具有帶有外部的和集成的溫度傳感器的蓄電池單池的蓄電池和用於使蓄電池運行的方法

2023-05-20 16:18:06 3

具有帶有外部的和集成的溫度傳感器的蓄電池單池的蓄電池和用於使蓄電池運行的方法
【專利摘要】本發明涉及一種蓄電池(200)，其包括具有殼體(70)的至少一個蓄電池單池(100)、設置在蓄電池殼體(70)外面的第一溫度傳感器(120)和設置在蓄電池殼體(70)內部的第二溫度傳感器(20)，在該殼體中設置有電極裝置(10)。在此，第二溫度傳感器(20)的溫度動態性(ΔT/dt)高於第一溫度傳感器(120)的溫度動態性。此外涉及一種具有依據本發明的蓄電池單池(200)的機動車。
【專利說明】具有帶有外部的和集成的溫度傳感器的蓄電池單池的蓄電池和用於使蓄電池運行的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有蓄電池單池的蓄電池，優選是鋰離子蓄電池，在該蓄電池中設置外部的和蓄電池單池內部的溫度傳感器。
【背景技術】
[0002]在將來，無論在靜態的應用中還是在例如混合動力車輛和電動車輛的車輛中，會越來越大範圍地使用蓄電池系統。尤其是越來越多的蓄電池作為牽引蓄電池用於混合動力車輛和電動車輛並因此用於電驅動裝置的供電。圖1示出了現有技術的這種蓄電池200。該蓄電池包括具有殼體70和單池芯的蓄電池單池100，單池芯包括用於產生能量的電極裝置10。
[0003]為使蓄電池200運行使用數學的蓄電池模型。但在此動態的蓄電池單池性能的內電阻和時間常數在負荷下強烈地取決於其內發生化學反應的單池芯內的溫度。由於負荷造成的熱產品，在單池芯內的溫度能夠迅速變化。
[0004]按照現有技術，蓄電池單池的溫度測量藉助大多安裝在殼體上的溫度傳感器進行。如DE19961311A1公開了一種藉助蓄電池夾子從外面固定在蓄電池上的溫度傳感器。取決於溫度的蓄電池模型參數於是離線地或在線地反映出殼體溫度。但殼體外部溫度既不對應於在電極裝置上的殼體內部的芯部溫度，它與這種芯部溫度也沒有明確的聯繫。因此蓄電池殼體上的芯部溫度的變化由於單池內部和向外的熱接觸電阻而受到阻礙或根本不能測量。
[0005]在單池芯內的實際溫度的不準確的獲取導致蓄電池的運行狀態的取決於溫度的蓄電池模型內的不準確性。蓄電池模型既能夠在用於監測和控制蓄電池的運行的蓄電池控制裝置內使用，也能夠在離線模擬中的蓄電池外部使用。
[0006]由DE10056972A1已知一種蓄電池單池,其中用於確定蓄電池溫度的傳感器設置在蓄電池單池的殼體內。溫度傳感器被構造為溫度探頭並通過電的導線與蓄電池殼體的外部區域連接。在蓄電池單池的內部的例如包含傳統三維結構的NTC測量單元的常用的測量探頭的結構雖然能夠獲取單池芯溫度，但通過獲取和分析單元以及信號導線卻影響蓄電池內的熱傳導和熱流動。
[0007]此外，Makrinwa和Snoei j (「A CMO S Temperature-to-Frequency Converter Withan Inaccuracy of Less Than+-0.5°C (3 σ )From-40°C tol05°C，，, K.A.A.Makinwa,Marti jnF.Snoeij, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.41, N0.12, December2006,p.2992-2997)公開了一種以標準CMOS方法實現的溫度-頻率轉換器。
[0008]此外，也能夠包含用於冷卻蓄電池單池的冷卻裝置。然後能夠將另一溫度傳感器設置在冷卻裝置內。
[0009]按照現有技術，無論是殼體上的溫度傳感器還是冷卻裝置內的溫度傳感器，均能夠具有與其絕對的溫度測量能力相關的高精確度，但由於安裝位置和熱傳遞途徑造成測量時對蓄電池單池內部快速的溫度交變反應遲鈍。這一點導致延遲反映蓄電池單池內部的溫度上升，尤其是在安全性臨界的情況下，因為非常迅速的溫度上升會導致短路。

【發明內容】

[0010]依據本發明提供一種蓄電池，其包括具有殼體的至少一個蓄電池單池，優選為鋰離子蓄電池單池、設置在蓄電池單池殼體外面的第一溫度傳感器和設置在蓄電池單池殼體內部的第二溫度傳感器，在該殼體中設置有電極裝置。在此，第二溫度傳感器的溫度動態性高於第一溫度傳感器的溫度動態性。
[0011]有利地蓄電池能夠藉助第二溫度探頭對安全性臨界的狀態更快地做出反應。能夠測量發生化學反應的部位的溫度，即蓄電池單池殼體內部的溫度，而放熱和溫度不會受到信號導線、獲取或分析單元的影響。因此通過獲取殼體內部溫度，能夠更精確地對蓄電池控制裝置內的蓄電池模型進行參數化並出於模擬以及狀態識別和預測目的更好地進行分析處理。
[0012]依據本發明的蓄電池包括多個串聯設置的蓄電池單池，其中，多個蓄電池單池中的多個具有設置在多個蓄電池單池外面的第一溫度傳感器並且多個蓄電池單池中的至少一個具有設置在相關的蓄電池單池的殼體內部的第二溫度傳感器。
[0013]僅通過使用溫度傳感器就能夠提高蓄電池的安全性，因為安全性臨界的狀態被更加迅速地獲取。 [0014]優選地，蓄電池此外包括蓄電池控制裝置，該蓄電池控制裝置被設置用於接收和處理第一和第二溫度傳感器的溫度，還包括蓄電池分離單元，該蓄電池分離單元被設置用於在超過第二溫度傳感器的溫度動態性的閾值的情況下和/或在超過第二溫度傳感器的溫度值的情況下將蓄電池與所連接的電路分離。
[0015]此外，蓄電池控制裝置附加地或替換地被設置用於，在熱平衡的情況下，即在蓄電池的長時間的靜止階段後藉助第一溫度傳感器校準第二溫度傳感器。
[0016]第三溫度傳感器也能夠設置在蓄電池中的多個蓄電池單池的冷卻裝置中。
[0017]第一溫度傳感器優選是溫度探頭，例如熱敏電阻(NTC)或正溫度係數電阻(PTC)。這些電阻有利地具有絕對溫度值的高精確度。
[0018]第二溫度傳感器優選地被構造為差分溫度傳感器。本發明能夠實現在單池內的溫度交變的動態獲取(AT/dt)。優選地在蓄電池單池內部的第二溫度傳感器的動態值AT/dt處於0.5K/min和5K/min之間。此外第一溫度傳感器的動態值低於第二溫度傳感器的數值範圍。
[0019]弟二溫度傳感器優選地集成在微晶片內的集成電路中。在殼體內部的可集成性能夠實現成本低廉和對外部影響具有魯棒性的小的結構。
[0020]第二溫度傳感器優選包括CMOS振蕩器，即在使用CMOS技術的情況下以集成電路實現的熱振蕩器。在互補金屬-氧化物半導體(「CMOS」)中，在共同的基底上既使用P溝道場效應電晶體，也使用η溝道場效應電晶體。這種結構的優點是，它能夠直接地集成到專用集成電路(ASIC)中並且提供與溫度成比例的頻率信號。優選電熱振蕩器包括具有熱電偶的熱電堆。熱電偶與電晶體相比的優點是，它們沒有偏移，也沒有Ι/f噪聲。
[0021]在另一實施例中，第二溫度傳感器包括取決於溫度的雙極電晶體。換句話說，本發明包括在可控矽二極體特性的溫度依賴性的基礎上的集成在微晶片中的溫度傳感器，例如像帶隙溫度傳感器。在這裡第二溫度傳感器也能夠直接集成到專用集成電路(ASIC)中。
[0022]第二溫度傳感器的準數字的輸出信號在本發明的一種設計方案中藉助電力線通信(「power line communication」)從殼體輸出。傳感器由此能夠集成到單池中，而無需向外穿過殼體壁的附加的電力線。
[0023]電極裝置優選由第一和第二電極的繞組連同處於其間的分離器組成並且溫度傳感器在一種實施例中直接設置在繞組上。
[0024]電極裝置優選地與從殼體導出電極裝置的電流的至少一個集電器相連接並且溫度傳感器優選地與集電器熱耦合，更加優選地還直接設置在至少一個集電器上。溫度傳感器在本發明的一種優選的設計方案中通過電極裝置電連接到其電源供應上。因為集電器直接與單池繞組耦合併從電極裝置中量取電流，所以溫度傳感器能夠直接確定單池繞組上的溫度並同時從單池繞組中提取用於其運行的電流。
[0025]此外提供一種具有依據本發明的蓄電池的機動車，其中，蓄電池與機動車的驅動裝置相連接。
[0026]此外提供一種用於使蓄電池運行的方法，該方法包括的步驟有通過至少一個第一溫度傳感器確定多個蓄電池單池外面的溫度，確定第二溫度傳感器的溫度上升的變化，以及在超過第二溫度傳感器的溫度上升的閾值的情況下和/或在超過第二溫度傳感器的溫度的閾值的情況下將蓄電池與所連接的電路分離。
[0027]該方法此外在蓄電池的靜止階段中能夠確定第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的溫度，並在溫度值出現偏差的情況下藉助第一溫度傳感器的溫度校準第二溫度傳感器。
[0028]本發明的有利的改進在從屬權利要求中說明並在說明書中描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]下面藉助附圖和後面的說明對本發明的實施例進行進一步的說明。其中:
[0030]圖1示出了現有技術的蓄電池；
[0031]圖2示出了依據本發明的具有蓄電池單池和設置在蓄電池單池殼體內部的溫度傳感器的蓄電池；
[0032]圖3示出了依據本發明的具有冷卻裝置和第三溫度傳感器的蓄電池；以及
[0033]圖4示出了熱振蕩器的一種實施方式。
【具體實施方式】
[0034]在圖1中示出了現有技術中的蓄電池200。該蓄電池200包括蓄電池控制裝置40和具有殼體70的蓄電池單池100。在殼體70的內部設置單池芯、電極結構10。該電極裝置10優選包括通過分離器分開的第一、正的電極和第二、負的電極。電極優選利用處於其間的分離器卷繞。電極裝置10由集電器30在兩個相對的面上接觸。一個集電器30接觸第一電極11，第二集電器30接觸第二電極12。集電極30與第一和第二端子60、62連接。該端子60、62從蓄電池單池100的殼體70導出電流。通過多條電的連接導線50蓄電池控制裝置40與蓄電池單池100的端子60、62連接。蓄電池控制裝置40控制蓄電池200的運行，如充電和放電過程。在蓄電池控制裝置40內優選地實施一種蓄電池模型。該蓄電池模型用於監測蓄電池200。蓄電池200此外具有蓄電池分離單元90，其在安全性臨界的狀態下將蓄電池200與外部電路(未示出)分離。
[0035]圖2現在示出了依據本發明的蓄電池200。其基本上對應於在圖1中的現有技術的蓄電池200的結構，但在蓄電池單池100的內部具有第二溫度傳感器20。但依據本發明的蓄電池200也能夠具有優選並排設置的多個蓄電池單池100。
[0036]第二溫度傳感器20將溫度轉換成頻率，因此提供與溫度成比例的頻率信號。它包括熱振蕩器，優選地、但並非限制地該熱振蕩器藉助CMOS技術在微晶片上集成到專用集成電路中。
[0037]熱振蕩器優選是CMOS溫度-頻率轉換器，正如Makrinwa和Snoeij ( 「A CMOSTemperature-to-Frequency Converter With an Inaccuracy of Less Than+-0.5°C (3 σ)From-40°C tol05°C v, K.A.A.Makinwa, Martijn F.Snoeij, IEEE Journal of Solid-StateCircuits, Vol.41，N0.12，December2006, p.2992-2997)所公開的那樣。
[0038]有利地，準數字的輸出信號通過這種結構可以簡單地通過現有的電路從蓄電池殼體向外導出。無需通過殼體的用於電力線的附加的實施。
[0039]替選地，也能夠採用基於雙極技術的方案。然後輸出信號，優選為電壓能夠有效地進行數位化轉換。
[0040]尤其有效地，例如將如圖2所示的第二溫度傳感器20直接放置在單池繞組10上。這樣能夠直接測量電極溫度並且同時供給第二溫度傳感器20電流。第二溫度傳感器然後與第一和第二電極電連接。
[0041]在另一種設計方案中，第二溫度傳感器20也能夠直接放置在單池繞組10的至少一個集電器30上。集電器30通常具有高的熱傳導能力，其由金屬製成並因此能夠將單池繞組溫度良好地傳送到第二溫度傳感器20上。
[0042]在殼體70內部的第二溫度傳感器20也能夠從外部通過端子60、62供給電流。
[0043]所測量的第二溫度優選根據蓄電池內部存在的電力線線路(端子-集電器-電極裝置)調製。從那裡出發，然後能夠將溫度通過電力線50傳輸到蓄電池控制裝置40。溫度信息能夠電容式和電感式地通過第二溫度傳感器20的振蕩在電力線線路上的耦合從殼體70導出。振蕩在蓄電池單池100的外面與用于振蕩退耦的裝置(未示出)重新退耦並在那裡所執行的蓄電池模型內的蓄電池控制裝置40中使用。
[0044]這能夠在線地、即在蓄電池單池100運行期間進行，但也能夠離線地、在蓄電池單池100的靜止狀態下進行。在後一種情況下，於是從外部向第二溫度傳感器20供電。
[0045]在蓄電池控制裝置40內使用與蓄電池單池100的各個類型匹配的和參數化的單池模型。所測量的電流通常與所測量的溫度共同作為輸入量流入到該模型內，該模型模擬從中產生的電壓並將其與所測量的電壓進行比較，以便再校準模型參數、確定充電狀態、為電流或功率提供預測等。
[0046]如果現在要麼在線地要麼離線地，優選在兩種使用情況下，使用來自單池芯的依據本發明的溫度測量值，那麼能夠明顯更好地計算和預測單池的動態性能。
[0047]圖3此外示出了具有多個蓄電池單池100的另一種設計方案中的依據本發明的蓄電池200，其中蓄電池單池100例如從下面藉助冷卻裝置400，優選為水冷裝置400冷卻。處於冷卻裝置400內的是第三溫度傳感器220，其優選同樣是如第一溫度傳感器120那樣的溫度探頭。
[0048]第二溫度探頭的溫度依據本發明能夠有助於提高蓄電池200的安全性。
[0049]在此方面，第二溫度傳感器20的絕對精確度稍次，重要的是在檢測時間上的溫度交變時的高動態性。換句話說，第二溫度傳感器20具有比第一和/或第三溫度傳感器120、220更高的動態性。它比兩個外部的溫度傳感器120、220對溫度交變反應更快。
[0050]優選第二溫度傳感器20的絕對溫度精確度低於第一和第三溫度傳感器120、220的精確度。由此第二溫度傳感器20能夠成本低廉地構成。
[0051]如果第二溫度傳感器20集成到每個蓄電池單池100中，那麼最大程度地提高安全性。這樣能夠立即記錄每個蓄電池單池100的強烈的溫度上升。從對於AT2/dt的某個閾值起，蓄電池分離單元90打開蓄電池保護並將蓄電池200與外部的電路分離。這一點同樣優選地能夠在超過溫度T2的絕對值閾值的情況下進行。
[0052]如果第二溫度傳感器20沒有集成到每個蓄電池單池100中，那麼它會比傳統的溫度監測裝置更迅速地記錄相鄰單池100內的臨界溫度上升，因為單池芯10內的溫度最高並且溫度也比傳遞到殼體70或端子60、62上更加迅速地傳遞到單池芯10上。
[0053]在蓄電池200較長的靜止階段後，在熱平衡中第一或第三溫度傳感器的第二和/或第三溫度能夠用於平衡第二溫度傳感器20的溫度。例如然後能夠設置T2 = Tl或T2 =Tl = T3。
[0054]有利地，通過藉助絕對更加精確的第一和/或第三溫度傳感器120、220校準第二溫度傳感器20的溫度T2，能夠補償第二溫度傳感器20的這樣低的絕對精確度。
[0055]依據本發明的蓄電池控制裝置40被設置用於，在超過T2或AT2/dt的閾值時藉助第二溫度傳感器20進行校準和/或分離蓄電池200。
[0056]此外，也能夠冗餘地使用變化值ΛΤΙ/dt和/或AT3/dt以用於提高安全性。這樣第一和/或第三溫度傳感器120、220的溫度變化Λ Tl/dt和Λ T3/dt能夠用於評估蓄電池單池100內的溫度上升。因此溫度測量值T1、T2、T3和所屬的Λ T/dt能夠彼此相對地進行校準，由此能夠提高運行安全性。另一方面，能夠以更高的精確度推斷出多個單池的單池芯溫度，該多個單池不具有集成的溫度探頭。
[0057]圖4示出了本發明所使用的熱振蕩器300的一個實施例。熱振蕩器300包括電熱濾波器320，該電熱濾波器包括加熱元件326和具有不同熱電偶324的熱電堆322。熱電偶322在此被實施為薄層結構。它們能夠例如是P+擴散/鋁熱電偶324。熱電偶324與電晶體或電阻相比的優點是，它們沒有偏移和Ι/f噪聲。熱振蕩器此外包括乘法器340、積分器360和電壓控制的振蕩器380。熱電堆320、加熱元件326和電壓控制的振蕩器380通過反饋迴路與乘法器連接。電熱濾波器320的相移因此確定電壓控制的振蕩器380的頻率。電熱濾波器320的相移通過加熱元件326上產生的熱脈衝(短時間的溫度上升)與識別或返迴轉換到熱電堆322上的電壓脈衝之間的延遲產生。這種相移取決於基底的基本溫度，在該基底上構成熱振蕩器，該基底也吸收周圍溫度。由此熱振蕩器300的振蕩頻率取決於蓄電池單池100的溫度。
【權利要求】
1.一種蓄電池(200)，其包括具有殼體(70)的至少一個蓄電池單池(100)、設置在蓄電池單池殼體(70)外面的第一溫度傳感器(120)和設置在所述蓄電池單池殼體(70)內部的第二溫度傳感器(20)，在所述殼體中設置有電極裝置(10)，其中，所述第二溫度傳感器(20)的溫度動態性(ΛΤ/dt)高於所述第一溫度傳感器(120)的溫度動態性。
2.根據權利要求1所述的蓄電池(200)，其包括串聯設置的多個蓄電池單池(100)，其中，所述多個蓄電池單池(100)中的多個具有設置在所述多個蓄電池單池(100)外面的第一溫度傳感器(120)並且所述多個蓄電池單池(100)中的至少一個蓄電池單池具有設置在相關的蓄電池單池(100)的所述殼體(70)內部的第二溫度傳感器(20)。
3.根據權利要求1或2所述的蓄電池(200)，其中，所述第二溫度傳感器(20)包括將溫度轉換成頻率的電熱振蕩器(300)，優選是差分溫度傳感器。
4.根據權利要求3所述的蓄電池單池(100)，其中，所述第二溫度傳感器(20)具有在0.5K/min和5K/min之間的溫度動態性(Λ T/dt)。
5.根據前述權利要求之一所述的蓄電池單池(100)，其中，所述第二溫度傳感器(20)集成在微晶片內的集成電路中。
6.根據前述權利要求之一所述的蓄電池(200)，其中，所述第一溫度傳感器(120)是溫度探頭。
7.根據前述權利要求之一所述的蓄電池(200)，其還包括蓄電池控制裝置(40)，所述蓄電池控制裝置被設置用於接收和處理所述第一和所述第二溫度傳感器(120、20)的溫度，還包括蓄電池分離單元(90)，所述蓄電池分離單元被設置用於在超過所述第二溫度傳感器(20)的所述溫度動態性(AT2Mt)的閾值的情況下和/或在超過所述第二溫度傳感器(20)的溫度值(T2)的情況下將所述蓄電池(200)與電源分離。
8.根據權利要求7所述的蓄電池(200)，其中，所述蓄電池控制裝置(40)還被設置用於，在熱平衡的情況下藉助於所述第一溫度傳感器(120)校準所述第二溫度傳感器(20)。
9.根據前述權利要求之一所述的蓄電池(200)，其中，在所述蓄電池(200)中的所述多個蓄電池單池(100)的冷卻裝置(400)中還設置有第三溫度傳感器(220)。
10.一種機動車，其具有根據前述權利要求之一所述的蓄電池(200)，其中，所述蓄電池(200)與所述機動車的驅動裝置相連接。
11.一種用於使根據權利要求1至9之一所述的蓄電池(200)運行的方法，包括以下步驟: 通過至少一個第一溫度傳感器(120)確定多個蓄電池單池(100)外面的溫度； 確定第二溫度傳感器(20)的溫度上升(AT2Mt)的變化；以及在超過所述第二溫度傳感器(20)的所述溫度上升(AT2Mt)的閾值的情況下和/或在超過所述第二溫度傳感器(20)的溫度(T2)的閾值的情況下將所述蓄電池(200)與所連接的電路分離。
12.根據權利要求11所述的用於使蓄電池(200)運行的方法，此外包括以下步驟: 在所述蓄電池(200)的靜止階段中，確定所述第一溫度傳感器(120)和所述第二溫度傳感器(20)的溫度；並在溫度值出現偏差的情況下藉助於所述第一溫度傳感器(120)的所述溫度校準所述第二溫度傳感器。
【文檔編號】H01M10/42GK103988358SQ201280056363
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年11月12日 優先權日:2011年11月18日
【發明者】E·賴侖, J·施耐德, A·霍伊布內爾, C·潘克伊維茨, F·亨裡齊, P·菲舍爾 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社