)部化學(xué)濃度來(lái)估算系統(tǒng)的核心溫度，然后控制并管理系統(tǒng)冷卻環(huán)路內(nèi)的熱傳遞，并且預(yù)見(jiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。
[0017]發(fā)明描述
[0018]發(fā)明概沭
[0019]本發(fā)明涉及一種估算可充電電化學(xué)系統(tǒng)的熱狀態(tài)的改進(jìn)的方法，該可充電電化學(xué)系統(tǒng)包括電極、分離器、和電解質(zhì)，其中:
[0020]一表示所述系統(tǒng)的物理量的至少一個(gè)參數(shù)的至少一個(gè)輸入信號(hào)是可用的，
[0021]一用集中參數(shù)(OD)建立所述系統(tǒng)的電化學(xué)和熱模型，其中這些參數(shù)在這些電極和該分離器內(nèi)是均勻的，電化學(xué)和熱模型包括對(duì)于發(fā)生在每個(gè)電極與該電解質(zhì)之間的界面處、且考慮了界面濃度的電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)的至少一個(gè)數(shù)學(xué)表示、在每個(gè)電極處的雙層容量中的電荷空間積累的數(shù)學(xué)表示、在每個(gè)電極處電荷重新分布的數(shù)學(xué)表示、該電解質(zhì)的離子電荷散播通過(guò)這些電極和該分離器的數(shù)學(xué)表示，
[0022]一從所述模型中，我們建立了:
[0023]?在系統(tǒng)的所有相中的材料平衡，
[0024]?所述系統(tǒng)的電勢(shì)的整體電平衡，
[0025]?所述系統(tǒng)的能量平衡，包括優(yōu)化的熱平衡，該優(yōu)化的熱平衡考慮了用于計(jì)算核心溫度的、所述電化學(xué)系統(tǒng)的表面與核心之間的散熱現(xiàn)象，[0026]一計(jì)算系統(tǒng)所有內(nèi)部電化學(xué)變量隨時(shí)間的變化，并且通過(guò)將該模型應(yīng)用至該輸入信號(hào)來(lái)生成至少一個(gè)輸出信號(hào)，來(lái)估算該系統(tǒng)的該心和表面熱狀態(tài)。
[0027]優(yōu)選地，還為該系統(tǒng)的各元件建立了熱化學(xué)失控平衡，其考慮了因變于該系統(tǒng)的各組成元件的材料的熱分解反應(yīng)的活性物質(zhì)消耗的發(fā)展。
[0028]有利地，優(yōu)化的熱平衡允許通過(guò)偽ID方法在系統(tǒng)的各組成元件內(nèi)計(jì)算該系統(tǒng)的核心溫度，該方法考慮了在環(huán)境溫度下通過(guò)電化學(xué)系統(tǒng)的凈熱通量以及該系統(tǒng)的熱阻特性。
[0029]優(yōu)選地，該系統(tǒng)的核心溫度Tint由下式給出:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種估計(jì)估算可充電電化學(xué)系統(tǒng)的熱狀態(tài)的改進(jìn)方法，所述系統(tǒng)包括電極、分離器、和電解質(zhì)，其中: 一表示所述系統(tǒng)的物理量的至少一個(gè)參數(shù)的至少一個(gè)輸入信號(hào)是可用的， 一用集中參數(shù)(OD)建立所述系統(tǒng)的電化學(xué)和熱模型，其中在所述電極和所述分離器內(nèi)這些參數(shù)是均勻的，所述電化學(xué)和熱模型包括發(fā)生在每個(gè)電極與所述電解質(zhì)之間的界面且考慮了界面濃度的電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)的至少一個(gè)數(shù)學(xué)表示、在每個(gè)電極處的雙層容量中的電荷空間積累的數(shù)學(xué)表示、在每個(gè)電極處電荷重新分布的數(shù)學(xué)表示、通過(guò)所述電極和所述分離器的電解質(zhì)離子電荷的傳播的數(shù)學(xué)表示， 一從所述模型中，我們建立了: ?在系統(tǒng)的所有相中的材料平衡， ?所述系統(tǒng)的電勢(shì)的整體電平衡， ?所述系統(tǒng)的能量平衡，包括優(yōu)化的熱平衡，所述優(yōu)化的熱平衡考慮了用于計(jì)算核心溫度的在所述電化學(xué)系統(tǒng)的表面與核心之間的散熱現(xiàn)象， 一計(jì)算了所述系統(tǒng)的所有內(nèi)部電化學(xué)變量隨時(shí)間的變化，并且通過(guò)將所述模型應(yīng)用至所述輸入信號(hào)來(lái)生成至少一個(gè)輸出信號(hào)，來(lái)估算所述系統(tǒng)的核心和表面熱狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還為所述系統(tǒng)的元件建立熱化學(xué)失控平衡，其考慮了活性品類消耗因變于所述系統(tǒng)的這些組成元件的材料的熱分解反應(yīng)的發(fā)展。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述優(yōu)化的熱平衡允許在所述系統(tǒng)的所述組成元件內(nèi)通過(guò)偽ID方法計(jì)算所述系統(tǒng)的核心溫度，所述方法考慮了在環(huán)境溫度下通過(guò)電化學(xué)系統(tǒng)的凈熱通量以及所`述系統(tǒng)的熱阻特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)的核心溫度Tint由下式給出: / \ / \ rP 1-T "、I I DiPiraiseni^ ) τ/#、ψ!?ι(^)(容) 1 ) -1SllliW 1 + r,i,m.............:::.............zrr: - ￥) τζ.........................z:7:r 其中Tsm是所述系統(tǒng)的表面溫度， Rtlunt是所述系統(tǒng)的熱阻特性， ?Ptra/ge.,是通過(guò)電池的凈熱通量，其計(jì)算為內(nèi)部與外部通量之間的差異，即V=fgea - ftra?所述內(nèi)部熱通量由電化學(xué)電池的活動(dòng)以及以溫度Ta傳遞至周圍空氣的通量而生成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)模型，通過(guò)確定所述電解質(zhì)中電荷載流子最大濃度的減少以及所述電化學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)阻的增加，考慮了所述電化學(xué)系統(tǒng)的老化。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中由熱力學(xué)(Nernst、Margules、VanLaar> Redlich-Kister)數(shù)學(xué)關(guān)系或分析(例如,多項(xiàng)式、指數(shù))數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)描述每個(gè)電極的熱力學(xué)平衡電勢(shì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述電化學(xué)系統(tǒng)的電勢(shì)、和/或充電狀態(tài)、和/或健康狀態(tài)、和/或表面和核心溫度被記錄為輸出信號(hào)。
8.一種用于管理可充電電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)的智能系統(tǒng)，所述電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)包括電極、分離器、和電解質(zhì)，所述智能系統(tǒng)包括: 一輸入裝置，連接至所述電化學(xué)系統(tǒng)上的測(cè)量裝置，意在接收表示所述電化學(xué)系統(tǒng)的物理量的至少一個(gè)參數(shù)的輸入值， 一處理裝置，用于生成通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的方法所計(jì)算的至少一個(gè)特性的至少一個(gè)輸出信號(hào)， 一信息/控制裝置，用于響應(yīng)于所述處理裝置和/或比較裝置的輸出信號(hào)，來(lái)提供關(guān)于所述電化學(xué)系統(tǒng)的所述物理量的信息，和/或控制電化學(xué)系統(tǒng)的充電/放電、和/或冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的管理系統(tǒng)，其中所述處理裝置包括遞歸濾波器。
10.在操作中，對(duì)于所述可充電電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)的板上控制和實(shí)時(shí)能量管理的根據(jù)權(quán)利要求8和9中的任一項(xiàng)所述的管理系統(tǒng)的使用。
11.根據(jù)權(quán)利要求8和9中的任一項(xiàng)所述的管理系統(tǒng)用于充電器/放電器的控制和管理的使用。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的方法用于電化學(xué)電池的離線調(diào)整大小的使用。
13.一種可充電電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)在標(biāo)稱和極端條件下的電和熱行為的模擬器，該模擬器包括: 一輸入裝置，意在接收表示 所述電化學(xué)系統(tǒng)的物理量的至少一個(gè)參數(shù)的輸入值，一處理裝置，用于生成通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的方法所計(jì)算的至少一個(gè)輸出特性。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103502829SQ201280021564
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月4日
【發(fā)明者】E·普拉達(dá), V·索旺特-穆瓦諾 申請(qǐng)人:Ifp新能源公司