用于電化學存儲系統熱管理的優化方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于在標稱和極端操作條件管理電化學存儲系統的表面溫度和核心溫度的優化方法。對于涉及混合動力車輛和電動車的應用，必須控制組成系統的元件的表面處和核心中的熱狀態（T），以便防止熱失控、著火、和爆炸的任何風險。使用電池的電、熱和熱化學失控模型，來執行不可直接測量的內部特性的重建，這些內部特性諸如這些元件的核心中的溫度。使用具有集中參數（0D）的模型，該方法可與電池自身的操作（實時地）一起同步使用，或者例如在能量和熱管理策略的校準、優化或驗證的環境內離線地使用該方法。該方法可模擬電池的熱、電、和熱化學失控行為，并且所述方法還可被用于調整電池的大小。
【專利說明】用于電化學存儲系統熱管理的優化方法
發明領域
[0001]本發明涉及一種估算用于電能存儲的電化學系統的組成元件的核心溫度的方法，該電化學系統是電池類型的，其中該核心溫度不可直接測量，本發明還涉及一種電池管理系統。
[0002]該方法允許對電化學電池的管理，特別是當電化學電池在標稱操作條件或者在極端操作條件下被用于混合動力車或電動車中、或者被用于與生產間歇式能量(諸如風能或太陽能)有關的任何其他存儲應用中時。存儲系統的標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。極端條件對應于標稱條件之外的操作，即，處于涉及熱失控問題的電壓和/或溫度和/或電流電平。
[0003]根據本發明的方法允許模擬電池的內部熱失控、電失控、和熱化學失控行為。內部熱特性和化學特性的重建，即從電池的表層到核心，允許在標稱和極端操作條件下對系統的射流冷卻的實時控制，通過激活特定安全裝置以便于防止或限制熱失控。
[0004]該方法在離線時也可有用，特別是根據有關應用來調整電池的大小以及優化能量和熱量管理策略，從而限制由高內部熱梯度所引起的元件老化，以及避免可導致熱失控和爆炸的極端操作條件。
[0005]電化學電池是混合動力車輛或電動車中最關鍵的組件中的一個重要組件。特別對于鋰離子技術，必須遵守由制造商所定義的電池電壓和溫度操作窗，從而保證電化學系統的性能和安全性。由于元件的電壓產生于導電材料中的電子運動，諸如流形運動(manifold)，本領域技術人員認為電壓是在元件中均勻的特性。另一方面，由于熱傳播現象并不非常快速，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。操作期間的熱狀態因變于在充電和放電條件下的電池消耗、電池的設計和環境下而發展。普通的熱狀態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行測量。然而，從未有效地了解單元電池的核心溫度。對表面和核心的熱狀態的更精確和可靠的估算將帶來許多優點，因此使得車輛的監管者能夠防止關于系統中心內的核心溫度的安全性超過率。事實上，在操作期間，在用于電能存儲的電化學包的組成單元電池的表面和核心之間產生了較高的熱梯度。臨界電流操作條件和不適當的熱調節可引起系統內非常高的熱梯度，并且導致熱失控、著火、或者甚至爆炸的風險。除了這些安全方面之外，對內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]對車輛適當的操作基于智能電池管理系統(通常稱為BMS)，該系統通過在各種電和熱的動態負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/或模塊級別執行電流、電壓、和表面溫度的測量，它估算充電狀態(SoC)、健康狀態(SoH)，并且從這些測量和估算來實時計算可用的能量和功率，它定義進入和離開電池的電流閾值，它控制冷卻，且最終它(例如，通過激活/去活一些模塊)完成某些安全任務。準確且可靠地了解充電狀態(SoC)、健康狀態(SoH)和熱狀態(T )，對于BMS是必不可少的。[0009]電池的充電狀態是它的可用容量(表達為它的標稱容量的百分比)。了解SoC允許估算電池在給定電流可繼續提供能量多久，或者它可吸收能量多久。這個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，由于使用期間發生的物理和化學的變化，它的性能趨于逐漸劣化，直到電池變得不可用。健康狀態(SoH)是再充電之后的可用容量(以Ah表達)，其因此是對于事實上已經達到的電池的生命周期中的點的測量。
[0011]常規地通過測量表面溫度而給出熱狀態(T )。【背景技術】
[0012]通過電池管理系統或BMS來提供在標稱和極端條件下的電池的安全操作。在它的功能之中，它根據在單元電池和/或模塊級所收集的電流、電壓、和表面溫度測量來激活/去活例如一些模塊，來控制電池的冷卻并且完成特定的安全任務。至今，還沒有裝備有用于直接測量核心溫度的溫度檢測器(例如熱電偶)的商品化元件。因此，由于元件內的放熱熱化學反應所產生的熱量必須散播至壁部并且產生將由BMS檢測的顯著加熱，因此無法與電池操作同步地預見熱失控初始的檢測。
[0013]常規地使用離線熱模型來執行電池核心中的熱狀態估算，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的歐姆損失。
[0014]如今，用于電能存儲的電化學系統具有直接依賴于存儲化學能形式的電能的電極材料的物理、化學、和電化學性質的熱行為。這些電化學反應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學模型的使用，然而這個模型沒有考慮在涉及熱失控現象時的極端條件下的電池行為。
[0016]因此，所討論的現有技術沒有描述特別是包括優化的熱平衡和對熱化學失控動力學的描述的方法，從而在任何時間從已知的內部化學濃度來估算系統的核心溫度，然后控制并管理系統冷卻環路內的熱傳遞，并且預見安全風險。
[0017]發明描述
[0018]發明概沭
[0019]本發明涉及一種估算可充電電化學系統的熱狀態的改進的方法，該可充電電化學系統包括電極、分離器、和電解質，其中:
[0020]一表示所述系統的物理量的至少一個參數的至少一個輸入信號是可用的，
[0021]一用集中參數(OD)建立所述系統的電化學和熱模型，其中這些參數在這些電極和該分離器內是均勻的，電化學和熱模型包括對于發生在每個電極與該電解質之間的界面處、且考慮了界面濃度的電化學反應的動力學的至少一個數學表示、在每個電極處的雙層容量中的電荷空間積累的數學表示、在每個電極處電荷重新分布的數學表示、該電解質的離子電荷散播通過這些電極和該分離器的數學表示，
[0022]一從所述模型中，我們建立了:
[0023]?在系統的所有相中的材料平衡，
[0024]?所述系統的電勢的整體電平衡，
[0025]?所述系統的能量平衡，包括優化的熱平衡，該優化的熱平衡考慮了用于計算核心溫度的、所述電化學系統的表面與核心之間的散熱現象，[0026]一計算系統所有內部電化學變量隨時間的變化，并且通過將該模型應用至該輸入信號來生成至少一個輸出信號，來估算該系統的該心和表面熱狀態。
[0027]優選地，還為該系統的各元件建立了熱化學失控平衡，其考慮了因變于該系統的各組成元件的材料的熱分解反應的活性物質消耗的發展。
[0028]有利地，優化的熱平衡允許通過偽ID方法在系統的各組成元件內計算該系統的核心溫度，該方法考慮了在環境溫度下通過電化學系統的凈熱通量以及該系統的熱阻特性。
[0029]優選地，該系統的核心溫度Tint由下式給出:
[0030]
【權利要求】
1.一種估計估算可充電電化學系統的熱狀態的改進方法，所述系統包括電極、分離器、和電解質，其中: 一表示所述系統的物理量的至少一個參數的至少一個輸入信號是可用的， 一用集中參數(OD)建立所述系統的電化學和熱模型，其中在所述電極和所述分離器內這些參數是均勻的，所述電化學和熱模型包括發生在每個電極與所述電解質之間的界面且考慮了界面濃度的電化學反應的動力學的至少一個數學表示、在每個電極處的雙層容量中的電荷空間積累的數學表示、在每個電極處電荷重新分布的數學表示、通過所述電極和所述分離器的電解質離子電荷的傳播的數學表示， 一從所述模型中，我們建立了: ?在系統的所有相中的材料平衡， ?所述系統的電勢的整體電平衡， ?所述系統的能量平衡，包括優化的熱平衡，所述優化的熱平衡考慮了用于計算核心溫度的在所述電化學系統的表面與核心之間的散熱現象， 一計算了所述系統的所有內部電化學變量隨時間的變化，并且通過將所述模型應用至所述輸入信號來生成至少一個輸出信號，來估算所述系統的核心和表面熱狀態。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還為所述系統的元件建立熱化學失控平衡，其考慮了活性品類消耗因變于所述系統的這些組成元件的材料的熱分解反應的發展。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述優化的熱平衡允許在所述系統的所述組成元件內通過偽ID方法計算所述系統的核心溫度，所述方法考慮了在環境溫度下通過電化學系統的凈熱通量以及所`述系統的熱阻特性。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述系統的核心溫度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是所述系統的表面溫度， Rtlunt是所述系統的熱阻特性， ?Ptra/ge.,是通過電池的凈熱通量，其計算為內部與外部通量之間的差異，即V=fgea - ftra?所述內部熱通量由電化學電池的活動以及以溫度Ta傳遞至周圍空氣的通量而生成。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的方法，其特征在于，所述電化學模型，通過確定所述電解質中電荷載流子最大濃度的減少以及所述電化學系統的內阻的增加，考慮了所述電化學系統的老化。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中由熱力學(Nernst、Margules、VanLaar> Redlich-Kister)數學關系或分析(例如,多項式、指數)數學關系來描述每個電極的熱力學平衡電勢。
7.根據權利要求1至6中的任一項所述的方法，其中所述電化學系統的電勢、和/或充電狀態、和/或健康狀態、和/或表面和核心溫度被記錄為輸出信號。
8.一種用于管理可充電電化學存儲系統的智能系統，所述電化學存儲系統包括電極、分離器、和電解質，所述智能系統包括: 一輸入裝置，連接至所述電化學系統上的測量裝置，意在接收表示所述電化學系統的物理量的至少一個參數的輸入值， 一處理裝置，用于生成通過根據權利要求1至7中的任一項所述的方法所計算的至少一個特性的至少一個輸出信號， 一信息/控制裝置，用于響應于所述處理裝置和/或比較裝置的輸出信號，來提供關于所述電化學系統的所述物理量的信息，和/或控制電化學系統的充電/放電、和/或冷卻。
9.根據權利要求8所述的管理系統，其中所述處理裝置包括遞歸濾波器。
10.在操作中，對于所述可充電電化學存儲系統的板上控制和實時能量管理的根據權利要求8和9中的任一項所述的管理系統的使用。
11.根據權利要求8和9中的任一項所述的管理系統用于充電器/放電器的控制和管理的使用。
12.根據權利要求1至7中的任一項所述的方法用于電化學電池的離線調整大小的使用。
13.一種可充電電化學存儲系統在標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 所述電化學系統的物理量的至少一個參數的輸入值，一處理裝置，用于生成通過根據權利要求1至7中的任一項所述的方法所計算的至少一個輸出特性。
【文檔編號】G06F17/50GK103502829SQ201280021564
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年4月26日 優先權日:2011年5月4日
【發明者】E·普拉達, V·索旺特-穆瓦諾 申請人:Ifp新能源公司