具有集成在蓄電池單元殼體中的溫度傳感器的蓄電池單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋰離子蓄電池單元，所述蓄電池單元包括殼體(70)和溫度傳感器(20)，在殼體內(nèi)安置有電極裝置(10)，溫度傳感器安置在殼體(70)的內(nèi)部，其中，溫度傳感器(20)具有電熱振蕩器，所述電熱振蕩器將溫度轉(zhuǎn)化成頻率。本發(fā)明此外還涉及一種具有按照本發(fā)明的蓄電池單元(100)的車輛。
【專利說明】具有集成在蓄電池單元殼體中的溫度傳感器的蓄電池單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種蓄電池單元，優(yōu)選地涉及一種鋰離子蓄電池單元，其具有安置在蓄電池單元殼體中的溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在未來無論是在固定應(yīng)用還是在車輛中，例如，混合動力車輛和電動車輛逐漸加強推廣使用蓄電池系統(tǒng)這種趨勢日漸明顯。尤其是越來越多地使用蓄電池作為混合動力車輛和電動車輛的牽引蓄電池和用于向電驅(qū)動裝置饋電。圖1顯示的就是一種現(xiàn)有技術(shù)的蓄電池200。該蓄電池是由一個殼體70和一個電池核構(gòu)成,該電池核包括一個電極裝置10用于產(chǎn)生能量。使用數(shù)學(xué)蓄電池模型使蓄電池200運行。但是，動態(tài)蓄電池單元特性的內(nèi)電阻和時間常數(shù)在負載情況下很大程度上依賴于電池核內(nèi)的溫度，在該電池核內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。基于這種與負載相關(guān)的發(fā)熱，電池核內(nèi)的溫度能夠快速發(fā)生變化。圖2示范性地顯示20Ah的蓄電池單元的內(nèi)阻的瞬態(tài)部分在一定溫度下的特性變化曲線。尤其很明顯，在較低的溫度范圍中內(nèi)阻具有很高的變化率。因此在此，錯誤地測量的溫度會對從中算出的蓄電池的狀態(tài)以及從中預(yù)測的蓄電池的工作功率具有很大的影響。
[0003]按照現(xiàn)有技術(shù)是借助安裝在殼體上面的溫度傳感器來測量蓄電池單元的溫度。DE19961311A1公開了一種溫度傳感器，其通過一個蓄電池夾子從外部固定在蓄電池上面。然后與溫度相關(guān)的蓄電池模型的參數(shù)可以在線或離線地通過殼體溫度體現(xiàn)出來。但是殼體溫度既不與電極裝置處的位于殼體內(nèi)部的電池核溫度相符，而且與該溫度之間沒有明確的邏輯關(guān)系。因此，由于蓄電池單元內(nèi)和朝外的熱接觸電阻，必須延遲或根本不能在蓄電池殼體上面測量電池核溫度的變化。
[0004]不能準確地探測電池核內(nèi)的最新溫度會導(dǎo)致在蓄電池的運行狀態(tài)的與溫度相關(guān)的蓄電池模型內(nèi)出現(xiàn)誤差。蓄電池模型不僅能夠應(yīng)用在蓄電池控制設(shè)備內(nèi)用于監(jiān)控和控制蓄電池的運行也能夠在離線-模擬的方式應(yīng)用中應(yīng)用在蓄電池的外部。
[0005]從DE10056972A1中已知一種蓄電池單元，在所述蓄電池單元中安置有傳感器用于確定蓄電池單元的殼體內(nèi)的蓄電池溫度。溫度傳感器形成為溫度計，并且通過電線與蓄電池殼體的外部區(qū)域連接。雖然將常用的例如包含傳統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)形式的NTC-測量單元的測針安裝在蓄電池單元的內(nèi)部能夠獲取電池核溫度，但是獲取和分析單元以及信號線路會影響蓄電池內(nèi)的放熱和熱流。
[0006]此外，Makinwa和 Snoei j (“A CMOS Temperature-to-Frequency Converter Withan Inaccuracy of Less Than + 0.5°C (3 σ )From-40°C~ 105°C, K.A.A.Makinwa, MartijnF.Snoeij, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.41, N0.12, December2006,p.2992-2997)公開了一種溫度-頻率-轉(zhuǎn)換器，其在標準的CMOS-方法中執(zhí)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]按照本發(fā)明提供一種蓄電池單元，優(yōu)選地是一種鋰離子蓄電池單元，所述蓄電池單元包括殼體和溫度傳感器，在殼體內(nèi)安置有電極裝置，溫度傳感器安置在殼體的內(nèi)部。在此，溫度傳感器包括將溫度轉(zhuǎn)化成頻率的電熱振蕩器。
[0008]按照本發(fā)明的蓄電池單元所具有的優(yōu)勢在于，能夠在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方，即在蓄電池單元殼體的內(nèi)部，獲取溫度，而不通過獲取或分析單元以及信號線路來影響放熱和溫度。此外通過獲取殼體內(nèi)溫度能夠更準確地對蓄電池模型進行參數(shù)設(shè)置和為了模擬-以及狀態(tài)識別-和預(yù)測目的對蓄電池模型進行分析。
[0009]優(yōu)選地，溫度傳感器被構(gòu)造為差分溫度傳感器。通過本發(fā)明可以動態(tài)地獲取蓄電池單元內(nèi)的溫度變化(ΔΤ/dt)。優(yōu)選地,動態(tài)值Δ T/dt介于0.5K/min與5K/min之間。
[0010]優(yōu)選地，溫度傳感器集成在微芯片中的集成電路內(nèi)。通過能夠集成在殼體內(nèi)部實現(xiàn)了小的結(jié)構(gòu)形式，其成本低并且對外界干擾具有魯棒性。
[0011 ] 優(yōu)選地，溫度傳感器包括CMOS-振蕩器，即一種通過CMOS-技術(shù)在集成電路內(nèi)實現(xiàn)的熱振蕩器。在互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)中在一個共用的基底上既可以使用P-通道也可以使用η-通道-場效應(yīng)晶體管。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，其能夠直接集成在一個專用集成電路(ASIC)內(nèi)，并且能夠提供一個與溫度成比例的頻率信號。
[0012]優(yōu)選地，電熱振蕩器包括具有熱電偶的熱電堆。與晶體管相比，熱電偶的優(yōu)勢在于，其沒有偏移和不含Ι/f噪聲。
[0013]在另一個實施形式中，溫度傳感器包括與溫度相關(guān)的雙極晶體管。換句話說則是，本發(fā)明包括一個集成在微芯片內(nèi)以硅二極管的特性曲線的溫度關(guān)系為基礎(chǔ)的溫度傳感器，例如，帶隙-溫度傳感器。在這里溫度傳感器也能夠直接集成在一個專用集成電路(ASIC)內(nèi)。
[0014]在本發(fā)明的一個設(shè)計方案中，溫度傳感器的準-數(shù)字輸出信號是借助電力線通信(“Power line Communication”)從殼體輸出。
[0015]由此，傳感器能夠集成在蓄電池單元內(nèi)，而不需要額外的向外穿過殼壁的電力線。替代地，也能夠使用一種以雙極技術(shù)，例如，帶隙，CTAT(與絕對溫度成反比的電流產(chǎn)生器)和PTAT(與絕對溫度成正比的電流產(chǎn)生器)為基礎(chǔ)的方法或一種以簡單的二極管為基礎(chǔ)的方法。能夠針對性地轉(zhuǎn)換輸出信號，優(yōu)選為電壓，即，數(shù)字化。
[0016]優(yōu)選地，電極裝置由第一電極和第二電極以及其間的分離器形成的繞組組成，并且在一個實施例中溫度傳感器是直接安置在繞組處。
[0017]優(yōu)選地，電極裝置與至少一個集流器(Stromsammler)連接,所述集流器將電極裝置的電流從殼體中導(dǎo)出，并且優(yōu)選地溫度傳感器與集流器熱耦合，更加優(yōu)選地直接安置在至少一個集流器上。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的設(shè)計方案中，溫度傳感器通過電極裝置與電源電連接。因為集流器是直接與蓄電池單元繞組連接，并且從電極裝置量取電流，所以溫度傳感器能夠直接確定蓄電池單元繞組處的溫度并且同時從蓄電池單元繞組獲取用于運行的電流。
[0018]此外還提出一種具有按照本發(fā)明的蓄電池單元的車輛，其中蓄電池單元與車輛的驅(qū)動裝置連接。
[0019]在從屬權(quán)利要求和說明書中對本發(fā)明的優(yōu)選的改進方案進行說明。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]下面借助附圖和說明對本發(fā)明的實施例進行更詳細的解釋。附圖簡介:
[0021]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的蓄電池，
[0022]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)繞制的電極裝置，
[0023]圖3示出了蓄電池內(nèi)阻的瞬態(tài)部分在一定溫度下的曲線，
[0024]圖4示出了按照本發(fā)明的蓄電池，其具有蓄電池單元和在蓄電池單元殼體內(nèi)的溫度傳感器，
[0025]圖5示出了按照本發(fā)明的具有等效電路的蓄電池單元模型，
[0026]圖6示出了熱振蕩器的實施方式。
【具體實施方式】
[0027]在圖1中顯示的是現(xiàn)有技術(shù)的蓄電池200。蓄電池200包括一個蓄電池控制設(shè)備40和一個具有殼體70的蓄電池單兀100。一個電池核,一個電極裝置10安置在殼體70內(nèi)部。電極裝置10包括一個第一正電極和一個第二負電極11，12 (見圖2),所述電極通過一個分離器13分隔開。優(yōu)選地，電極11，12與其間的分離器13繞制在一起，見圖2。在兩個相對側(cè)，電極裝置10與集流器30接觸。第一集流器30與第一電極11接觸，第二集流器30與第二電極12接觸。集流器30與第一和第二端子60，62連接。端子60，62從蓄電池單元100的殼體70導(dǎo)出電流。蓄電池控制設(shè)備40通過電線50與蓄電池單元100的端子60，62連接。蓄電池控制設(shè)備40對蓄電池200的運行進行控制，例如，充電和放電過程。優(yōu)選地，在蓄電池控制設(shè)備40內(nèi)實施蓄電池模型。該模型用于監(jiān)控蓄電池200。
[0028]圖3顯示的是電池內(nèi)阻的瞬態(tài)部分與電池內(nèi)部的溫度之間的相關(guān)性。尤其是在低于20°C的溫度范圍內(nèi)曲線具有高的變化率。隨著溫度的上升蓄電池單元100的電阻值逐漸變小。如果是在殼體的外部測量溫度，則溫度值常常比殼體的內(nèi)部溫度低5K并且實際上較遲地顯示在殼體內(nèi)部的溫度上升。如開篇時所述，這會導(dǎo)致在確定蓄電池模型內(nèi)的電阻值時出現(xiàn)誤差和并進而造成錯誤地計算蓄電池的電壓。
[0029]圖4顯示的是按照本發(fā)明的蓄電池200。所述蓄電池的結(jié)構(gòu)與圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)的蓄電池200基本一致，但是在蓄電池單元100的內(nèi)部具有溫度傳感器20。
[0030]溫度傳感器20將溫度轉(zhuǎn)換成頻率，即，提供一個與溫度成比例的頻率信號。該溫度傳感器包括但不限于熱振蕩器，優(yōu)選是借助CMOS-技術(shù)集成在專用集成電路中的微芯片上的熱振蕩器。
[0031]優(yōu)選地，熱振蕩器是一種CMOS-溫度-頻率-轉(zhuǎn)換器，如Makinwa和Snoeij ( “A CMOS Temperature-to-Frequency Converter With an Inaccuracy of LessThan±0.5°C (3 σ )From_40°C?105°C, K.A.A.Makinwa, Martijn F.Snoeij, IEEE Journalof Solid-State Circuits, Vol.41, N0.12, December2006, p.2992-2997)所公開的。
[0032]優(yōu)選地，通過這種結(jié)構(gòu)能夠簡單地通過已有的電流路徑從蓄電池殼體向外傳輸準-數(shù)字輸出信號。不需要額外的貫穿殼體的電力線。
[0033]替代地，也能夠使用一種以雙極技術(shù)為基礎(chǔ)的方法。隨后能夠有針對性地對輸出信號，優(yōu)選電壓進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。
[0034]例如，尤其有針對性地，像圖4中一樣將溫度傳感器20直接安置在電池繞組10處。這樣就能夠直接測量電極溫度并同時向溫度傳感器20供電。溫度傳感器然后與第一和第二電極電連接。
[0035]在另一個優(yōu)選的設(shè)計方案中，溫度傳感器20也能夠直接安置在電池繞組的至少一個集流器30上。集流器30通常具有一個高的導(dǎo)熱能力，是由金屬制成并且因此能夠?qū)㈦姵乩@組的溫度良好地向溫度傳感器20傳輸。
[0036]也能夠從外部通過端子60，62向位于殼體70內(nèi)部的溫度傳感器20供電。
[0037]優(yōu)選地，測得的溫度被調(diào)制到蓄電池內(nèi)部已有的電流傳導(dǎo)路徑(端子-集流器-電池繞組)。然后能夠從那里開始通過電力線50將溫度向蓄電池控制設(shè)備40傳遞。通過將溫度傳感器20的振蕩耦合到電流傳導(dǎo)路徑能夠電容地或電感地將溫度信息從殼體70導(dǎo)出。振蕩在蓄電池單元100的外部通過用于振蕩耦合輸出的裝置(未顯示)被重新耦合輸出并且在蓄電池控制設(shè)備40中被應(yīng)用于在那里實施的蓄電池模型。
[0038]這能夠在線執(zhí)行，即在蓄電池單元100的運行過程中，也能夠離線執(zhí)行，即在蓄電池單元100的靜止狀態(tài)。在后一種情況下是從外部向溫度傳感器20加載能量。
[0039]在蓄電池控制設(shè)備40內(nèi)使用與蓄電池單元100匹配的和參數(shù)化的蓄電池模型。測得的電流通常與測量的溫度一起作為輸入值輸入該模型，該模型模擬從中得出的電壓并且將其與測得的電壓進行比較，以便對模型參數(shù)進行調(diào)節(jié)，確定充電狀態(tài)，提供電流或功率的預(yù)測，等等。
[0040]無論現(xiàn)在在線還是離線，如果優(yōu)選地在兩種應(yīng)用情況下使用按照本發(fā)明的來自電池核的溫度測量值，則能夠明顯改觀地計算和預(yù)報蓄電池單元的動態(tài)特性。
[0041]在一個實施示例中，如圖5所示，通過一個歐姆電阻和RC-元件在蓄電池控制設(shè)備40 內(nèi)實施等效電路(ECM- “equivalent circuit model)。
[0042]等效電路包括空載電壓Uocv，蓄電池單元Ucell，第一電阻R0，歐姆電阻，與該歐姆電阻串聯(lián)連接的第二電阻Rl和一個電容器Cl的并聯(lián)電路。電流I流過第一電阻R0，劃分成流經(jīng)第二電阻Rl的電流IR和流經(jīng)電容器Cl的電流1C。電壓Ul通過第一電阻Rl下降。然后如下計算蓄電池單元100的電壓:
[0043]Ucell = U0CV+R0.Icen+Ui (公式 I)
[0044]其中U1，具有適當?shù)某跏紬l件U10，是下述公式的答案.'
【權(quán)利要求】
1.一種蓄電池單元(100)，其包括殼體(70)和溫度傳感器(20)，在所述殼體內(nèi)安置有電極裝置(10)，所述溫度傳感器安置在所述殼體(70)的內(nèi)部，其特征在于，所述溫度傳感器(20)包括電熱振蕩器(300)，所述電熱振蕩器將溫度轉(zhuǎn)化成頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述溫度傳感器(20)是差分溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述溫度傳感器(20)具有介于0.5K/min與5K/min之間的溫度動態(tài)(Λ T/dt)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述溫度傳感器(20)集成在微芯片中的集成電路內(nèi)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述溫度傳感器(20)包括CMOS-振蕩器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述電熱振蕩器(300)包括具有熱電偶(324)的熱電堆(322)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述溫度傳感器(20)包括與溫度相關(guān)的雙極型晶體管。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述電極裝置(10)是由第一電極和第二電極(11，12)以及其間的分離器(13)形成的繞組組成，并且所述溫度傳感器(20)安置在所述繞組(80)處，優(yōu)選地直接安置在所述繞組(80)處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述電極裝置(10)與至少一個集流器(30)連接，所述至少一個集流器將所述電極裝置(10)的電流從所述殼體(70)中導(dǎo)出，并且所述溫度傳感器(20)與所述集流器(30)熱耦合，優(yōu)選地所述溫度傳感器(20)直接安置在所述至少一個集流器(30)上。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述溫度傳感器(20)的輸出信號借助電力線通信從所述殼體(70)輸出。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池單元(100)，其特征在于，所述溫度傳感器(20)通過所述電極裝置(10)電連接至電源。
12.—種車輛，其包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的蓄電池單元(100)，其中所述蓄電池單元(100)與車輛的驅(qū)動裝置連接。
【文檔編號】G01K15/00GK103975480SQ201280056369
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月18日
【發(fā)明者】E·賴倫, J·施奈德, A·霍伊布納, C·潘基維茨, F·亨里齊, P·菲舍爾 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社