專利名稱：用于管理電池中的熱量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于電池的熱管理方法，其中電池具體用于電動車或混合動力車的牽弓I，也就是說這種電動車或混合動力車包括對驅動輪進行驅動的電動機以及對這些輪或可能是其它驅動輪進行驅動的熱發(fā)動機。具體來說，本發(fā)明應用于高度混合的熱車輛，其可以達到對牽引鏈的完全電氣化。 在這種情況下，電池因而不僅用于在加速階段幫助車輛，而且用于提供車輛在較長或較短距離上的自主移動。還可以發(fā)現(xiàn)電池應用于其它技術領域，例如在其它運輸模式下(具體在航空上) 的電能存儲。而且，在例如用于風力發(fā)動機的固定應用中，還可以有利地使用根據(jù)本發(fā)明的對電池的熱管理。
背景技術：
為了保證討論中的應用所需的電力和/或能量水平，必需創(chuàng)建包括能串聯(lián)安裝的多個電能生成元件的電池。生成元件通常包括至少一個例如鋰離子型或鋰聚合物型電化單電池，其可以通過堆疊依次充當陰極和陽極的電活性層而形成，所述層借助于電解液而處于接觸中。然而，在這些元件被充電和放電時，熱量產(chǎn)生，熱量在不被控制的情況下會縮短這些元件的使用壽命，并且在極端條件下，甚至會存在單電池的某些化學成分的熱散失 (thermal runaway)風險，從而導致電池的劣化。因而，為了使電池的安全性、性能和壽命最優(yōu)化，對這些元件進行熱調節(jié)的系統(tǒng)已集成在電池中，以便維持所述電池的溫度處于最優(yōu)溫度范圍內。此外，在所預見的汽車應用中，這些系統(tǒng)必須非常高效，這是因為熱耗散峰值取決于電流密度及其變化，而電流密度及其變化會特別在猛烈加速、再生制動、電池的快速再充電或以電模式高速操作階段期間到達非常高的值。另外，使用熱產(chǎn)生交換表面與體積比被減小的厚元件的高能量電池最終必須以特別高效的方式冷卻下來。具體來說，熱調節(jié)系統(tǒng)可以包括基本上圍繞生成元件形成的腔室，與所述元件進行熱交換的流體在該腔室中流通。另外，為了提供熱調節(jié)，已知系統(tǒng)包括用于加熱的設備和 /或用于冷卻流通中的流體的設備。這樣，通過對流體進行熱調節(jié)并使所述流體的連續(xù)流動在元件周圍流通，可以實現(xiàn)電池的熱調節(jié)。然而，該熱管理策略導致在元件內出現(xiàn)溫度梯度，而溫度梯度的幅度在高能量電池中較大，這是因為溫度梯度的幅度尤其取決于以下因素-流體與元件之間的溫度差；-元件的厚度；-元件的核心與流體之間的熱傳導特性；-由使用中的元件釋放的熱功率。然而，當溫度梯度的幅度變得太大時，該溫度梯度會導致元件的熱失衡，從而導致電池的安全性和使用壽命的風險。實際上，元件內的局部內部容量和電阻取決于元件的局部溫度。因此，元件的電化學會以不同的方式受到加強；局部的過度加強會導致老化現(xiàn)象加速。此外，電池的熱調節(jié)會消耗車輛本身相當大的一部分電能。這種額外的能耗會導致電動車的自主性丟失。為了保持本申請所針對的自主性，可能必需要通過增大電池的尺寸來補償這種額外的消耗，而從單純經(jīng)濟的角度來看，這不符合成本效益。另外，高能量的鋰離子電池元件具有對溫度非常敏感的內阻。因為這種特性，如果要在寒冷天氣下保持電動車電池的自主性和性能，則借助于熱調節(jié)系統(tǒng)來對它們加熱成為必須。這種加熱也會是驅動階段能耗的來源。最后，增加元件的尺寸來獲得具有高能量密度的電池會被視作并聯(lián)放置電活性元件的堆疊。在高涌入電流的情況下，電流優(yōu)選取具有最小電阻的路徑，使并聯(lián)放置的每條基本支路之間的電阻平衡變得十分重要。內阻的這些差別會導致電流的局部過度集中，而這會導致元件內的電壓降。由于這種壓降無法通過測量元件的總電壓來檢測，因此這會導致超過對所述元件的電化學來說很“危險的”的電壓閾值的風險。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于通過具體提供用于電池的熱管理方法來克服現(xiàn)有技術的缺點， 該方法能夠限制其熱調節(jié)所必需的電消耗，從而通過保持其使用壽命以及其操作安全性來增加其自主性。為此，本發(fā)明提出了一種用于電池的熱管理方法，其中電池包括多個電能生成元件，所述方法包括在從外部電源對所述電池進行再充電時將所述電池預調節(jié)為處于平均溫度Ttl，并且在所述電池的使用期間確定所述溫度Ttl與所述電池的平均溫度T之間的差值的絕對值ΔΤ2，所述方法包括在差值ΔΤ2大于設定點C2時起用所述電池的熱調節(jié)設備，所述設定點根據(jù)所述電池的充電狀態(tài)(SOC)而建立。


參照附圖并根據(jù)隨后的描述，本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點將變得明顯，其中附圖表示實施根據(jù)本發(fā)明實施例的用于電池的熱管理方法的架構。
具體實施例方式該方法允許對電池1進行熱管理，所述管理被理解為增加卡路里方面與恢復卡路里方面一樣多，以便將電池1維持在最佳溫度操作范圍內。具體來說，該方法使得能夠快速且高效地增加或恢復電池1中的卡路里成為可能，從而在不論使用何種條件的情況下都確保熱調整。電池1包括生成電能的多個元件2。具體來說，元件2包括至少一個例如鋰離子型或鋰聚合物型電化學單電池。每個單電池通過堆疊依次充當陰極和陽極的電活性層而形成，所述層借助于電解液而處于接觸中。這些層可以容納在柔性封袋中?？商娲?，它們可以容納在硬質容器中。
在示例性實施例中，元件2各自利用并聯(lián)電安裝的兩個電化學單電池形成。另外， 電池1包括由串聯(lián)電安裝的若干元件2形成的多個模塊，所述模塊也被串聯(lián)電安裝。根據(jù)實施例，該方法計劃使用一種熱調節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括容納與元件2進行熱交換的流體的腔室，所述腔室基本上圍繞所述元件延伸以使得能夠在其壁的區(qū)域中進行熱交換。流體可以是氣體(具體是空氣)或液體(具體是蒸汽或水的低電壓介電液體(可能是乙醇酸鹽))。參見附圖，腔室包括各自圍繞元件2形成的封袋3，所述封袋通過閉合管路被供應有流體。另外，調節(jié)系統(tǒng)包括用于使流體在腔室中流通的設備，該設備在附圖中采用泵4的形式。更精確地說，管路具有上游部分5和下游部分6，在上游部分5與下游部分6之間，流體能夠流通通過封袋3，所述管路還包括膨脹箱7。具體來說，封袋3提供與元件2中的每一個并行的熱調節(jié)，這意味著在封袋3中流動的流體直接從上游部分5起源，而不是首先流過另一封袋3。這通過避免連接至與元件2 的連續(xù)熱交換的熱量建立，來產(chǎn)生極好的熱均勻性。為了提供熱調節(jié)，該系統(tǒng)進一步包括針對所述流體的至少一個熱調節(jié)設備。示出的管路包括例如采用浸沒式加熱器8形式的、用于加熱流體的設備，以及用于冷卻流體的設備。具體來說，冷卻設備包括與外部或者與具體裝配有風扇10的冷卻回路進行交換的熱交換器9。在未示出的替代方式中，冷卻設備和加熱設備可以與能夠根據(jù)需要冷卻或加熱流體的同一交換器集成，例如空氣-空氣、水-水或空氣-水。當電池1從外部電源再充電時，該方法將所述電池預調節(jié)為處于平均溫度 ；。具體來說，可以具體取決于季節(jié)來提供該預調節(jié)溫度，以使得能夠例如通過針對基于鋰的電化學被設置在15°C與30°C之間來對電池1進行優(yōu)化操作。以不論環(huán)境溫度怎樣，具體取決于季節(jié)的這種方式，從電池1的使用開始就能夠對其操作進行優(yōu)化。另外，該預調節(jié)使得可以不影響電池1的自主性，這是因為所需的能量從外部源具體從電池1在再充電期間所插入的電網(wǎng)提取。此外，在電池1的熱預調節(jié)期間，可以起用單獨的或分別與熱調節(jié)設備8、9之一相關聯(lián)的流通設備4，以便在整個電池1中均勻地維持或分別達到預調節(jié)溫度T。。在電池1處于使用中時，該方法包括以一定頻率執(zhí)行的若干迭代步驟，該頻率足以確保相對于電池1的自主性、使用壽命和安全性對其進行很好地熱調節(jié)。該方法包括確定溫度Ttl與電池1的平均溫度T之間的差值的絕對值ΔΤ2。為了確定電池1的平均溫度，調節(jié)系統(tǒng)可以包括用于測量流體的溫度的若干傳感器11。示出的實施例包括分別位于上游部分5的輸入處、位于下游部分6的輸出處以及冷卻設備9下游處的溫度傳感器11。然后，該方法包括根據(jù)所確定的差值Δ T2對調節(jié)設備的具體控制。具體來說，當差值Δ T2大于設定點C2時，起用熱調節(jié)設備。因此，在差值Δ T2小于設定點C2時，該方法使得可以節(jié)省調節(jié)設備8、9的電消耗， 結果，設定點C2被建立為使得只要差值Δ T2不超過它就不必需進行熱調節(jié)。因此，電池1 的安全性被確保僅僅當該情景出現(xiàn)時避免太高或太低的操作溫度，以便限制熱調節(jié)所必需的電消耗。
具體來說，如果差值Δ T2大于設定點C2,則該方法包括在溫度T分別小于、大于溫度Ttl時分別起用加熱設備8、冷卻設備9。根據(jù)實施例，設定點C2具有第一值C2。和第二值 C2f，超出該第一值C2。，加熱設備8被起用，超出第二值C2f，冷卻設備9被起用。在示出的實施例中，冷卻設備9的停用、起用分別通過將交換器9中的流體流通進行分流、供應來實施。為此，管路具有裝配有第一閥13的主回路12和裝配有第二閥15的次回路14，所述主回路將電池1連接至加熱設備8，而所述次回路將所述主回路連接至交換器9。因此， 閥13、15的選擇性起用使得能夠將熱交換器9中的流體的流通進行分流或供應。為了提高電池1的使用壽命并限制其熱調節(jié)所必需的電消耗，該方法進一步包括根據(jù)電池1的充電狀態(tài)SOC來建立設定點C2。具體來說，設立設定點C2的規(guī)則根據(jù)充電狀態(tài)SOC為降序。實際上，這些元件在其充電狀態(tài)較低時都對熱老化不太敏感。根據(jù)實施例，設立規(guī)則可以以下列形式寫出C2 = C0-a (SOC) -b (SOC)2，SOC根據(jù)電池1的充電狀態(tài)在0與1之間變化，a和b是根據(jù)電池1的特性而建立的參數(shù)，C0是最大設定點。具體來說，最大設定點Ctl可以等于a+b或大約為a+b。因此，對于最大S0C，設定點 C2接近于零，以便保護元件2在負載處于最大值時免受任何熱老化。例如，b可以為a的大約兩倍，具體使用a = 5和b = 10。所述方法進一步包括確定最熱元件2與最冷元件2的溫度之間的差值AT1。為此， 可以提供溫度傳感器來直接測量元件2上的溫度，具體是所述元件的連接器上的溫度?？商娲兀瑴囟炔畎?！^和/或△ T2可以借助于電池1的操作參數(shù)來間接確定，具體是通過分析由所述電池傳遞的電流強度來間接確定。然后，該方法包括根據(jù)所確定的差值Δ T1和Δ T2對調節(jié)系統(tǒng)進行具體控制。以此方式，該方法包括當差值Δ T1小于設定點C1時，停用流通設備4和熱調節(jié)設備8和9。通常，在不影響電池1的良好操作的情況下，設定點C1可以被建立在2V與5°C之間。因此，以電池1的熱慣性為基礎，具體是因為容納在腔室中的大量流體，在不消耗所述電池的電能的情況下提供熱調節(jié)。另外，本發(fā)明避免使用熱調節(jié)流體的連續(xù)流動，從而限制在所述元件的壁與核心之間創(chuàng)建熱梯度。然而，當差值Δ T1大于設定點C1時，該方法包括通過在差值Δ T2小于設定點C2的情況下保持熱調節(jié)設備8、9被停用來起用流體的流通設備4。具體來說，流通設備4的起用和/或熱調節(jié)設備8、9的起用可以根據(jù)預定義的設定點與所述設備的操作相對應，或者根據(jù)差值Δ T1和/或Δ T2與所述操作的自動控制相對應。因此，即使在差值Δ T2小于設定點C2時，該方法使得可以確保元件2之間的溫度均勻性。另外，在不對流體進行熱調節(jié)的情況下，這種均勻性限制了所述流體與元件2之間以及元件2自身內的熱梯度。預調節(jié)溫度Ttl的值以及設定點CpC2的值可以通過在電池1的熱管理算法中進行編程來建立，所述值根據(jù)電池1的特性和/或在其使用期間的天氣條件來進行調節(jié)。
權利要求
1.一種用于電池⑴的熱管理方法，所述電池⑴包括生成電能的多個元件O)，所述方法包括在從外部電源對所述電池(1)進行再充電時將所述電池預調節(jié)為處于平均溫度 T0,并且在所述電池的使用期間確定所述溫度Ttl與所述電池的平均溫度T之間的差值的絕對值ΔΤ2，所述方法包括在差值ΔΤ2大于設定點C2時起用所述電池的熱調節(jié)設備，所述設定點根據(jù)所述電池的充電狀態(tài)(SOC)而建立。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱管理方法，其特征在于，設立所述設定點C2的規(guī)則根據(jù)所述充電狀態(tài)SOC為降序。
3.根據(jù)權利要求2所述的熱管理方法，其特征在于，所述設立規(guī)則以下列形式寫出 C2 = Ccra(SOC)-MSOC)2, SOC根據(jù)所述電池(1)的充電狀態(tài)在0與1之間變化，a和b是根據(jù)所述電池(1)的特性而建立的參數(shù)，Ctl是最大設定點。
4.根據(jù)權利要求3所述的熱管理方法，其特征在于，所述最大設定點Ctl等于a+b或大約為a+b。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的熱管理方法，其特征在于，在所述差值ΔΤ2大于所述設定點C2的情況下，所述方法包括在所述溫度T分別小于、大于所述溫度Ttl時分別起用所述加熱設備(8)、冷卻設備(9)。
6.根據(jù)權利要求5所述的熱管理方法，其特征在于，所述設定點C2具有第一值C2。和第二值C2f，超出所述第一值C2。，所述加熱設備(8)被起用，而超出所述第二值C2f，所述冷卻設備(9)被起用。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的熱管理方法，其特征在于，預調節(jié)溫度Ttl被設置在15°C與30°C之間。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的熱管理方法，其特征在于，所述方法包括使用熱調節(jié)系統(tǒng)，所述熱調節(jié)系統(tǒng)包括容納與所述元件進行熱交換的流體的腔室，所述系統(tǒng)進一步包括用于使所述流體在所述腔室中流通的設備以及所述流體的至少一個熱調節(jié)設備。
9.根據(jù)權利要求8所述的熱管理方法，其特征在于，所述流體的溫度被測量以確定所述電池⑴的平均溫度T。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的熱管理方法，其特征在于，所述方法進一步包括在所述電池⑴的使用期間確定最熱元件⑵與最冷元件⑵的溫度之間的差值Δ T1，并且包括在所述差值Δ \小于設定點C1時，停用所述流通設備(4)和所述熱調節(jié)設備(8、9)； 在所述差值Δ \大于設定點C1時，通過在所述差值ΔΤ2小于所述設定點C2的情況下保持所述熱調節(jié)設備(8、9)被起用來起用所述流體的流通設備G)。
11.根據(jù)權利要求10所述的熱管理方法，其特征在于，設定點C1被設置在2V與5°C之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于管理電池(1)中的熱量的方法，該電池包括用于生成電力的多個元件(2)，所述方法包括在從外部電源對所述電池(1)進行再充電時，將所述電池預調節(jié)為處于平均溫度T0；并且在使用所述電池時，確定所述溫度T0與所述電池的平均溫度T之間的差值的絕對值ΔT2；其中所述方法包括在差值ΔT2大于設定點C2時，起用所述電池的熱調節(jié)設備，所述設定點基于所述電池的充電狀態(tài)(SOC)而建立。
文檔編號B60L11/18GK102308427SQ201080007191
公開日2012年1月4日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權日2009年2月9日
發(fā)明者法比·加邦 申請人:陶氏卡姆法國股份有限公司