用于检测锂离子电池的热失控的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于检测锂离子电池的热失控的方法和装置。

背景技术：

在锂离子电池中可能由制造中的缺陷、超负荷或老化引起过热并且最终导致电池的所谓“热失控”(英文：thermalrunaway)。在最坏的情况下，电池可能因此着火和爆炸。

因此需要可靠地识别锂离子电池的热失控。尤其应当警告由于热失控而引起的严重危险。

由专利文献de102014106794a1已知使用电池为地面运输工具的电驱动装置供能。因此，例如在电池放电时由于同时发生能量转化而使电池升温。为了避免因电池的温度升高而减小电池寿命或引起损坏，当电池超出极限温度时限制电池为了电驱动装置的供能的能量转化。由此防止电池温度进一步升高。

专利文献de102012204410a1描述了一种用于运行机动车的电池装置的方法，其中，基于预期的从电池中的能量提取和预期的环境条件或使用参数对温度变化走向进行模拟。基于模拟的温度，通过加热装置/冷却装置调节电池装置的温度，以便建立用于电池的最佳的运行条件并且因此提高机动车的能量效率。

上述现有技术虽然涉及对电池温度的调节，用于预防其中列出的现象、如对电池的损坏或电池的不利的能量利用率。但未提出对电池的热失控的检测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是检测锂离子电池的热失控。

所述技术问题通过根据权利要求1所述的方法、根据权利要求9所述的控制器和根据权利要求10所述的机动车解决。

本发明的其它有利的设计方案由从属权利要求和以下对本发明的优选实施例的说明得出。

本公开的第一方面涉及一种用于检测尤其机动车领域中的锂离子电池的热失控的方法。所述方法包括如下步骤：

-对电池的温度变化走向进行模拟；

-记录电池的实际的温度变化走向；

-将模拟的温度变化走向与实际的温度变化走向进行比较；和

-在模拟的温度变化走向与实际的温度变化走向之间存在偏差的情况下，检测到热失控。

在此，模拟(modellieren)例如借助于电池的温度模型进行，电池的温度模型在考虑向电池中的热输入和从电池的热输出的情况下对电池的温度变化走向进行模拟或建模。在此，“模拟”还包括对电池的尤其当前和以后的温度的预测/估计。换言之，对温度变化走向的模拟还可以预测/估计电池中的温度的预期进展。

对电池的实际的温度变化走向的记录(或者说采集，erfassen)通常通过(至少一个)相应的温度传感器进行。温度传感器记录电池的温度。

将模拟的温度变化走向和实际的温度变化走向相比较。如果例如在某个时刻或在预先确定的时间段之后在两种温度变化走向之间存在偏差，则检测到电池的热失控。所述某个时刻例如是当前时刻。所述预先确定的时间段例如指的是当前时刻与更早的(预先确定的)时刻之间的时间间隔。备选地也可以指过去的两个不同时刻之间的时间间隔。

通过上述方法可以特别简单地检测电池的热失控，因为在此使用的比较量、即模拟的温度变化走向和实际的温度变化走向能够以特别简单且可靠的方式得出。如此记录到不是由电池的负载引起的每个温度升高，并且因此及早地识别到热失控的风险。

此外，将模拟的温度变化走向与实际的温度变化走向进行比较还可以包括：

-根据模拟的温度变化走向得出第一温度梯度；和

-根据实际的温度变化走向得出第二温度梯度；

并且其中，当第一和第二温度梯度之间的偏差超出极限值时，记录对热失控的检测。

在此，温度梯度表示电池的温度升高还是降低以及升高和降低的程度。通常，关于同一时刻确定(模拟的)第一温度梯度和(实际的)第二温度梯度。如此可以通过第一和第二温度梯度来确定，(在同一时刻)电池的实际的温度变化走向向更高的温度发展得是否比模拟的温度变化走向快得多。尤其如果第一温度梯度和第二温度梯度之间的偏差超出极限值，则该偏差可以归因于电池的热失控。因此可以相对可靠地记录或者说采集电池的热失控。

此外，所述极限值可以是第一温度梯度和第二温度梯度之间的预先确定的比值：

其中，ktr是极限值，kmod是第一温度梯度并且ksens是第二温度梯度。如果实际的温度变化走向向更高的温度发展得比模拟的温度变化走向快得多，即第二温度梯度与第一温度梯度之间的比值超出极限值ktr(参见方程1)，则可以检测到电池的热失控。

备选地，第一温度梯度能根据沿模拟的温度变化走向在预先确定的时间段内的第一温度升高得出，并且第二温度梯度能根据沿实际的温度变化走向在预先确定的时间段内的第二温度升高得出。

因此，第一温度梯度通常可以通过下式确定：

其中，δt是沿模拟的温度变化走向的预先确定的时间段，并且δt是在预先确定的时间段内模拟的温度变化走向的第一温度升高。相应地，第二温度梯度也可以通过上式来确定。通过根据式2得到温度梯度，可以相对简单地检测电池的热失控。

备选地，模拟的温度变化走向与实际的温度变化走向的比较可以按照预先确定的顺序进行。在这种情况下，预先确定的顺序可以包括周期性地进行所述比较，也就是说以预先确定的时间间隔进行。所述比较也可以连续进行。在这种情况下，这种连续应当理解为准连续，因为比较步骤之间的最小时间间隔可能(出于技术上的原因)被(例如用于记录实际的温度变化走向的温度传感器的采样率)限制。备选地，预先确定的顺序可以与温度相关，从而在电池的(实际和/或模拟的)温度相对较低并且因此非临界的情况下，间隔较长的时间地进行所述比较，其中，在较高和因此临界的温度下，间隔较短时间。换言之，在预先确定的顺序与温度相关的情况下，电池的温度越高，多个比较步骤之间的时间间隔越短。尤其在预先确定的顺序与温度相关的情况下，例如可以更有效地使用控制器资源并且因此检测更节省资源。

此外，模拟的温度变化走向可以根据向电池中的热输入和/或从电池的热输出来确定。向电池中的热输入理解为电池的温度升高。相应地，从电池的热输出理解为电池的温度降低。

备选地，向电池中的热输入可以根据从电池的能量提取来确定。热输入可以被测量和/或模拟。因此，例如可以通过公式p＝(uocv-ubat)*ibat计算电池的与能量提取有关的电损耗功率p，其中，uocv是怠速电压，ubat是电池的接线柱电压并且ibat是电池的(与从电池提取能量的外部阱(senke)相关的)电流负载。

电损耗功率转化为热量并且因此加热电池。换言之，热输入也可以根据电池的电损耗功率来确定。通过根据从电池的能量提取、尤其根据电池(在能量提取期间)的电损耗功率确定热输入，可以简单且精确地确定向电池中的热输入。

备选地，向电池中的热输出可以根据(电池的)热损耗功率来确定。热损耗功率尤其与用于电池的冷却装置的冷却功率和电池的环境温度相关。因此，热输出是电池由于冷却装置的冷却功率(向外)输出的那个热功率。因此，通过冷却装置的冷却功率可以测量/确定从电池的热输出。

此外，电池可以是机动车的牵引用电池。

本公开的第二方面涉及一种用于机动车的控制器。所述控制器设置和设计为实施按照本发明的方法及其上述的设计方案和备选方案。

本公开的第三方面涉及一种具有上述控制器的机动车。所述机动车设置和设计为实施按照本发明的方法及其上述的设计方案和备选方案。

附图说明

现在示例性地且借助附图描述本发明的实施例。在附图中：

图1示意性地示出根据一种实施例的机动车；

图2示出根据一种实施例的方法；和

图3示意性地示出电池的热失控之后的温度变化走向。

具体实施方式

在图1中示意性地示出具有机动车电池2(或者说电池)的机动车1。电池2也可以转用于与机动车领域不同的应用领域。在此，机动车1可以例如设计为电动车或混合动力车辆。在这种情况下，电池2设计为牵引用电池。电池2与测量装置4耦连，测量装置4设计为电压表和/或电流表并且例如可以测量例如电池2的接线柱电压或电池2的电流负载(放电电流)。电池2还与温度传感器6耦连。温度传感器6记录电池2的实际的温度tsens。显然，电池2也可以与多个温度传感器4耦连。此外，冷却装置8与电池2耦连。通过冷却装置8可以调节/确定从电池2的热输出。

控制器10与电池2、测量装置4、温度传感器6和冷却装置8耦连。控制器10设置为，根据电池2的存储在控制器10中的特性数据和由测量装置4记录到的数据计算/确定电池2的电损耗功率，该电损耗功率由于在机动车1的运行期间从电池2的能量提取产生。根据该电损耗功率可以确定向电池2中的热输入，该热输入对电池2加热。例如，电损耗功率与向电池2中的热输入之间的关系可以存储在控制器10中。此外，控制器10设置用于根据冷却装置8的冷却功率计算/确定电池2的热损耗功率。根据该热损耗功率可以确定从电池2的热输出，由于该热输出，电池2被冷却。在此，热损耗功率或冷却功率与从电池2的热输出之间的关系也可以存储在控制器10中。此外，电损耗功率、冷却装置8的冷却功率和电池2的温度梯度之间的关系也可以存储在控制器10中。上述每个关系都可以例如通过数学公式、特性曲线族、特征曲线或模型描述。

在考虑向电池2中的热输入和从电池2的热输出的情况下，控制器10可以得出电池2的热平衡并且因此可以(在一时间段上)对电池2的温度变化走向tmod进行计算/模拟。因此，借助于温度模型确定电池2的模拟的温度变化走向tmod，其中，该温度模型考虑了向电池2中的热输入和从电池2的热输出。

在图2中示出用于检测电池2的热失控的方法。在此，在步骤(s1)中，对电池2的温度变化走向tmod进行模拟/计算。在步骤(s2)中，通过温度传感器4记录电池2的实际的温度变化走向tsens。在步骤(s3)中，将模拟的温度变化走向tmod与实际的温度变化走向tsens进行比较。在步骤(s4)中，当模拟的温度变化走向tmod与实际的温度变化走向tsens之间存在偏差时，检测电池的热失控。

如下文描述的那样，这两种温度变化走向的偏差也可以相当于这两种温度变化走向的梯度的偏差。因此，步骤(s3)还可以包括子步骤(s3.1)和(s3.1)，这些子步骤用于确定第一温度梯度kmod和第二温度梯度ksens。这些子步骤(s3.1)和(s3.2)将结合图3阐述。

图3示意性地示出模拟的温度变化走向tmod和实际的温度变化走向tsens。在时刻ttr，存在电池2的热失控。也就是说，在图3的在时间上处于热失控之前的阴影区域中，模拟的温度变化走向tmod与实际的温度变化走向tsens基本一致。由于电池2的热失控，电池2的实际的温度tsens升高得比通过温度模型得到的温度tmod更快。温度模型考虑通常主要与在从电池2提取能量期间的电损耗功率相关的向电池2中的热输入。由热失控引起的热输入未被温度模型考虑。因此在图3中，由于热失控，在模拟的温度变化走向tmod与实际的温度变化走向tsens之间产生偏差。

为了检测该热失控，将第一温度梯度kmod和第二温度梯度ksens进行比较。在步骤(s3.1)中确定第一温度梯度kmod，方式是构造模拟的温度变化走向(在预先确定的时间段内)的温度升高δtmod与预先确定的时间段的商。换言之，第一温度梯度kmod通过以下步骤得出：

-在当前时刻t(x)记录当前的模拟的温度tmod(x)；

-在先前时刻t(x-δt)记录先前的模拟的温度tmod(x-δt)，其中，先前时刻t(x-δt)以预先确定的时间段δt位于当前时刻t(x)之前；

-将模拟的温度升高δtmod确定为当前的模拟的温度tmod(x)与先前的模拟的温度tmod(x-δt)之差；和

-将第一温度梯度kmod确定为由模拟的温度升高和预先确定的时间段构成的商。

在发生热失控时，电池2的温度在数秒内升高数百开尔文。因此，预先确定的时间段δt为尤其至少一秒，以便可靠地检测热失控。通过预先确定的时间段δt也可以检测电池2的高阻短路，在高阻短路中，温度升高得相对较慢。

对第二温度梯度ksens的确定对应于上述步骤(s3.2)并且与对第一温度梯度kmod的确定(s3.1)类似地进行，其中，当前和先前的实际的温度tsens(x)、tsens(x)在相应的时刻被记录。

为了检测电池2的热失控，通常使用检验条件，即第一温度梯度kmod和第二温度梯度ksens之商需要超出预先确定的极限值ktr。预先确定的极限值与电池2的拓扑结构和电池2的内部短路的类型相关。例如，预先确定的极限值ktr在热失控的情况下可以尤其大约为10并且在内部短路的情况下可以尤其大约为1.5。为了检测不是由电池2的负载引起的每个温度升高并且因此及早地识别到热失控的风险，也可以使用其它不同的检验条件，诸如第一温度梯度和第二温度梯度之差超出预先确定的数值/极限值。

通常，在发生热失控时，电池在时刻ttr后的数秒内起火，在这种情况下可能出现大约1000℃的温度。

附图标记列表

1机动车

2电池

4测量装置

6温度传感器

8冷却装置

10控制器

kmod模拟的(第一)温度梯度

ksens实际的(第二)温度梯度

ktr极限值

ttr电池的热失控的时刻

tmod模拟的温度/温度变化走向

tmod(x)当前时刻的模拟的温度

tmod(x-δt)先前时刻的模拟的温度

tsens实际的温度/温度变化走向

tsens(x)当前时刻的实际的温度

tsens(x-δt)先前时刻的实际的温度

t(x)当前时刻

t(x-δt)先前时刻

s1-s4方法步骤

δt预先确定的时间段

δtmod模拟的(第一)温度升高

δtsens实际的(第二)温度升高