用于电化学存储系统热管理的优化方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在标称和极端操作条件管理电化学存储系统的表面温度和核心温度的优化方法。对于涉及混合动力车辆和电动车的应用，必须控制组成系统的元件的表面处和核心中的热状态（T），以便防止热失控、着火、和爆炸的任何风险。使用电池的电、热和热化学失控模型，来执行不可直接测量的内部特性的重建，这些内部特性诸如这些元件的核心中的温度。使用具有集中参数（0D）的模型，该方法可与电池自身的操作（实时地）一起同步使用，或者例如在能量和热管理策略的校准、优化或验证的环境内离线地使用该方法。该方法可模拟电池的热、电、和热化学失控行为，并且所述方法还可被用于调整电池的大小。
【专利说明】用于电化学存储系统热管理的优化方法
发明领域
[0001]本发明涉及一种估算用于电能存储的电化学系统的组成元件的核心温度的方法，该电化学系统是电池类型的，其中该核心温度不可直接测量，本发明还涉及一种电池管理系统。
[0002]该方法允许对电化学电池的管理，特别是当电化学电池在标称操作条件或者在极端操作条件下被用于混合动力车或电动车中、或者被用于与生产间歇式能量(诸如风能或太阳能)有关的任何其他存储应用中时。存储系统的标称操作条件由制造商定义，制造商指定了允许电池安全使用的电压、电流、和温度范围。极端条件对应于标称条件之外的操作，即，处于涉及热失控问题的电压和/或温度和/或电流电平。
[0003]根据本发明的方法允许模拟电池的内部热失控、电失控、和热化学失控行为。内部热特性和化学特性的重建，即从电池的表层到核心，允许在标称和极端操作条件下对系统的射流冷却的实时控制，通过激活特定安全装置以便于防止或限制热失控。
[0004]该方法在离线时也可有用，特别是根据有关应用来调整电池的大小以及优化能量和热量管理策略，从而限制由高内部热梯度所引起的元件老化，以及避免可导致热失控和爆炸的极端操作条件。
[0005]电化学电池是混合动力车辆或电动车中最关键的组件中的一个重要组件。特别对于锂离子技术，必须遵守由制造商所定义的电池电压和温度操作窗，从而保证电化学系统的性能和安全性。由于元件的电压产生于导电材料中的电子运动，诸如流形运动(manifold)，本领域技术人员认为电压是在元件中均匀的特性。另一方面，由于热传播现象并不非常快速，在电池的使用期间，元件的温度不是均匀特性。
[0006]电池的初始热状态覆盖了较宽的温度范围，取决于外部温度，一般在_40°C到+70°C之间。操作期间的热状态因变于在充电和放电条件下的电池消耗、电池的设计和环境下而发展。普通的热状态估算器被限于用位于单元电池表面或者位于单元电池之间的连接上的热电偶进行测量。然而，从未有效地了解单元电池的核心温度。对表面和核心的热状态的更精确和可靠的估算将带来许多优点，因此使得车辆的监管者能够防止关于系统中心内的核心温度的安全性超过率。事实上，在操作期间，在用于电能存储的电化学包的组成单元电池的表面和核心之间产生了较高的热梯度。临界电流操作条件和不适当的热调节可引起系统内非常高的热梯度，并且导致热失控、着火、或者甚至爆炸的风险。除了这些安全方面之外，对内部热梯度的控制将有利地允许减少这些元件的老化并且增加它们的寿命。
[0007]对车辆适当的操作基于智能电池管理系统(通常称为BMS)，该系统通过在各种电和热的动态负载水平之间的最佳折衷，完全安全地操作电池。
[0008]BMS具有多种功能:它在单元电池和/或模块级别执行电流、电压、和表面温度的测量，它估算充电状态(SoC)、健康状态(SoH)，并且从这些测量和估算来实时计算可用的能量和功率，它定义进入和离开电池的电流阈值，它控制冷却，且最终它(例如，通过激活/去活一些模块)完成某些安全任务。准确且可靠地了解充电状态(SoC)、健康状态(SoH)和热状态(T )，对于BMS是必不可少的。[0009]电池的充电状态是它的可用容量(表达为它的标称容量的百分比)。了解SoC允许估算电池在给定电流可继续提供能量多久，或者它可吸收能量多久。这个信息影响了车辆的操作，并且特别是影响了在它的组件之间的能量管理。
[0010]在电池的寿命期间，由于使用期间发生的物理和化学的变化，它的性能趋于逐渐劣化，直到电池变得不可用。健康状态(SoH)是再充电之后的可用容量(以Ah表达)，其因此是对于事实上已经达到的电池的生命周期中的点的测量。
[0011]常规地通过测量表面温度而给出热状态(T )。【背景技术】
[0012]通过电池管理系统或BMS来提供在标称和极端条件下的电池的安全操作。在它的功能之中，它根据在单元电池和/或模块级所收集的电流、电压、和表面温度测量来激活/去活例如一些模块，来控制电池的冷却并且完成特定的安全任务。至今，还没有装备有用于直接测量核心温度的温度检测器(例如热电偶)的商品化元件。因此，由于元件内的放热热化学反应所产生的热量必须散播至壁部并且产生将由BMS检测的显著加热，因此无法与电池操作同步地预见热失控初始的检测。
[0013]常规地使用离线热模型来执行电池核心中的热状态估算，但是热平衡很不完整。例如，文件EP-1，816，700AI仅考虑了归因于焦耳效应的欧姆损失。
[0014]如今，用于电能存储的电化学系统具有直接依赖于存储化学能形式的电能的电极材料的物理、化学、和电化学性质的热行为。这些电化学反应能够是吸热或者放热的。
[0015]文件EP-880，710 (飞利浦)描述了电池的电和热数学模型的使用，然而这个模型没有考虑在涉及热失控现象时的极端条件下的电池行为。
[0016]因此，所讨论的现有技术没有描述特别是包括优化的热平衡和对热化学失控动力学的描述的方法，从而在任何时间从已知的内部化学浓度来估算系统的核心温度，然后控制并管理系统冷却环路内的热传递，并且预见安全风险。
[0017]发明描述
[0018]发明概沭
[0019]本发明涉及一种估算可充电电化学系统的热状态的改进的方法，该可充电电化学系统包括电极、分离器、和电解质，其中:
[0020]一表示所述系统的物理量的至少一个参数的至少一个输入信号是可用的，
[0021]一用集中参数(OD)建立所述系统的电化学和热模型，其中这些参数在这些电极和该分离器内是均匀的，电化学和热模型包括对于发生在每个电极与该电解质之间的界面处、且考虑了界面浓度的电化学反应的动力学的至少一个数学表示、在每个电极处的双层容量中的电荷空间积累的数学表示、在每个电极处电荷重新分布的数学表示、该电解质的离子电荷散播通过这些电极和该分离器的数学表示，
[0022]一从所述模型中，我们建立了:
[0023]?在系统的所有相中的材料平衡，
[0024]?所述系统的电势的整体电平衡，
[0025]?所述系统的能量平衡，包括优化的热平衡，该优化的热平衡考虑了用于计算核心温度的、所述电化学系统的表面与核心之间的散热现象，[0026]一计算系统所有内部电化学变量随时间的变化，并且通过将该模型应用至该输入信号来生成至少一个输出信号，来估算该系统的该心和表面热状态。
[0027]优选地，还为该系统的各元件建立了热化学失控平衡，其考虑了因变于该系统的各组成元件的材料的热分解反应的活性物质消耗的发展。
[0028]有利地，优化的热平衡允许通过伪ID方法在系统的各组成元件内计算该系统的核心温度，该方法考虑了在环境温度下通过电化学系统的净热通量以及该系统的热阻特性。
[0029]优选地，该系统的核心温度Tint由下式给出:
[0030]
【权利要求】
1.一种估计估算可充电电化学系统的热状态的改进方法，所述系统包括电极、分离器、和电解质，其中: 一表示所述系统的物理量的至少一个参数的至少一个输入信号是可用的， 一用集中参数(OD)建立所述系统的电化学和热模型，其中在所述电极和所述分离器内这些参数是均匀的，所述电化学和热模型包括发生在每个电极与所述电解质之间的界面且考虑了界面浓度的电化学反应的动力学的至少一个数学表示、在每个电极处的双层容量中的电荷空间积累的数学表示、在每个电极处电荷重新分布的数学表示、通过所述电极和所述分离器的电解质离子电荷的传播的数学表示， 一从所述模型中，我们建立了: ?在系统的所有相中的材料平衡， ?所述系统的电势的整体电平衡， ?所述系统的能量平衡，包括优化的热平衡，所述优化的热平衡考虑了用于计算核心温度的在所述电化学系统的表面与核心之间的散热现象， 一计算了所述系统的所有内部电化学变量随时间的变化，并且通过将所述模型应用至所述输入信号来生成至少一个输出信号，来估算所述系统的核心和表面热状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还为所述系统的元件建立热化学失控平衡，其考虑了活性品类消耗因变于所述系统的这些组成元件的材料的热分解反应的发展。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述优化的热平衡允许在所述系统的所述组成元件内通过伪ID方法计算所述系统的核心温度，所述方法考虑了在环境温度下通过电化学系统的净热通量以及所`述系统的热阻特性。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述系统的核心温度Tint由下式给出: / \ / \ rP 1-T "、I I DiPiraiseni^ ) τ/#、ψ!?ι(^)(容) 1 ) -1SllliW 1 + r,i,m.............:::.............zrr: - ￥) τζ.........................z:7:r 其中Tsm是所述系统的表面温度， Rtlunt是所述系统的热阻特性， ?Ptra/ge.,是通过电池的净热通量，其计算为内部与外部通量之间的差异，即V=fgea - ftra?所述内部热通量由电化学电池的活动以及以温度Ta传递至周围空气的通量而生成。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电化学模型，通过确定所述电解质中电荷载流子最大浓度的减少以及所述电化学系统的内阻的增加，考虑了所述电化学系统的老化。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中由热力学(Nernst、Margules、VanLaar> Redlich-Kister)数学关系或分析(例如,多项式、指数)数学关系来描述每个电极的热力学平衡电势。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中所述电化学系统的电势、和/或充电状态、和/或健康状态、和/或表面和核心温度被记录为输出信号。
8.一种用于管理可充电电化学存储系统的智能系统，所述电化学存储系统包括电极、分离器、和电解质，所述智能系统包括: 一输入装置，连接至所述电化学系统上的测量装置，意在接收表示所述电化学系统的物理量的至少一个参数的输入值， 一处理装置，用于生成通过根据权利要求1至7中的任一项所述的方法所计算的至少一个特性的至少一个输出信号， 一信息/控制装置，用于响应于所述处理装置和/或比较装置的输出信号，来提供关于所述电化学系统的所述物理量的信息，和/或控制电化学系统的充电/放电、和/或冷却。
9.根据权利要求8所述的管理系统，其中所述处理装置包括递归滤波器。
10.在操作中，对于所述可充电电化学存储系统的板上控制和实时能量管理的根据权利要求8和9中的任一项所述的管理系统的使用。
11.根据权利要求8和9中的任一项所述的管理系统用于充电器/放电器的控制和管理的使用。
12.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法用于电化学电池的离线调整大小的使用。
13.一种可充电电化学存储系统在标称和极端条件下的电和热行为的模拟器，该模拟器包括: 一输入装置，意在接收表示 所述电化学系统的物理量的至少一个参数的输入值，一处理装置，用于生成通过根据权利要求1至7中的任一项所述的方法所计算的至少一个输出特性。
【文档编号】G06F17/50GK103502829SQ201280021564
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年5月4日
【发明者】E·普拉达, V·索旺特-穆瓦诺 申请人:Ifp新能源公司