车辆中的电化学蓄能器的温度调节方法

摘要

用于车辆中的电化学蓄能器的温度调节方法，其中所述电化学蓄能器为了其冷却目的而具有冷却装置，并且其中，利用温度测量装置确定电化学蓄能器的温度实际值而且通过两点式调节装置设置电化学蓄能器的温度期望值，所述两点式调节装置在电化学蓄能器的温度上限的情况下激活冷却装置，而在电化学蓄能器的温度下限的情况下使冷却装置去激活，其中，两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限在电化学蓄能器运行期间或者在激活冷却装置期间与时间有关地被确定，并且其中，两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据蓄能器数据和/或车辆工作数据而被确定。

权利要求

1.用于车辆中的电化学蓄能器的温度调节方法，其中，电化学蓄能器为了其冷却的目的而拥有冷却装置，并且其中，电化学蓄能器的温度实际值利用温度测量装置来确定，而电化学蓄能器的温度期望值通过两点式调节装置来设置，两点式调节装置在电化学蓄能器的温度上限的情况下激活冷却装置而两点式调节装置在电化学蓄能器的温度下限的情况下使冷却装置去激活，-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限在电化学蓄能器工作期间或者在冷却装置激活期间与时间有关地来确定，-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据蓄能器数据和车辆工作数据来确定，其特征在于，

-车辆工作数据包含关于用户行为的信息，用户行为表征车辆的确定的驾驶员，其中，该驾驶员通过车辆中的识别装置来识别，-确定的驾驶员的用户行为根据电化学蓄能器的在长观察时段上的充电电流和放电电流的记录来确定，或者用户行为根据车辆在长观察时段上的加速值和减速值的记录来确定，以及-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据确定的驾驶员的用户行为来确定。

2.根据权利要求1所述的温度调节方法，

其特征在于，

-蓄能器数据和车辆工作数据存储在车辆的至少一个控制设备或者车辆的存储介质上，-蓄能器数据和车辆工作数据利用车辆中的测量装置来确定或者通过在控制设备上执行的计算来确定或者通过在控制设备上执行的仿真来确定或者由车辆的通信装置来接收，以及-蓄能器数据和车辆工作数据用作温度调节方法的输入量。

3.根据权利要求1或2所述的温度调节方法，其特征在于，

-蓄能器数据包含根据时间的对电化学蓄能器的温度实际值的记录，-与时间有关的温度梯度根据温度实际值的记录来确定，以及-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据与时间有关的温度梯度来确定。

4.根据权利要求1或2所述的温度调节方法，其特征在于，

-蓄能器数据包含与时间有关的对电化学蓄能器的充电电流和放电电流的记录和与时间有关的对电化学蓄能器的电压的记录，-根据电流的记录和电压的记录确定电化学蓄能器的与时间有关的相对充电状态，以及-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据与时间有关的相对充电状态来确定。

5.根据权利要求4所述的温度调节方法，

其特征在于，

-根据电流的记录和电压的记录确定电化学蓄能器的与时间有关的内阻，以及-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据与时间有关的内阻来确定。

6.根据权利要求1或2所述的温度调节方法，其特征在于，

-车辆工作数据包含与时间有关的对车辆环境温度的记录，以及-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据环境温度来确定。

7.根据权利要求1或2所述的温度调节方法，其特征在于，

-车辆工作数据包含即将发生的行驶路线的路段简档，行驶路线由车辆的导航装置来确定，-车辆工作数据包含关于沿着即将发生的行驶路线的交通状况的信息，所述信息由车辆的通信装置来接收，-车辆工作数据包含在车辆的所在地和沿着即将发生的行驶路线的天气预报的信息，所述信息由车辆的通信装置接收，以及-两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据路段简档和/或交通状况和/或天气预报来确定。

说明书

车辆中的电化学蓄能器的温度调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于车辆中的电化学蓄能器的温度调节方法，其中，所述电化学蓄能器为了其冷却目的而拥有冷却装置，并且其中，利用温度测量装置确定电化学蓄能器的温度实际值并且通过两点式调节装置设置电化学蓄能器的温度期望值，所述两点式调节装置在电化学蓄能器的温度上限的情况下激活冷却装置，而在电化学蓄能器的温度下限的情况下使冷却装置去激活。

背景技术

[0002] 电化学蓄能器在用于客运和货运的车辆的驱动器的不断电气化的过程中越来越有意义。尤其是，基于锂离子电池技术的在高压范围中的二次蓄能器是当前研究和开发的对象。多个锂离子电池在电池壳体中被连接，并且与监控和调节电子装置以及冷却装置一起形成电化学蓄能器的整个系统。因为电池单元在窄温度带中具有其最优工作范围并且尤其是在特别高的温度的情况下遭受加速老化，所以电化学蓄能器的系统也具有用于使电池冷却的冷却装置，使得这些电池不超过最大允许极限温度。

[0003] 根据现有技术，除了空气冷却之外也使用液体冷却，在液体冷却的情况下，冷却循环中的制冷剂通过沸腾冷却在电化学蓄能器中被蒸发并且在压缩制冷机中被冷凝。例如从文献EP 2068390 A1中得知这种冷却装置。在冷却电化学蓄能器时，热传递由于沸腾冷却没有用作调节量。仅仅制冷剂流被调节。如在文献JP 2001105843 A中所描述的那样，在此使用两点式调节器，所述两点式调节器设置工作状态“制冷剂流入”和“制冷剂流出”。为了冷却电池的目的，两点式调节器在预设的温度上限的情况下激活冷却循环，并且在预设的温度下限的情况下使冷却循环去激活，使得电池的温度不超过最大温度。

[0004] 对于温度上限和温度下限的固定预设不利的是，电化学蓄能器在冷却期间达到的最大温度虽然没有超过电化学蓄能器的最大允许极限温度，但是在实际达到的最大温度与所允许的最大极限温度之间的差在大多数工作状况下被证明为大得不必要。为了不超过最大极限温度，电化学蓄能器因而在时间平均上工作在小于所需温度的温度下。电化学蓄能器在预给定的最优温度工作范围之内按趋势在较高温度下具有较高能量效率。蓄能器的充电和放电效率因此按照现有技术并未尽可能好地被使用。此外，还出现冷却部件的磨损提高。

发明内容

[0005] 因而，本发明的任务是给出一种用于车辆中的电化学蓄能器的改进的温度调节方法。

[0006] 该任务通过根据本发明的温度调节方法来解决，即，一种用于车辆中的电化学蓄能器的温度调节方法，其中，电化学蓄能器为了其冷却的目的而拥有冷却装置，并且其中，电化学蓄能器的温度实际值利用温度测量装置来确定，而电化学蓄能器的温度期望值通过两点式调节装置来设置，两点式调节装置在电化学蓄能器的温度上限的情况下激活冷却装置而两点式调节装置在电化学蓄能器的温度下限的情况下使冷却装置去激活，其中，[0007] -两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限在电化学蓄能器工作期间或者在冷却装置激活期间与时间有关地来确定，

[0008] -两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据蓄能器数据和/或车辆工作数据来确定，

[0009] -蓄能器数据包含与时间有关的对电化学蓄能器的充电电流和放电电流的记录和与时间有关的对电化学蓄能器的电压的记录，

[0010] -根据电流的记录和电压的记录确定电化学蓄能器的与时间有关的相对充电状态，以及

[0011] -两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据与时间有关的相对充电状态来确定，

[0012] 其特征在于，

[0013] -根据电流的记录和电压的记录确定电化学蓄能器的与时间有关的内阻，以及[0014] -两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据与时间有关的内阻来确定。

[0015] 描述了一种用于车辆中的电化学蓄能器的温度调节方法，其中，电化学蓄能器为了其冷却目的而具有冷却装置，并且其中，利用温度测量装置确定电化学蓄能器的温度实际值并且通过两点式调节装置设置电化学蓄能器的温度期望值，所述两点式调节装置在电化学蓄能器的温度上限情况下激活冷却装置以及在电化学蓄能器的温度下限情况下使冷却装置去激活。根据本发明，在电化学蓄能器工作期间或者在激活冷却装置期间与时间有关地确定两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限，并且根据蓄能器数据和/或车辆工作数据确定两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限。

[0016] 本发明具有如下优点：利用两点式调节器来切换冷却装置的温度极限未被预先确定，而是根据确定的工作条件或者环境条件可变地设置。在不超过最大允许的极限温度的情况下，冷却功率与利用固定的切换极限的冷却相比可被更有效地使用。这例如被表达为：在确定的工作和环境状况的情况下，用于激活电化学蓄能器的冷却的温度上限可朝向较高的温度移动，使得电化学蓄能器的温度变化过程在冷却期间具有与最大允许的极限温度的较小的最小差。在另一工作状况下，可以有利的是：当在出于确定的原因关断冷却之后可预见进入电化学蓄能器中的热输入减小时，在提高的温度下限的情况下可以进行电化学蓄能器的冷却的去激活。

[0017] 例如，针对温度调节方法可以使用蓄能器数据和车辆工作数据，所述蓄能器数据和车辆工作数据被存储在车辆的至少一个控制设备或者车辆的存储介质上，并且所述蓄能器数据和车辆工作数据选择性地利用车辆中的测量装置来确定或者通过在控制设备上执行的仿真或计算而被确定。这些数据也可以被车辆的通信装置接收。针对该温度调节方法，蓄能器数据和车辆工作数据用作输入量。

[0018] 特别有利的是，除了将实际温度用作电化学蓄能器的输入量和调节量以外，还将电化学蓄能器的其他参数用作输入量。所记录的数据允许推断出即将发生的进入电化学蓄能器中的热输入，并且由此允许推断出即将发生的冷却功率要求。利用这种预测，冷却功率的使用是可优化的，由此可以减小接通过程和关断过程的频率。这对冷却部件的较长的使用寿命有益。此外，还通过对冷却功率使用符合需求地进行优化而得到电化学蓄能器的在时间平均上较高的工作温度。因为电化学蓄能器的实际温度根据调节任务没有升高到最大允许的极限温度之上，所以这不会引起电池单元加速老化。代替此，由于蓄能器的充电和放电效率改进而在长的观察时段上发生蓄能器的总能量平衡改善。

[0019] 根据本发明的一种优选实施形式，蓄能器数据包含根据时间对电化学蓄能器的温度实际值的记录，以便根据温度实际值的记录确定与时间有关的温度梯度。根据与时间有关的温度梯度确定两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限。

[0020] 利用该方法，温度变化过程的速率被包括到该调节方法中。该温度上限例如可在温度上升率小的情况下朝向更高的温度移动，在所述温度上升率小的情况下冷却被激活。在温度上升率高的情况下必须已经在较低温度时进行冷却的激活，使得由于该系统的热惯性在任何时刻都不超过电化学蓄能器的最大允许极限温度。该方法对应于差分调节器的原理，以便减小调节量的超调。

[0021] 根据本发明的一种特别优选的实施形式，蓄能器数据包含电化学蓄能器的充电电流和放电电流的与时间有关的记录和电化学蓄能器的电压的与时间有关的记录。根据电流的记录和电压的记录确定电化学蓄能器的与时间有关的相对充电状态，并且两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据与时间有关的相对充电状态来确定。

[0022] 对于电化学蓄能器的工作特性和磨损特性特别有利的是，蓄能器不仅在优选的温度范围中工作，而且在优选的充电状态范围中工作。因此，特别有利的是，不仅激活冷却的温度上限而且去激活冷却的温度下限在蓄能器的充电状态强烈降低的情况下朝向较高的温度移动。在充电状态非常小的情况下，在具有电气化的驱动装置的车辆中仅仅还针对以高电流(例如以便驱动车辆)放电会有条件地使用蓄能器。在一阶近似中，这导致比在较高充电状态的情况下更低的冷却功率要求。此外，还通过提高温度极限而出现充电效率改进。这支持在优选的充电状态范围中迅速均匀地提高蓄能器的相对充电状态。

[0023] 此外还会有利的是，根据电流的记录和电压的记录确定电化学蓄能器的与时间有关的内阻，并且根据与时间有关的内阻确定两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限。

[0024] 焦耳热的产生与蓄能器的内阻成正比例关系，所述焦耳热作为在电化学转换期间的电热损耗而出现。因此，内阻值的知悉对于温度调节的有效的和工作优化的设计而言是非常有利的。在内阻朝向较大的值相对变化时，由于越来越多的损耗功率导致进入蓄能器中的热输入提高。在该情况下，通过在适当的时段内对损耗功率进行积分而得到提高的值，并且温度上限和/或温度下限朝向较小的温度移动。

[0025] 附加地，车辆工作数据可以包含车辆的环境温度的与时间有关的记录，并且两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限可以根据环境温度来确定。

[0026] 特别有利的是，在高环境温度的情况下使冷却器电路的温度极限朝向较小温度值移动，而在低环境温度的情况下朝向较高温度移动。在低环境温度的情况下，蓄能器的冷却效果通过热传导和/或对流有针对性地被使用在蓄能器的几何安放的地点处，以便最小化冷却装置的所使用的冷却功率。

[0027] 根据本发明的另一种实施形式，车辆工作数据包含即将发生的行驶路线的路段简档，所述行驶路线由车辆的导航装置来确定。附加地，车辆工作数据包含用于沿着即将发生的行驶路线的交通状况和在车辆的所在地和沿着即将发生的行驶路线的天气预报的信息，其由车辆的通信装置接收。两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据路段简档和/或交通状况和/或天气预报的典型特征来确定。

[0028] 电化学蓄能器的温度变化过程除了内阻之外尤其是由出现的充电电流和放电电流的高度来确定。由焦耳热引起的损耗功率随着电池电流的平方而升高。例如在具有电气化驱动装置的车辆的情况下，在平均水平以上具有多个拐弯或者上坡的即将发生的行驶路线在平均水平以上导致具有高放电电流的多个放电阶段。利用用于激活和去激活冷却的温度极限朝向较小的温度值的移动来克服得到的进入蓄能器中的高热输入。如果在即将发生的路线上的交通状况推断出由于频繁的停止和前进(Stop&Go)驾驶操纵(如其例如在拥堵状况中或者在交通密度高的情况下出现的那样)而在行驶于该路线时发生进入蓄能器中的热输入提高，则温度极限同样朝向较小的值移动。也有利的是，考虑沿着即将发生的行驶路线或者在车辆的所在地处的天气预报的典型特征。如果例如沿着行驶路线预测有降水，则根据经验可以预期有较小的平均速度，这例如在具有电气化驱动装置的车辆的情况下伴随有进入蓄能器中的较小的热输入。冷却电路的温度极限也可朝向较高的值移动。

[0029] 车辆工作数据也可包含关于用户行为的信息，该用户行为表征车辆的确定的驾驶员，其中，该驾驶员通过车辆中的识别装置来识别。确定的驾驶员的用户行为根据电化学蓄能器的充电电流和放电电流的记录或者根据车辆在长的观察时段上的加速值和减速值的记录来确定。两点式调节装置的温度上限和/或两点式调节装置的温度下限根据确定的驾驶员的用户行为的典型特征来确定。

[0030] 对于该实施形式而言特别有利的是，导致蓄能器的确定的负载简档的驾驶员特定的特征在确定用于冷却切换的温度极限时被考虑。确定的驾驶员可以通过与该车辆的适当的接口而被识别，如利用确定的电子钥匙或者通过在车辆中的人机通信单元上的输入来识别。如果驾驶员被识别(其中其用户行为的特点被存储和其例如被表征为是特别动态的，也就是说该驾驶员例如特别频繁地执行导致进入蓄能器中的高热输入的极端加速操纵或者制动操纵)，则冷却装置的温度极限朝向较小的温度移动。

[0031] 本发明基于以下阐述的考虑：锂离子技术的电池单元仅在有限的温度带中具有其最优工作范围，该温度带通过单元的效率和单元的老化速度来预给定。锂离子电池单元在电化学蓄能器中理想地在+5摄氏度到+40摄氏度之间的温度带中工作。随着温度上升，这种电池单元大多具有较好的效率，但在最大允许的极限温度之上倾向于加速的老化。单元在高温度下但是在最大允许的极限温度之下的均匀工作在其效率方面是有利的。因此，在具有这样的电池单元的电化学蓄能器工作时，尤其是在使用在具有电气化驱动装置的车辆中时需要温度控制。为了一方面尽可能精确地并且另一方面尽可能有效地实施该温度控制，对电池单元的热学实际状态和与其关联的调节策略的检测是重要的。为了实现电池温度控制，基于根据现有技术的高性能而频繁地使用液体冷却。液体冷却大多不是被实施为连续可变的温度控制系统。据此，可不直接调节从电池单元向冷却介质的热导出。仅仅冷却循环的工作状态(工作开始和工作完成)可以被切换。在利用不可连续变化的温度控制单元来冷却和加热电池单元时的温度调节众所周知地利用两点式调节器来实现。作为调节量，在这种情况下大多使用所测得的电池单元温度。对于冷却过程，两点式调节意味着，在超过电池单元温度的被确定的期望值时接通冷却器，并且在低于电池单元温度的被确定的期望值时重新关断冷却器。根据现有技术的冷却实现与如下缺点关联：在迄今的具有两点式调节的固定的接通阈值和关断阈值的系统中，大多在电池单元的最大允许的极限温度与冷却接通温度之间的温度差被选择得过大，使得对于所有行驶和环境条件保持热学安全距离，以便即使在临界条件下也不超过最大极限温度。结果是电池单元在较低的并且由此无效的温度范围中工作。与其关联的冷却开销的提高导致冷却循环的更频繁的接通和关断过程，该接通和关断过程提高了冷却循环部件的磨损并且附加地减小存储器效率。为了消除现有技术的缺点而建议如下措施：在电化学蓄能器的具有液体冷却和确定电池单元温度的两点式温度调节的情况下，根据车辆和存储器信号使冷却的切换参数移动。通过所描述的切换温度的变化实现如下优点：单元的冷却更精确地进行并且导致电池单元的在时间上更均匀的和更热的温度变化过程。因此，蓄能器的工作变得更有效，而不会提高如下风险：针对加快老化的载荷而超过最大允许极限温度。冷却的工作时间可以被降低，这附加地升高车辆的能效。由于过高温度引起的蓄能器功率限制被避免，因为预测极端负荷。减少冷却的接通和关断过程的数目导致冷却循环部件的磨损减小。根据(天气情况决定的)环境影响针对极端负荷和针对驻车阶段(Standphase)的预调节阻止或减小电池单元在针对老化临界的温度下的工作或者存放。

具体实施方式

[0032] 下文描述本发明的优选实施例。由此得到本发明的其他细节、优选实施形式和改进方案。

[0033] 在用于冷却具有锂离子电池的电化学蓄能器的两点式调节器中，电池单元的利用与温度传感器测得的与时间有关的实际温度被用作调节量和观察量，所述实际温度此处被称为Tist(t)。在此涉及整个蓄能器的代表性电池的在电池端子附近的位置上的测量。在该测量部位的温度期望值通过如下方式实现：冷却以冷却循环形式利用蒸汽制冷剂和制冷剂压缩机在(此处被称为ToG的)温度上限情况下被激活，并且在(此处被称为TuG的)温度下限情况下被去激活。此外，利用高欧姆电阻测量蓄能器的与时间有关的电压(此处被称为U(t))，而利用低欧姆的电阻测量蓄能器的电流(此处被称为I(t))，以便确定内阻或者阻抗(此处被称为R(t))。以最简单的近似，这可以遵循欧姆定律。此外，通过测量蓄能器的静止电压和通过对电流进行与时间有关的积分确定相对充电状态(此处被称为SoC(t))。2
(此处被称为PV(t)的)焦耳损耗功率可以按照PV(t)＝R(t)·I(t)来估计。被引入的蓄能器数据U(t)、I(t)、SoC(t)、R(t)和PV(t)例如被存储在控制设备上。

[0034] 根据蓄能器的被记录的数据，用于切换冷却的温度极限被改变。例如可以确定温度上限与事先确定的值相比的改变，其中，该改变此处被称为ΔToG，该改变与蓄能器的温度变化过程有关。在实际温度的通过实际温度对时间的一阶导数给出的梯度 的情况下适用改变 也就是说，在温度上升的速率增加时，温度上限ToG朝向较小的温度值移动。与此对应地，在温度下降的速率增加时，在冷却期间，温度下限朝向较高的温度值根据 移动。如果相对充电状态降到预给定的充电状态极限值(此处称为SoCG)之下，也就是说蓄能器强烈放电，则温度上限可根据ΔToG∝+(SoCG-SoC(t))被升高。同样，温度下限可根据ΔTuG∝+(SoCG-SoC(t))被升高。在强烈降低的充电状态的情况下，蓄能器在通常情况下对冷却功率的要求降低。此外，在平均充电状态范围中(该平均充电状态范围在充电状态极限值之上)辅助蓄能器的充电，其方式是：通过升高温度极限而力求改进的蓄能器电荷容量。所估计的损耗功率PV(t)也可被用于改变用于切换冷却装置的温度极限。例如，可以按照 改变温度上限，其中，Δt是在当前时刻t之前的确定的时间间隔。用语言来说，激活冷却的温度上限在确定的时段Δt结束时朝向较小的温度被移动得越远，则在该时段中整个产生的电热就越大。

[0035] 两个温度极限ToG和TuG的变化也可根据所存储的车辆工作数据进行。例如，利用温度传感器可以与时间有关地测量车辆的环境温度(此处被称为TU(t))。如果环境温度偏离预给定的参考温度Tref，则温度上限根据ΔToG∝-(TU(t)-Tref)改变和/或温度下限根据ΔTuG∝-(TU(t)-Tref)改变。如果环境温度因此超过参考温度，则温度极限朝向较小的温度值适配。如果环境温度在参考温度之下，则朝向较高的温度进行适配。如果两个温度极限中仅仅一个改变，则由在温度上限ToG与温度下限TuG之间的温度差得到的温度滞后可以改变。例如，蓄能器可通过温度下限朝向较小温度移动ΔTuG而针对在温暖的环境温度下行驶之后的驻车阶段被预冷却。

[0036] 为此目的，车辆工作数据除了环境温度之外还可包含在时刻t即将发生的行驶路线的简档。行驶路线例如可由GPS导航系统来计算。即将发生的行驶的典型特征对于温度调节方法可用作输入量。行驶路线的典型特征例如是拐弯或者上坡的聚集。通过通信装置，例如通过GSM连接，可针对路线数据接收其他信息。这例如包括交通状况报告。当前交通状况的数据可以有意义地补充路线数据。高交通密度或者堵塞例如可预期沿着该路线的频繁的起动操纵和制动操纵。在知悉具有多个拐弯、频繁上坡或者在停止和前进交通中的行驶的情况下，可至少粗略估计所预期的损耗热 其中，Δt代表即将发生的时间间隔，而 代表对当前时刻t直至将来的时刻t+Δt的所预测的损耗功率。在预期的损耗热高的情况下，例如可以根据 来适配温度上限。这意味着，在高损耗功率预测的情况下，激活在降低的接通温度下的冷却。

[0037] 通过车辆的通信装置也可接收天气信息，并且所述天气信息被用作使温度极限移动的参数。沿着即将发生的行驶路线的天气状况的演变可以影响在蓄能器中进行的放热该放热基于对损耗功率的预测。由于预期的环境温度，当行驶例如在较高的、较冷的空气层中进行时，例如可发起结构空间中的蓄能器的改进的间接冷却。在温度极限移动时，例如通过 中的天气加权因子gW来考虑这种效应。在具有改进的冷却的所描述的情况下，加权因子gW可取在0到1之间的值，使得温度极限朝向较小温度的移动