电动车辆电池组监测总成和方法
【专利摘要】一种示例性监测总成除其他方面以外包括控制器，该控制器被配置为使用电阻测量结果和参考温度测量结果来识别电池单元的内部压力的变化，电阻测量结果由与电池单元关联的应变仪来提供。
【专利说明】
电动车辆电池组监测总成和方法
技术领域
[0001]本公开总体涉及检查和诊断部件，并且更具体地涉及估算电池单元的温度和内部压力。温度使用应变仪作为温度和压力依赖性传感器来估算。
【背景技术】
[0002 ]电动车辆使用电机进行推进。电动车、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)是电动车辆的示例类型。电池组给电机供电。多种因素影响发起附加检查、维修或更换部件的决定。电池组的电化学电池单元中的内部压力是一个这样的因素。
【发明内容】
[0003]根据本公开的示例性方面的一种监测总成除其他方面以外包括控制器，该控制器被配置为使用电阻测量结果和参考温度测量结果来识别电池单元的内部压力的变化。电阻测量结果由与电池单元关联的应变仪来提供。
[0004]在前述总成的另一个示例中，总成包括温度传感器，该温度传感器从与电池单元隔开的位置采集参考温度测量结果。
[0005]在任一前述总成的另一个示例中，位置是在包含电池单元的电池组中。
[0006]在任一前述总成的另一个示例中，应变仪被固定到电池单元。
[0007]在任一前述总成的另一个示例中，变化是电池单元的内部压力的增加。
[0008]在任一前述总成的另一个示例中，控制器被配置为使用电阻测量结果来计算电池单元表观温度。内部压力的变化通过电池单元表观温度与参考温度的偏差来指示。
[0009]在任一前述总成的另一个示例中，电阻测量结果和电池单元表观温度在偏差之前具有线性关系。
[0010]根据本公开的另一个示例性方面，一种总成除其他方面以外包括选择性地给马达供电的电池组。总成还包括控制器，该控制器被配置为将电池单元的表观温度与参考温度测量结果进行比较以识别电池组中的电池单元的内部压力的变化。
[0011]在前述总成的另一个示例中，总成包括测量电阻以提供电阻测量结果的应变仪。电阻依赖于电池单元的实际温度和电池单元的内部压力。
[0012]在任一前述总成的另一个示例中，应变仪被直接附接到电池单元。
[0013]在任一前述总成的另一个示例中，参考温度测量结果是从电池组的区域测得的温度。
[0014]在任一前述总成的另一个示例中，变化是由固定到电池单元的应变仪测得的电阻的漂移。
[0015]根据本发明的另一个示例性方面的一种电池单元监测方法除其他方面以外包括使用来自应变仪的电阻测量结果来估算电池单元温度，并且响应于电池单元温度偏离参考温度而发起警报。
[0016]在任一前述方法的另一个示例中，参考温度是电池组的温度。
[0017]在任一前述方法的另一个示例中，应变仪被直接附接到电池单元。
[0018]在任一前述方法的另一个示例中，偏离包含在恒定压力下与参考温度偏离线性关系O
[0019]在任一前述方法的另一个示例中，偏离包含在设定的时间段内电池单元温度与参考温度相差超过已确定的统计偏差。
[0020]在任一前述方法的另一个示例中，参考温度随着时间而变化。
[0021]在任一前述方法的另一个示例中，警报包含电池组的功率极限的重新调节。
[0022]在任一前述方法的另一个示例中，警报表明电池单元的内部压力的增加。
[0023]前述段落、权利要求或以下说明书和附图中的实施例、示例和可选方案，包括它们的各个方面或各自的个体特征中的任何一个，可以独立地或以任意组合的形式获得。关于一个实施例所描述的特征适用于所有的实施例，除非这样的特征互不相容。
【附图说明】
[0024]从【具体实施方式】中，所公开的示例的各种特征和优点对本领域技术人员来说将变得显而易见。伴随【具体实施方式】的附图可以简要描述如下:
[0025]图1说明了示例电动车辆的示意图；
[0026]图2说明了来自图1的电动车辆的电池组的剖视图；
[0027]图3说明了来自图1的电池组的阵列的透视图；
[0028]图4说明了来自图1的电池组的两个电池单元的透视图；
[0029]图5说明了图1的电池组的电阻测量结果和温度之间的线性关系；
[0030]图6用图表说明了示例性压力增大情形。
【具体实施方式】
[0031]本公开总体涉及检查和诊断部件，并且更具体地涉及估算电池单元的温度和内部压力。温度使用应变仪作为温度和压力依赖性传感器来估算。
[0032 ] 安装在电池单元上的应变仪的欧姆电阻可以响应于由内部压力导致的电池单元的壁上的应变而变化。代替或者此外，应变仪的欧姆电阻可以响应于由温度变化导致的应变仪本身或壁的热膨胀而变化。
[0033]因而，应变仪电阻的欧姆电阻具有温度和压力(应变)依赖性。欧姆电阻因而除了呈现应变响应之外还呈现温度依赖性响应。从相关应变仪测得的测量结果中抽取的电池单元的表观温度包括这两个特性。
[0034]超过电池单元的表观温度和参考温度之间的已确定的极限的偏差也用于实时识别过度的温度和/或压力条件。超过表观温度和参考温度之间的已确定的极限的偏差用于识别电池单元中的压力增大。识别可以是在平衡温度条件下或在设定等待时间之后。
[0035]参考温度用于确定温度和压力特性对使用来自应变仪的电阻计算出的电池单元的表观温度的贡献。
[0036]参考图1，示例电动车辆10包括给电机18供电的电池组14。车辆包括由电机18驱动的车轮22。电机18从电池组14接收电能并将电能转换为扭矩。
[0037]示例车辆10是全电动车辆。在其它示例中，车辆10是混合动力电动车辆，该混合动力电动车辆使用内燃发动机取代电机18或除了电机18之外还使用内燃发动机来选择性地驱动车轮22。在混合动力电动车辆的示例中，电机18可以选择性地作为发电机操作以给电池组14再充电。
[0038]现在参考图2至4，电池组14除其他方面以外包括壳体30中的电池单元26的多个阵列24。阵列24的电池单元26各自沿着各自的轴线A设置。
[0039]阵列24的电池单元26可以通过端壁(未示出)轴向压缩。其他部件，例如侧壁和盖，可以围绕电池单元26的其他侧面。
[0040]在一些示例实施例中，电池组14可以包括在每个阵列24中的从50到500个单独的电池单元26。在其它示例中，电池组14可以仅包括单个单元。在该示例中，单元是锂离子单元。其他电池组14可以包括其他数量的电池单元26。
[0041 ]电池单元26包括排气孔32，该排气孔32在电池组14正常操作期间是关闭的。电池单元26之一中的气体的膨胀可以为该电池单元26强制打开排气孔32，这时排气孔32为气体提供从电池单元26的内部排出的路径。
[0042]识别电池单元26中的压力增大对于防止由于单元排气导致的损害是有用的。例如，越早识别压力增大，可以越早更换或修理电池单元26或电池组14。
[0043]应变仪34固定到每个电池单元26的面向外的表面38。一旦电池单元26中压力增大，示例应变仪34就经受应变。应变仪34操作地连接到控制器42。在一些示例中，控制器42或控制器42的多个部分包含在壳体30中。在其它示例中，控制器42是在壳体30外部。
[0044]在一些示例中，控制器42是包括电池能量控制模块(BECM)的电池管理系统(BMS)。在其它示例中，控制器42是设计用于执行本公开的示例性方法的特定的控制器。
[0045]BMS可以部分基于表明电池组14的各个电池单元26的健康状态(SOH)的馈送来控制电机18从电池组14获取的电能。传感器馈送通常包括电压和电池单元26的直接测得的温度。基于电池单元26的确定的SOH，从电池单元获取的电流(或电能)的量可以被限制以便避免由于过充电或过放电导致的电池单元劣化。在控制器42是BMS的示例中，内部压力作为馈送添加到BMS改进了 SOH监测。
[0046]在一些示例中，由BMS进行的电池组监测使用单元电压和温度来防止电机18从电池单元26获取过大的电流并识别与电池单元26相关的故障状态。
[0047]示例应变仪34的长少于五毫米并且宽少于四毫米。应变仪材料的示例是镍铬合金(卡马(Karma))，铜镍合金(康铜)和娃基材料。
[0048]应变仪34也可以安装在电池单元26的横向外侧上，如图4所示。应变仪34也可以安装在电池单元26的最大侧面上，在相邻的电池单元26之间轴向定位的间隔器的空隙内。应变仪34也可以定位在排气孔32上或邻近排气孔32。
[0049]在一些示例中，应变仪34使用氰基丙稀酸盐或环氧粘合剂粘接固定到电池单元26的外壁。代替或此外，应变仪34可以被壳体30的一部分压缩抵靠电池单元26。应变仪34可以是线性的、二维的、或三维的。
[0050]温度传感器46设置在电池组14中。在这个示例中，温度传感器46安装到壳体30并且与电池单元26和阵列24间隔开。温度传感器46操作地连接到控制器42并且用于采集参考温度。温度传感器46可以是热电偶或热敏电阻。
[0051]可选择地，参考温度可以是来自全部或部分仅存的电池单元26的表观温度的平均温度。
[0052]电池组14的不同区域可以具有不同的温度。电池单元26之一的内部温度可以不同于由温度传感器46测得的温度。
[0053]控制器42使用来自应变仪34的信息来监测电池组14。例如，控制器42使用表观温度来监测电池单元26的内部温度，表观温度使用来自应变仪34的测量结果来计算。控制器42使用校准参数使用来自应变仪34的电阻测量结果来估算电池单元26的内部温度。校准参数与涉及应变仪电阻(R)和温度(T)和压力(P)的函数相关。在一个示例中，这样的关系R=f(T，P)在恒定压力下是线性曲线。应变仪电阻值用作馈送到控制器42的动态参数。
[0054]值得注意的是，电池单元26的内部温度在不需要与每个电池单元26关联的特定的温度传感器——例如热电偶——的情况下进行估算。
[0055]电池组14和各个电池单元26的温度监测常常用于识别过热。例如，从电池组14传递到电机18的过大的电流可能导致过热。
[0056]电池单元26之一的温度可能由于焦耳加热而升高，焦耳加热是由流过电池单元26的内阻(Rint)的电流(I)作为热量消耗的电能(P)导致的，如给定为P = RintI2。过高的温度可以促进电池单元26的内部组分——例如电解质——的有害的化学副反应，这可以导致劣化和析气。
[0057]示例控制器42包括操作地连接到存储器部分54的处理器48。示例处理器48被编程为执行存储在存储器部分54中的程序。程序可以作为软件代码存储在存储部分54中。
[0058]存储在存储器部分54中的程序可以包括一个或多个附加的或单独的程序，每个附加的或单独的程序包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表。
[0059]处理器48可以是定制的或市售的处理器、中央处理单元(CPU)、与控制器42相关联的若干处理器之中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片组的形式)或总体上用于执行软件指令的任何设备。
[0060]存储器部分54可以包括易失性存储器元件(例如，随机存取存储器(RAM，例如DRAM(动态随机存取存储器)、SRAM(静态随机存取存储器)、SDRAM(同步动态随机存取存储器)、VRAM(视讯随机存取存储器)等))和/或非易失性存储器元件(例如，ROM(只读存储器)、硬盘驱动器、磁带、CD-ROM(只读光盘驱动器)等)中的任何一种或组合。存储器可以进一步包含电子、磁性、光学、和/或其他类型的存储介质。要注意的是，存储器还可以具有分布式架构，在分布式架构中，各种部件都远离彼此定位，但是可以由处理器48访问。
[0061 ]在这个示例中，每个电池单元26的表观温度是经由各个应变仪34提供给控制器42的欧姆电阻测量结果来计算的。电池单元26的内部温度的变化可以改变电阻测量结果。
[0062]控制器42使用与电池单元26关联的应变仪34两端电阻来计算每个电池单元26的表观温度。表观温度(T)是由应变仪34提供的电阻(R)的函数。表观温度从参数化的校准函数R = f(T，P)确定。
[0063]控制器42然后执行存储在存储器部分中的程序。程序计算电池单元26的内部压力是否过大。程序使用来自应变仪34的电阻测量结果、表观温度测量结果、来自温度传感器46的温度测量结果或它们的某些组合。
[0064]平均温度和如在全部应变仪34上读取的其标准偏差可以用作确定偏离的测量结果的参考。在这样的情况下，预期的标准偏差之外的测量结果可以被视为与参考不相关。
[0065]在一个示例中，如果给定的电池单元26之一的内部压力随着时间恒定，则来自与该电池单元26关联的应变仪34的电阻测量结果将随着来自温度传感器46的参考温度测量结果而线性变化。当给定的电池单元26之一的内部压力恒定时，电阻和参考温度因此被认为具有线性关系，使得dR/dT是恒定的。这样的关系可以被用作基线或初始相关性。
[0066]图5示出了来自应变仪的电阻测量结果和来自温度传感器46的参考温度测量结果之间的线性关系60。当给定的电池单元26之一的内部压力保持恒定时，电阻测量结果将随着电池组14中的实际温度升高而增加。
[0067]在其它示例中，线性以外的基线关系可以是可能的。
[0068]再次参考图1至4，如果表观温度匹配温度传感器46的参考温度测量结果，或者与温度传感器46的参考温度测量结果相关性良好，则表观温度被认为是真实的温度值并且电池单元26中的内部压力稳定。
[0069]在这个示例中，与来自温度传感器46的参考温度相关性良好的表观温度是在参考温度的两度内。在另一个示例中，与来自温度传感器46的温度测量结果相关性良好的表观温度是在来自温度传感器46的参考温度的四度内的表观温度。
[0070]在另一个示例中，与来自温度传感器46的温度测量结果相关性良好的表观温度是在与来自温度传感器46的温度测量结果的已确定的统计偏差内。
[0071 ]有时，电池单元26之一中的膨胀气体可能引起电池单元26的内部压力的显著增加。这导致表观内部温度偏离其与来自温度传感器46的温度测量结果的初始相关性。因此，如果表观温度不匹配来自温度传感器46的温度测量结果或与来自温度传感器46的温度测量结果不相关，则表观温度被认为是包括由于压力导致的部分应变的复合温度值。在这样的示例中，电池单元26中的内部压力被认为已经改变，或者是不太稳定的。
[0072]在这个示例中，与来自温度传感器46的参考温度相关性较差的表观温度具有高于温度测量结果两度以上的绝对值。在另一个示例中，与来自温度传感器46的参考温度相关性较差的表观温度是具有高于来自温度传感器46的温度测量结果四度以上的绝对值的表观温度。
[0073]在另一个示例中，与来自温度传感器46的温度测量结果相关性较差的表观温度在与来自温度传感器46的温度测量结果的已确定的统计偏差之外。偏差可以包含表观温度与来自温度传感器46的温度测量结果相差超过特定的传感器的统计学上已确定的误差。
[0074]参考图6的压力增大情形，实线100表示电池组14的第一电池单元的计算的表观温度，并且实线110表示电池组14的第二电池单元的计算的表观温度。虚线120表示来自温度传感器46的参考温度。
[0075]在操作的前七小时期间，表观温度线100和110与参考温度120相关性良好。在7小时时，第一电池单元中的内部压力开始逐渐增加。内部压力的变化转换成与第一电池单元的随后变形或膨胀相关的可测量的应变。增加可能是由于电池单元中的内部事件。因此，实线110开始偏离虚线120。
[0076]在操作11.5小时后，第一电池单元的表观温度为与参考温度相差约五度。在这个示例中，该差异引起控制器4 2调节电池组14的功率极限。控制器4 2可以例如在控制算法中按照新的条件设置可以流入电池组14或从电池组14流出的电流的新的最大值以防止过充电或过放电。
[0077]在操作15.5小时后，第一电池单元的表观温度为与参考温度相差约十度。在这个示例中，该差异引起控制器42发起警报，例如用于驾驶员的仪表板上的视觉警报、维修警报，或关闭电池组14的操作，或重新调节电池组14的功率极限。警报可以提示检查、维修、或更换部件，例如电池组14中的一个或多个电池单元38。
[0078]应变仪用于监测电池单元的内部温度。所公开的示例还使用应变仪来识别内部压力的增加。内部电池单元温度和压力因而使用应变仪来监测。各种类型的应变仪的电阻的温度依赖性可以用于实现这些结果。用于温度和压力监测二者的单一类型传感器的使用以较小的附加成本提供了较大的附加值。
[0079]—些示例实施例利用由于仪器材料本身的或安装有应变仪的样品材料的热膨胀导致的应变仪电阻的温度依赖性变化。如通过应变仪读取的电阻被转换成复合“真实”温度特性和压力(或应变)相关特性的表观温度值。
[0080]压力和温度特性对表观温度的各种贡献通过与参考温度的比较来确定。
[0081]除了基于电阻的温度测量结果以外，基于来自应变仪的电阻测量结果的压力测量结果被传送到BMS，或另一种类型的控制器。温度和电压可以被BMS使用以例如调节车辆功率极限和防止过放电。增加压力馈送可以针对更好的电池组耐久性/性能来改善那个过程。
[0082]前面说明书本质上是示例性的，而不是限制性的。必然没有脱离本公开的本质的所公开的示例的变化和修改对本领域技术人员来说可以是显而易见的。因此，给予本公开的法律保护范围仅可以通过研究以下权利要求来确定。
【主权项】
1.一种监测总成，包含: 控制器，所述控制器被配置为使用电阻测量结果和参考温度测量结果来识别电池单元的内部压力的变化，所述电阻测量结果由与所述电池单元关联的应变仪来提供。2.根据权利要求1所述的监测总成，包括温度传感器，所述温度传感器从与所述电池单元隔开的位置采集所述参考温度测量结果。3.根据权利要求2所述的监测总成，其中所述位置在包含所述电池单元的电池组中。4.根据权利要求1所述的监测总成，其中所述应变仪被固定到所述电池单元。5.根据权利要求1所述的监测总成，其中所述变化是所述电池单元的所述内部压力的增加。6.根据权利要求1所述的监测总成，其中所述控制器被配置为使用所述电阻测量结果来计算电池单元表观温度，所述内部压力的变化通过所述电池单元表观温度与所述参考温度的偏差来指不。7.根据权利要求6所述的监测总成，其中所述电阻测量结果和所述电池单元表观温度在所述偏差之前具有线性关系。
【文档编号】H01M10/48GK105826626SQ201510947332
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月17日
【发明人】埃里克·波里尔
【申请人】福特全球技术公司