確定電池組中的單體的溫度的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種通過測量單體的阻抗和使用阻抗來確定溫度而在不使用溫度傳感器的情況下確定電池組中的單體的溫度的方法和系統(tǒng)。AC電壓信號被施加給電池組，獲得電壓和電流數(shù)據(jù)的時間采樣。電壓和電流數(shù)據(jù)被縮小為感興趣的同時的時間窗口，對窗口處理后的電壓和電流數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換，以識別在一個或多個具體頻率的電壓和電流的幅值。電壓和電流幅值被用于確定在一個或多個頻率下的阻抗。最后，阻抗被用于使用查詢表確定一個或多個單體的溫度，其中，阻抗、頻率和充電狀態(tài)被用作查詢的輸入?yún)?shù)。
【專利說明】確定電池組中的單體的溫度的方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及電池組中的單體溫度測量，更具體地涉及用于確定電池組中的單體的溫度的方法和系統(tǒng)，其不要求溫度傳感器，而是在施加給定頻率的AC電壓信號下確定每個單體的阻抗，并且使用該阻抗和充電狀態(tài)來確定單體的溫度。
【背景技術(shù)】
[0002]電動車輛和汽油-電或柴油-電混合動力車輛正在當(dāng)今的汽車市場迅速普及。電動和混合電動車輛提供了若干可取的特征，諸如減少或消除消費者層級的排放和基于石油的燃料消耗，和潛在地降低了運行成本。電動和混合電動車輛的關(guān)鍵子系統(tǒng)是電池組，其可以代表相當(dāng)大比例的車輛成本。這些車輛中的電池組通常由多個互連的單體組成，它們能夠按需輸送大量功率。最大化電池組的性能和壽命是電動和混合電動車輛設(shè)計和操作中的關(guān)鍵問題。
[0003]典型的電動車輛電池組包括一個或多個電池組段，每段包含串聯(lián)的多個單體以提供所需的電壓。為了優(yōu)化電池組的性能和持久性，監(jiān)測單體的溫度是重要的。測量每個單獨的單體的溫度是不實際的或成本過高的，因此通常在電池組中的分散位置具有一些溫度傳感器。這些溫度傳感器僅測量單體的表面溫度，因此來自溫度傳感器的數(shù)據(jù)僅能夠用于確定平均的電池組溫度，以及識別可能發(fā)生的任何異常高或低的溫度。
[0004]盡管使用傳統(tǒng)的溫度傳感器是熟知的和比較有效的，但如果任何溫度傳感器失效則可能發(fā)生問題。這種失效可能導(dǎo)致不精確的溫度讀數(shù)，其可能損害電池組的性能。失效還可能要求車輛的服務(wù)訪問，以便更換有缺陷的構(gòu)件。此外，在電池組中所能夠提供的溫度傳感器的數(shù)量有實際的限制。因此，每個單獨的單體的溫度僅能夠被估計。并且，溫度傳感器硬件增加了整體系統(tǒng)的成本。
[0005]需要一種不要求物理溫度傳感器的電池組單體溫度測量方法。這種方法可以通過省去溫度傳感器而降低成本，通過避免更換失效的溫度傳感器而改善可靠性，以及通過提供每個單體的溫度數(shù)據(jù)而不是在電池組中的幾個點的溫度數(shù)據(jù)來改善電池組性能和持久性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種通過測量單體的阻抗和使用阻抗來確定溫度而在不使用溫度傳感器的情況下確定電池組中的單體的溫度的方法和系統(tǒng)。AC電壓信號被施加給電池組，獲得電壓和電流數(shù)據(jù)的時間采樣。電壓和電流數(shù)據(jù)被縮小為感興趣的同時的時間窗口，對窗口處理后的電壓和電流數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換，以識別在一個或多個具體頻率的電壓和電流的幅值。電壓和電流幅值被用于確定在一個或多個頻率下的阻抗。最后，阻抗被用于使用查詢表確定一個或多個單體的溫度，其中，阻抗、頻率和充電狀態(tài)被用作查詢的輸入?yún)?shù)。
[0007]此外，本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。[0008]1.一種用于電池組中的單體的溫度測量系統(tǒng)，所述溫度測量系統(tǒng)包括:
用于對所述電池組施加交流(AC)電壓信號的裝置；
用于測量所述電池組中的單體組上的電壓的電壓傳感器，其中，所述單體組包括并聯(lián)的一個或多個單體，所述電壓傳感器提供所述單體組的電壓信號；
用于測量電池組電流的電流傳感器，所述電流傳感器提供所述電池組的電流信號；接收所述電壓信號和所述電流信號并且將這些信號減少為同時的時間窗口的窗口處理模塊；
對所述時間窗口的電壓信號和電流信號執(zhí)行快速傅里葉變換的快速傅里葉變換(FFT)模塊，以便提供一個或多個頻率下的電壓和電流幅值；以及
計算模塊，所述計算模塊由所選頻率下的電壓幅值和電流幅值計算單體組的阻抗，并且使用阻抗和所選頻率、以及充電狀態(tài)值來確定單體組的溫度。
[0009]2.如技術(shù)方案I所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，阻抗被測量并且被用于確定所述電池組中的每個單體組的溫度。
[0010]3.如技術(shù)方案I所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述電池組用在電動車輛或混合電動車輛中。
[0011 ] 4.如技術(shù)方案3所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述用于施加AC電壓信號的裝置包括為驅(qū)動馬達提供功率的牽引逆變器。
[0012]5.如技術(shù)方案4所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述AC電壓信號由于所述牽引逆變器為驅(qū)動馬達提供功率而自然地產(chǎn)生。
[0013]6.如技術(shù)方案4所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述AC電壓信號專門為了阻抗測量的目的而模擬地產(chǎn)生。
[0014]7.如技術(shù)方案I所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述窗口處理模塊、所述FFT模塊和所述計算模塊包括在電池組控制器中。
[0015]8.如技術(shù)方案7所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述電池組控制器使用單體組的溫度來估計所述單體組的性能和健康狀態(tài)。
[0016]9.如技術(shù)方案I所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述計算模塊使用查詢表基于阻抗、所選頻率和充電狀態(tài)來確定單體組的溫度。
[0017]10.一種用于包括基于阻抗的溫度測量的電動車輛的電池組系統(tǒng)，所述電池組系統(tǒng)包括:
包含多個單體組的電池組，其中，每個單體組包括并聯(lián)的一個或多個單體；
為驅(qū)動馬達提供功率的牽引逆變器，所述牽引逆變器還對所述電池組施加交流(AC)電壓信號；
用于測量所述電池組中的每個單體組上的電壓的多個電壓傳感器，所述電壓傳感器提供每個單體組的電壓信號；
用于測量電池組電流的電流傳感器，所述電流傳感器提供所述電池組的電流信號；接收所述電壓信號和所述電流信號并且將這些信號減少為同時的時間窗口的窗口處理模塊；
對所述時間窗口的電壓信號和電流信號執(zhí)行快速傅里葉變換的快速傅里葉變換(FFT)模塊，以便提供一個或多個頻率下的電壓和電流幅值；以及 計算模塊，所述計算模塊由所選頻率下的電壓幅值和電流幅值計算每個單體組的阻抗，并且使用阻抗和所選頻率、以及充電狀態(tài)值來確定單體組的溫度。
[0018]11.如技術(shù)方案10所述的電池組系統(tǒng)，其中，所述AC電壓信號由于所述牽引逆變器為驅(qū)動馬達提供功率而自然地產(chǎn)生。
[0019]12.如技術(shù)方案10所述的電池組系統(tǒng)，其中，所述AC電壓信號專門為了阻抗測量的目的而模擬地產(chǎn)生。
[0020]13.如技術(shù)方案10所述的電池組系統(tǒng)，其中，所述窗口處理模塊、所述FFT模塊和所述計算模塊包括在電池組控制器中，所述電池組控制器使用單體組的溫度來估計所述電池組的性能和健康狀態(tài)。
[0021]14.一種用于確定電池組中的單體溫度的方法，所述方法包括:
對所述電池組施加交流(AC)電壓信號；
測量所述電池組中的單體組上的電壓并且提供所述單體組的電壓信號，其中，所述單體組包括并聯(lián)的一個或多個單體；
測量電池組電流并且提供所述電池組的電流信號；
將所述電壓信號和所述電流信號減少為同時的時間窗口 ；
對所述時間窗口的電壓信號和電流信號執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，以便提供一個或多個頻率下的電壓和電流幅值；
由所選頻率下的電壓幅值和電流幅值計算所述單體組的阻抗；以及 使用所述阻抗和所選頻率、以及充電狀態(tài)值來確定所述單體組的溫度。
[0022]15.如技術(shù)方案14所述的方法，其中，阻抗被測量并且被用于確定所述電池組中的每個單體組的溫度。
[0023]16.如技術(shù)方案14所述的方法，其中，所述電池組用在電動車輛或混合電動車輛中。
[0024]17.如技術(shù)方案16所述的方法，其中，所述AC電壓信號由為驅(qū)動馬達提供功率的牽引逆變器提供。
[0025]18.如技術(shù)方案17所述的方法，其中，所述AC電壓信號由于所述牽引逆變器為驅(qū)動馬達提供功率而自然地產(chǎn)生。
[0026]19.如技術(shù)方案17所述的方法，其中，所述AC電壓信號專門為了阻抗測量的目的而模擬地產(chǎn)生。
[0027]20.如技術(shù)方案14所述的方法，還包括使用單體組的溫度來估計所述單體組的性能和健康狀態(tài)。
[0028]本發(fā)明的其它特征將從結(jié)合附圖的以下描述和權(quán)利要求變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是混合電動車輛電池組和相關(guān)構(gòu)件的示意圖，其示出了電池組溫度測量的傳統(tǒng)方法和一種新方法；
圖2是作為多個溫度下的輸入信號頻率的函數(shù)的電池單體阻抗的圖；
圖3是在不使用溫度傳感器的情況下確定電池組中單獨的單體溫度的系統(tǒng)的示意圖；
以及 圖4是在不使用溫度傳感器的情況下確定電池組中單獨的單體溫度的方法的流程圖?！揪唧w實施方式】
[0030]本發(fā)明的實施例的以下討論涉及通過阻抗測量來確定電池組單體溫度的方法和系統(tǒng)，其在本質(zhì)上僅僅是示例性的，絕非意圖限制本發(fā)明或其應(yīng)用或用途。例如，以下討論涉及電動車輛電池組中的單體溫度測量，但該方法等同地可以應(yīng)用于其它車輛和非車輛應(yīng)用中的電池組。
[0031]電動車輛和汽油-電或柴油-電混合動力車輛(以下簡單地統(tǒng)稱為“電動車輛”)中的電池組通常包括幾百個單獨的單體。在一種流行的鋰離子可充電電池化學(xué)中，每個單體名義上產(chǎn)生大約3.7伏，確切的值依賴于充電狀態(tài)和其它因素。在模塊中串聯(lián)連接的很多單體提供驅(qū)動電動車輛馬達所需的高電壓，而多個單體可以以單體組并聯(lián)布置，以便增加容量。
[0032]圖1是包括電池組10和相關(guān)構(gòu)件的混合電動車輛100的示意圖，其示出了電池組溫度測量的傳統(tǒng)方法以及如何實現(xiàn)一種新的方法。諸如電池組10的電池組通常由一個或多個段12組成，每個段12包含很多單獨的電池單體14。在一種流行的架構(gòu)中，多于一個的單體14在單體組16中并聯(lián)連接。在電池組10中，具體而言，在每個單體組16中包含三個單體14。
[0033]電池組10提供能量給牽引逆變器20，該逆變器20將直流(DC)電池電壓轉(zhuǎn)換為三相交流(AC)信號，該三相交流信號被驅(qū)動馬達22使用以推動車輛100。發(fā)動機24可以用于驅(qū)動發(fā)電機26，該發(fā)電機26又提供能量以便通過逆變器20對電池組10充電。外部功率(電網(wǎng)功率)也可以用于通過未示出的電路對電池組10充電。
[0034]在典型的架構(gòu)中，電壓-電流-溫度模塊(VITM)30監(jiān)測電池組10的電壓、電流、溫度。VITM30與電壓-溫度子模塊(VTSM)32通信，其中，每個段12被提供一個VTSM32。VTSM32監(jiān)測每個單體組16上的電壓，以及每個段12中各位置處的溫度，如之前所述。VTSM32將電壓和溫度數(shù)據(jù)提供給VITM30，該VITM30另外地測量流入或流出電池組10的電流。VITM30提供電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)給電池控制器34，該電池控制器34監(jiān)測電池組性能并且控制電池組的操作。電池控制器34與車輛100中的其它控制器(未示出)通信，并且控制開關(guān)36等的操作。附圖1中省略了與本討論無關(guān)的其它硬件和電路。
[0035]如上所述，在典型的電池組架構(gòu)中，VTSM32通過在電池組10中的各個位置處的溫度傳感器(未示出)來監(jiān)測溫度。然后，所測量的溫度數(shù)據(jù)以及電壓和電流數(shù)據(jù)被電池控制器34所使用來估計電池組10中的情況。然而，如同之前也提到的，期望省去溫度傳感器并且以其它方式確定溫度。如同以下將詳細描述的，每個單體組16的阻抗可以被測量，使用阻抗和溫度之間的已知關(guān)系，可以確定每個單體組16的溫度。通過將AC電壓信號施加給電池組10，并且測量電池組電流和每個單體組16上的電壓，可以測量阻抗?？梢酝ㄟ^牽引逆變器20方便地提供AC電壓信號。
[0036]圖2是作為多個溫度下的信號頻率的函數(shù)的電池單體阻抗的圖120。在圖120中，水平軸線122表示所施加的電壓信號的頻率，豎直軸線124表示電池單體14或單體組16的阻抗。水平軸線122從零赫茲(Hz)的頻率或直流電流一直到大約10000Hz的頻率。水平軸線可以方便地以對數(shù)刻度顯示頻率。豎直軸線124以歐姆或毫歐姆來顯示電池單體14或單體組16的阻抗，最大值通常是小于20毫歐姆。
[0037]曲線130表示單體14在_25°C的溫度下的阻抗。曲線132表示單體14在_10°C的溫度下的阻抗。曲線134表示單體14在5°C的溫度下的阻抗。曲線136表示單體14在25°C的溫度下的阻抗。對于給定的信號頻率，阻抗根據(jù)溫度而變化這一事實可以用于基于在已知的頻率所測量的阻抗而確定電池單體14或單體組16的溫度。實際上，單體14的阻抗還隨著充電狀態(tài)而變化。因此，在實際中，查詢表可以用于確定單體14的溫度，其對應(yīng)于給定頻率的已知充電狀態(tài)下所測量的阻抗。查詢表可以具有來自單體14或單體組16的實驗室測試的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)都是事先已知的，并且可以被編程到例如電池控制器34中，在其中，其可以被用于查詢電池組10操作期間的溫度值。
[0038]當(dāng)給定圖120中所示的阻抗和溫度的關(guān)系時，需要選擇輸入信號頻率，并且設(shè)計測量阻抗的裝置。在圖120中可以看到，在低頻率時，阻抗隨著溫度的變化是最大的。然而，對于測量阻抗的目的來說，非常低的輸入信號頻率可能不是期望的，因為在非常低的頻率下，大量的充電和放電能量實際上被施加到電池組10。另一方面，在非常高的頻率下，不同溫度下的阻抗的差別較小，因此導(dǎo)致溫度測量的較低精度。要使用的實際頻率可以選擇為這些因素的折衷，并且可以在100-500Hz的范圍內(nèi)。
[0039]此外，期望使用的頻率是牽引逆變器20驅(qū)動馬達22所自然表現(xiàn)出的頻率。作為示例，在車輛加速過程中，170Hz是通常存在于逆變器頻譜中的頻率。在這種情況下，在電池組10放電或者將較大電流提供給逆變器20時，脈動電流或者包含170Hz的AC分量的電流將在單體組16中被檢測到，并且可用于阻抗測量。
[0040]圖3是在不使用溫度傳感器的情況下確定阻抗并且確定電池組中單獨的單體組的溫度的系統(tǒng)200的示意圖。之前在圖1中所示的物體在圖3中以相同的參考標(biāo)號示出。如之前所述，示出了其一個段12的電池組10包括串聯(lián)的很多單體組16。在該討論中，應(yīng)該懂得，每個單體組16可以包括任何適當(dāng)數(shù)量的單獨單體14。也就是說，單體組的尺寸范圍可以從一個(沒有并聯(lián)成組的單獨單體14)至三個或更多。
[0041]每個單體組16上的電壓利用電壓傳感器212測量。電壓傳感器212可以包括在VTSM32中，如圖1所示。利用電流傳感器214測量電池組電流，該電流傳感器214可以包括在圖1中所示的VITM30中。牽引逆變器20提供脈動電流或者AC電壓信號給電池組10。AC電壓信號可以由于逆變器20為驅(qū)動馬達22提供功率而自然產(chǎn)生，或者逆變器20可以單獨為了阻抗測量而產(chǎn)生模擬AC電壓信號。
[0042]來自電壓傳感器212和電流傳感器214的信號被窗口處理模塊220所接收，并且如果需要的話，從模擬的轉(zhuǎn)換為數(shù)字的。窗口處理模塊220捕獲電壓和電流數(shù)據(jù)的同時的時間采樣，并且將數(shù)據(jù)縮小為感興趣的時間窗口。窗口處理過的電壓和電流數(shù)據(jù)然后提供給FFT模塊222，該FFT模塊222對數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換，以識別在一個或多個具體頻率的電壓和電流的幅值。FFT模塊222的輸出是每個單體組16在特定頻率下的電壓幅值以及電池組10在該特定頻率下的電流幅值。
[0043]在特定的頻率下的電壓和電流幅值可以被計算模塊224所使用來根據(jù)公式(I)確定每個單體組16的阻抗。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電池組中的單體的溫度測量系統(tǒng)，所述溫度測量系統(tǒng)包括: 用于對所述電池組施加交流(AC)電壓信號的裝置； 用于測量所述電池組中的單體組上的電壓的電壓傳感器，其中，所述單體組包括并聯(lián)的一個或多個單體，所述電壓傳感器提供所述單體組的電壓信號； 用于測量電池組電流的電流傳感器，所述電流傳感器提供所述電池組的電流信號；接收所述電壓信號和所述電流信號并且將這些信號減少為同時的時間窗口的窗口處理模塊； 對所述時間窗口的電壓信號和電流信號執(zhí)行快速傅里葉變換的快速傅里葉變換(FFT)模塊，以便提供一個或多個頻率下的電壓和電流幅值；以及 計算模塊，所述計算模塊由所選頻率下的電壓幅值和電流幅值計算單體組的阻抗，并且使用阻抗和所選頻率、以及充電狀態(tài)值來確定單體組的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，阻抗被測量并且被用于確定所述電池組中的每個單體組的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述電池組用在電動車輛或混合電動車輛中。
4.如權(quán)利要求3所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述用于施加AC電壓信號的裝置包括為驅(qū)動馬達提供功率的牽引逆變器。
5.如權(quán)利要求4所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述AC電壓信號由于所述牽引逆變器為驅(qū)動馬達提供功率而自然地產(chǎn)生。
6.如權(quán)利要求4所述的 溫度測量系統(tǒng)，其中，所述AC電壓信號專門為了阻抗測量的目的而模擬地產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求1所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述窗口處理模塊、所述FFT模塊和所述計算模塊包括在電池組控制器中。
8.如權(quán)利要求7所述的溫度測量系統(tǒng)，其中，所述電池組控制器使用單體組的溫度來估計所述單體組的性能和健康狀態(tài)。
9.一種用于包括基于阻抗的溫度測量的電動車輛的電池組系統(tǒng)，所述電池組系統(tǒng)包括: 包含多個單體組的電池組，其中，每個單體組包括并聯(lián)的一個或多個單體； 為驅(qū)動馬達提供功率的牽引逆變器，所述牽引逆變器還對所述電池組施加交流(AC)電壓信號； 用于測量所述電池組中的每個單體組上的電壓的多個電壓傳感器，所述電壓傳感器提供每個單體組的電壓信號； 用于測量電池組電流的電流傳感器，所述電流傳感器提供所述電池組的電流信號；接收所述電壓信號和所述電流信號并且將這些信號減少為同時的時間窗口的窗口處理模塊； 對所述時間窗口的電壓信號和電流信號執(zhí)行快速傅里葉變換的快速傅里葉變換(FFT)模塊，以便提供一個或多個頻率下的電壓和電流幅值；以及 計算模塊，所述計算模塊由所選頻率下的電壓幅值和電流幅值計算每個單體組的阻抗，并且使用阻抗和所選頻率、以及充電狀態(tài)值來確定單體組的溫度。
10.一種用于確定電池組中的單體溫度的方法，所述方法包括: 對所述電池組施加交流(AC)電壓信號； 測量所述電池組中的單體組上的電壓并且提供所述單體組的電壓信號，其中，所述單體組包括并聯(lián)的一個或多個單體； 測量電池組電流并且提供所述電池組的電流信號； 將所述電壓信號和所述電流信號減少為同時的時間窗口 ； 對所述時間窗口的電壓信號和電流信號執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)，以便提供一個或多個頻率下的電壓和電流幅值； 由所選頻率下的電壓幅值和電流幅值計算所述單體組的阻抗；以及 使用所述阻抗和所選頻率·、以及充電狀態(tài)值來確定所述單體組的溫度。
【文檔編號】H01M10/48GK103427133SQ201310179577
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月15日
【發(fā)明者】R.馬特, H-J.亨伯特, K.科瓦爾茨克 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司