CN106030965A - 用于二次电池电力控制的设备和方法 - Google Patents

Abstract

根据本公开的电力控制设备包括：感测单元，所述感测单元被配置为测量电池单元的温度、电池单元周围的外界空气温度以及负载电流，调节单元，所述调节单元被配置为调节从电池单元供应至负载的电力，以及控制单元，所述控制单元被配置为基于通过感测单元测量的电池单元的温度、单元周围的外界空气温度以及负载电流电池单元的未来温度变化，分析单元的估计的未来温度变化，并且控制调节单元以在估计电池单元的温度增加超过针对预设的参考时间的极限温度时降低从电池单元供应至负载的电力。

Description

用于二次电池电力控制的设备和方法

技术领域

本公开涉及用于控制二次电池的电力的设备和方法，并且更具体地，涉及通过估计二次电池的未来温度并且根据估计的结果选择性地降低二次电池的输出从而控制电力的设备和方法。

本申请要求于2014年12月19日提交的韩国专利申请No.10-2014-0184813的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

与一次性初级电池相对，二次电池被称为可充电电池，并且具有广泛的应用，包括例如：电子装置，比如移动电话、笔记本计算机以及摄像机，或者电动汽车。此外，因为其不会造成空气污染并且能够使用很长时间，二次电池也被用作汽车的动力源。

然而，二次电池具有如下特征：在充电或者放电期间，温度由于从电池产生的热量而上升，并且当长期暴露于高温下时，寿命会降低。

根据这样的特征，安装在车辆中的二次电池组使用单独安装的冷却系统将热量从电池排出，以保持二次电池的温度在预定的温度以下。

然而，额外地安装冷却系统的方法成为引起二次电池组的成本增加的因素，并且存在电池系统的尺寸增加的问题。

发明内容

技术问题

为了解决本领域的所述问题，本公开涉及提供用于控制二次电池的电力的设备和方法，在不安装单独的冷却系统的情况下，通过二次电池的电力控制保护二次电池免于过热。

此外，本公开涉及提供用于控制二次电池的电力的设备和方法，其中通过估计二次电池的温度变化并且根据估计的结果避免二次电池的过热现象。

本公开的这些和其他目的以及优点可以从下文的详细描述理解，并且将从本公开的示例性实施例变得显而易见。此外，容易理解，本公开的目的和优点可以通过所附的权利要求以及其组合中示出的方法实现。

技术解决方案

为了实现上述目的，根据本公开的一个方面的电力控制设备包括：感测单元，所述感测单元被配置为测量电池单元的温度、电池单元周围的外界空气温度以及负载电流，调节单元，所述调节单元被配置为调节从电池单元供应至负载的电力，以及控制单元，所述控制单元被配置为基于由感测单元测量的电池单元的温度、单元周围的外界空气温度以及负载电流估计电池单元的未来温度变化，分析估计的单元的未来温度变化，以及控制调节单元以当电池单元的温度被估计为在预设的参考时间内增加到极限温度以上时降低从电池单元供应至负载的电力。

控制单元可以通过使用等式1估计电池单元的未来温度变化。

控制单元可以分析估计的电池单元的未来温度变化，当确定电池单元的未来温度收敛时，通过使用等式1计算电池单元的温度需要的收敛时间，并且当电池单元的收敛温度高于或等于极限温度并且收敛时间小于或等于参考时间时，控制调节单元以降低从电池单元供应至负载的电力。

另一方面，当电池单元的收敛温度低于极限温度或者收敛时间超过参考时间时，控制单元可以不进行电池单元的电力降额(derating)。

此外，控制单元可以分析估计的电池单元的未来温度变化，当确定电池单元的未来温度发散时，通过使用等式1计算电池单元到达极限温度需要的到达时间，并且当计算的到达时间小于或等于参考时间时，控制调节单元以降低从电池单元供应至负载的电力。

当到达时间超过参考时间时，控制单元可以不进行电池单元的电力降额。

控制单元通过使用等式1计算允许电池单元的温度在参考时间内到达极限温度的预定水平的降额因数，基于降额因数确定待降低的电力量，并控制调节单元。

为了实现上述目的，根据本公开的另一方面的电力控制方法包括测量电池单元的温度、电池单元周围的外界空气温度以及负载电流，基于测量的电池单元的温度、单元周围的外界空气温度以及负载电流估计电池单元的未来温度变化，通过分析估计的电池单元的未来温度变化确定电池单元的温度是否在预设的参考时间内增加到极限温度以上，并且当确定电池单元的温度在参考时间内增加到极限温度以上时，作为确定的结果，降低电池单元的输出电力。

有利的效果

本公开具有这样的优点：控制二次电池的输出以在二次电池过热发生之前保持二次电池的温度在极限温度范围以下，由此避免二次电池的寿命和性能由于过热而劣化的现象。

此外，本公开具有这样的效果：在没有诸如冷却系统的单独的装置的情况下，将二次电池的温度保持在极限温度以下。

此外，本公开具有这样的效果：通过温度估计算法准确估计二次电池的过热。

附图说明

附图示出本公开的优选的实施例，并且，同先前的公开一起，用于提供本公开的技术精神的进一步的理解。然而，本公开不应被解释为限于附图。

图1是示出根据本公开的实施例的用于控制二次电池的电力的设备的构造的视图。

图2是示出根据本公开的实施例的用于控制二次电池的电力的方法的示意性流程图。

图3是示出应用根据本公开的控制电力的方法的电池单元中的温度变化与传统电池单元中的温度变化的模拟图。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本公开。应当理解，在说明书和所附的权利要求中的术语不应被解释为限于通常或词典的含义，而应在允许发明人为了最好的解释而适当地定义术语的原则的基础上，基于对应于本公开的技术方面的含义或者概念加以解释。因此，本文提出的描述只是仅为了说明的目的的优选的示例，不旨在限制公开的范围，因此应当理解，可以在不背离公开的精神和范围的情况下做出其他等同和修改。

图1是示出用于控制根据本公开的实施例的二次电池的电力的设备的构造的视图。

如图1中所示，用于控制根据本公开的优选的实施例的二次电池的电力的设备包括电池单元10、负载20、感测单元30、调节单元40和控制单元50。

电池单元10将电力供应到负载20。电池单元10包括至少一个单元，并且不限于特定类型且包括可充电电池，例如：锂离子电池、锂金属电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和铅蓄电池。

负载20不限于特定类型，并且包括诸如摄像机、移动电话、便携PC、PMP和MP3播放器的便携式电子装置、用于电动汽车或者混合动力汽车的发动机以及DC–DC转换器。

感测单元30包括用于测量电池单元10的温度的第一温度传感器31和用于测量电池单元周围外界空气温度的第二温度传感器32以及用于测量负载20的电流的电流传感器33。第一温度传感器31周期性地测量电池单元10的温度并将其传输至控制单元50。此外，第二温度传感器32周期性地测量电池单元周围的外界空气温度并将其传输至控制单元50。此外，电流传感器33周期性地测量负载20中的电流并将其传输至控制单元50。

调节单元40在控制单元50的控制下调节从电池单元10供应至负载20的电力量。调节单元40可以包括可变元件，所述可变元件改变从电池单元10供应的电压水平，并且控制单元50可以通过控制包括在调节单元40中的可变元件控制从电池单元10供应的电力。

控制单元50基于从感测单元30得到的感测数据估计电池单元10的温度变化，基于温度变化确定是否对从电池单元10供应的电力进行降额，并且当确定对电力进行降额时，控制调节单元40以降低从电池单元10供应的电力。具体地，控制单元50通过将通过感测单元30感测到的数据代入进如下等式1以估计随时间的电池单元10的未来温度变化，并且基于温度变化趋势确定电池单元10的未来温度发散还是收敛。

(等式1)

$m\·C_P\frac{dT}{dt}={\left(\right(1-k\left)I\right)}^2\·R_{csll}+\left(\frac{T_{environment}-T}{R_{th\_environment}}\right)$

m：电池单元质量(kg)

C_p：单元的比热(J/kg·K)

T：单元温度(℃)

t：时间

k：降额因数

I：电流(A)

R_cell：内部单元电阻(Ω)

T_environment：单元周围的外界空气温度(℃)

R_{th_environment}：单元和环境之间的热阻(K/W)

等式1是能量平衡等式，并且电池单元质量(m)、单元的比热(C_p)、内部单元电阻(R_cell)和单元和环境之间的热阻(R_{th_environment})可以被预设。此外，降额因数(k)起初设置为‘0’，并且具有从‘0’至‘1’的值。另一方面，内部单元电阻(R_cell)也可以通过测量值加以识别。也就是说，控制单元50也可以用测量电池单元10的电流和电压的传感器(未示出)测量电池单元10的电流和电压，并且基于测量的电流和电压测量内部单元电阻(R_cell)。

控制单元50通过将从第一温度传感器31、第二温度传感器32和电流传感器33的每个接收的温度值和电流值代入至等式1来识别电池单元10的温度变化(dT)对时间变化(dt)，并估计电池单元10的未来温度变化趋势。

控制单元50通过分析估计的未来温度变化趋势确定电池单元10的未来温度发散还是收敛。当电池单元10的未来温度发散时，控制单元50使用等式1计算到达预设的极限温度(T_limit)需要的极限温度到达时间(Δt_limit)。此外，当极限温度到达时间(Δt_limit)超过预设的参考时间(Δt_ref)时，控制单元50不进行电池单元10的电力降额。相反，当极限温度到达时间(Δt_limit)小于或等于参考时间(Δt_ref)时，控制单元50计算允许电池单元10的温度在参考时间(Δt_ref)期间仅增至极限温度(T_limit)的预定水平(例如：99％)的降额因数(k)，并控制调节单元40以基于降额因数(k)对从电池单元10的电力供应进行降额。在这种情况中，控制单元50与计算的降额因数(k)的大小成比例地确定将降低的电池单元10的电力量，并且控制调节单元40以从输出电力降低确定的电力量。例如，当降额因数被计算为'0.9'时，控制单元50可以控制调节单元40使得电池单元10的输出处于与之前的电池单元输出相比10％的水平处，并且当降额因数(k)被计算为'0.8'时，控制单元50可以控制调节单元40使得电池单元10的输出处于与之前的电池单元输出相比20％的水平处。

另一方面，当电池单元10的温度被估计为收敛时，控制单元50通过使用等式1计算电池单元10到达收敛温度(T_sat)需要的收敛时间(Δt_sat)。此外，当收敛温度(T_sat)高于或等于预设的极限温度(T_limit)时，并且收敛时间(Δt_sat)小于或等于预设的参考时间(Δt_ref)时，控制单元50通过等式1计算允许收敛温度(T_sat)在参考时间(Δt_ref)期间仅到达极限温度(T_limit)的预定水平(例如：99％)的降额因数(k)，并且控制调节单元40以基于降额因数(k)降低电池单元10的输出。相反，当收敛温度(T_sat)低于极限温度(T_limit)或者收敛时间(Δt_sat)超过参考时间(Δt_ref)时，控制单元50不进行电池单元10的电力降额。

另一方面，控制单元50可以实施为微处理器，所述微处理器执行程序代码以实施根据本公开的用于控制二次电池的电力的方法。可替代地，控制单元50可以实施为半导体芯片，所述半导体芯片中，根据本公开的用于控制二次电池的电力的方法的控制流作为逻辑电路被实施。然而，本公开不限于这些。

此外，根据本公开的用于控制二次电池的电力的设备可以同从电池组接收电力的电池组驱动设备组合使用。例如，本公开可以在多种类型的从电池接收电力的电子产品中使用，例如：笔记本计算机、移动电话以及个人移动多媒体播放器。如另一示例，本公开可以同多种类型的电池供电的装置，诸如电动汽车、混合动力汽车以及电动自行车组合使用。此外，根据本公开的用于控制二次电池的电力的设备可以在电池管理系统(BMS)中使用，所述电池管理系统控制电池组的充电/放电并保护电池组免于过度充电或过度放电。

图2是示出用于控制根据本公开的实施例的二次电池的电力的方法的示意性流程图。

参照图2，控制单元50使用感测单元30以预定的周期收集二次电池的感测信息(S201)。也就是说，控制单元50使用感测单元30的第一温度传感器31收集电池单元10的温度，使用第二温度传感器32收集电池单元10周围的外界空气温度，使用电流传感器33收集负载20中的电流。

随后，控制单元50通过将收集的感测信息(即：电池单元的温度、外界空气温度以及负载电流)代入至等式1以估计电池单元的未来温度变化趋势(S203)。此外，控制单元50通过将通过感测单元30在预定的周期内收集的电池单元温度、外界空气温度以及负载电流代入至等式1，识别电池单元10的温度变化(dT)对时间变化(dt)，并估计电池单元10的未来温度变化趋势。

随后，控制单元50通过分析估计的温度变化趋势确定电池单元10的未来温度收敛于特定的温度还是继续发散(S205)。

随后，当确定电池单元10的未来温度收敛时(在S205处为否)，控制单元50从估计的未来温度变化趋势识别电池单元10收敛到的收敛温度(T_sat)，并通过将收敛温度(T_sat)应用于等式1计算到达收敛温度(T_sat)需要的收敛时间(Δt_sat)(S207)。在这种情况中，控制单元50可以将在S201处确定的感测信息(单元温度、外界空气温度以及负载电流)代入至等式1，或者可以用感测单元30重新收集感测信息(单元温度、外界空气温度以及负载电流)并将重新收集的感测信息代入至等式1。此外，控制单元50可以用测量电池单元10的电流和电压的传感器(未示出)测量电池单元10的电流和电压，基于测量的电流和电压测量内部单元电阻(R_cell)，并将测量的内部单元电阻(R_cell)代入至等式1。

随后，控制单元50比较收敛温度(T_sat)与预设的极限温度(T_limit)以确定收敛温度(T_sat)是否小于极限温度(T_limit)(S209)。随后，当收敛温度(T_sat)高于或等于极限温度(T_limit)时，(在S209处为否)，控制单元50比较收敛时间(Δt_sat)与预设的参考时间(Δt_ref)以确定收敛时间(Δt_sat)是否超过参考时间(Δt_ref)(S211)。此外，作为确定的结果，当收敛时间(Δt_sat)不超过参考时间(Δt_ref)时(在S211处为否)，控制单元50通过等式1计算允许收敛温度(T_sat)只到达极限温度(T_limit)的预定水平(例如：99％)的降额因数(k)以降低电池单元10的输出电力(S213)。在这种情况中，控制单元50通过将收敛时间(Δt_sat)和收敛温度(T_sat)应用于等式1计算降额因数(k)。

随后，控制单元50确定待降低的电力量，其与计算的降额因数(k)值成比例，并控制调节单元40以降低与待从输出电源降低的电力量一样多的电力量，并且最终降低从电池单元10供应至负载20的电力(S215)。也就是说，作为在S209和S211处的确定的结果，当收敛温度(T_sat)高于或等于极限温度(T_limit)并且收敛时间(Δt_sat)不超过参考时间时(Δt_ref)，控制单元50估计在参考时间(Δt_ref)内发生高于极限温度的过热，并且基于计算的降额因数(k)控制调节单元40以事先降低电池单元10的输出，由此避免电池单元10过热。

另一方面，在S205处，当确定电池单元10的温度发散时(在S205处为是)，控制单元50通过等式1计算电池单元10的温度到达预设的极限温度(T_limit)需要的时间(Δt_limit)(S217)。也就是说，控制单元50通过将极限温度(T_limit)代入至等式1计算时间变化(dt)，并基于计算的时间变化(dt)计算到达极限温度需要的极限温度到达时间(Δt_limit)。在这种情况中，控制单元50可以将在S201处识别的感测信息(单元温度、外界空气温度以及负载电流)代入至等式1，或者可以用感测单元30重新收集感测信息(单元温度、外界空气温度以及负载电流)并将重新收集的感测信息代入至等式1。

随后，控制单元50识别计算的极限温度到达时间(Δt_limit)是否超过预设的参考时间(Δt_ref)(S219)，以及当极限温度到达时间不超过参考时间时，通过等式1计算允许来自电池单元10的温度在参考时间(Δt_ref)内仅升至极限温度(T_limit)的预定水平(例如：99％)的降额因数(k)(S213)。在这种情况中，控制单元50通过将极限温度到达时间(Δt_limit)和极限温度(T_limit)应用于等式1以计算降额因数(k)。

随后，控制单元50确定待降低的电力量，其与计算的降额因数(k)值成比例，并且控制调节单元40以降低与待从输出电力降低的电力量一样多的电力量，并最终降低从电池单元10供应至负载20的电力(S215)。

在另一方面，当在S209处收敛温度(T_sat)小于预设的极限温度(T_limit)时、当在S211处收敛时间(Δt_sat)超过参考时间时(Δt_ref)或者当在S219处极限温度到达时间(Δt_limit)超过参考时间(Δt_ref)时，控制单元50不进行电池单元10的输出电力降额(S221)。在这种情况中，降额因数(k)连续地设置为先前值(即：0)。

图2示出对应于1个周期的过程，并且根据图2的过程可以在预定的时间间隔处执行。

图3是示出应用根据本公开的控制电力的方法的电池单元中的温度变化与传统电池单元中的温度变化的模拟曲线图。

在根据图3的模拟中，设置初始单元温度为52℃，设置外界空气温度为50℃，以及设置参考时间(Δt_ref)为7200s

参照图3，图3中的参考数字310指示示出传统电池单元温度变化的曲线图，并且可以看出电池单元过热超过极限温度(即：80℃)。相反，图3中的参考数字320指示示出应用根据本公开的控制电力的方法的电池单元中温度变化的曲线图，并且可以看出，与传统电池单元不同，电池单元的温度被保持低于极限温度(即：80℃)。

如前文所述，本公开控制电池单元10的输出以在二次电池的过热发生前，保持电池单元10的温度在极限温度以下，从而避免二次电池的寿命和性能由于过热而劣化的现象。此外，本公开在不具有诸如冷却系统的单独的装置的情况下保持二次电池的温度在预定的温度以下，由此降低电池组的生产成本，此外，本公开通过温度估计算法而不是实验数据准确地估计二次电池的过热。

虽然关于有限数量的实施例和附图在上文描述了本公开，但是本公开不限于此，并且在本公开的技术方面以及所附权利要求以及其等同物的范围内，可以由本领域技术人员做出各种变形以及修改。

Claims (14)

1.一种电力控制设备，包括：

感测单元，所述感测单元被配置为测量电池单元的温度、所述电池单元周围的外界空气温度以及负载电流；

调节单元，所述调节单元被配置为调节从所述电池单元供应至负载的电力；以及

控制单元，所述控制单元被配置为基于通过所述感测单元测量的所述电池单元的温度、所述单元周围的所述外界空气温度以及所述负载电流，估计所述电池单元的未来温度变化，分析所估计的所述单元的未来温度变化，并且控制所述调节单元以当所述电池单元的温度被估计为在预设的参考时间内增加到极限温度以上时降低从所述电池单元供应至所述负载的所述电力。

2.根据权利要求1所述的电力控制设备，其中，所述控制单元通过使用下述等式估计所述电池单元的未来温度变化：

(等式)

$m\·C_P\frac{dT}{dt}={\left(\right(1-k\left)I\right)}^2\·R_{cell}+\left(\frac{T_{environment}-T}{R_{th\_environment}}\right)$

m：电池单元质量(kg)

C_p：单元的比热(J/kg·K)

T：单元温度(℃)

t：时间

k：降额因数

I：电流(A)

R_cell：内部单元电阻(Ω)

T_environment：单元周围的外界空气温度(℃)

R_{th_environment}：单元和环境之间的热阻(K/W)。

3.根据权利要求2所述的电力控制设备，其中，所述控制单元分析所估计的所述电池单元的未来温度变化，当确定所述电池单元的未来温度收敛时，通过使用所述等式来计算所述电池单元的温度收敛需要的收敛时间，并且当所述电池单元的所述收敛温度高于或等于所述极限温度并且所述收敛时间小于或等于所述参考时间时，控制所述调节单元以降低从所述电池单元供应至所述负载的所述电力。

4.根据权利要求3所述的电力控制设备，其中，当所述电池单元的所述收敛温度低于所述极限温度或者所述收敛时间超过所述参考时间时，所述控制单元不进行所述电池单元的电力降额。

5.根据权利要求2所述的电力控制设备，其中，所述控制单元分析所估计的所述电池单元的未来温度变化，当确定所述电池单元的未来温度发散时，通过使用所述等式来计算所述电池单元到达所述极限温度需要的到达时间，并且当计算的到达时间小于或等于所述参考时间时，控制所述调节单元以降低从所述电池单元供应至所述负载的所述电力。

6.根据权利要求5所述的电力控制设备，其中，当所述到达时间超过所述参考时间时，所述控制单元不进行所述电池单元的电力降额。

7.根据权利要求2所述的电力控制设备，其中，所述控制单元通过使用所述等式来计算允许所述电池单元的温度在所述参考时间内到达所述极限温度的预定水平的降额因数，基于所述降额因数确定待降低的电力量，并且控制所述调节单元。

8.一种电力控制方法，包括：

测量电池单元的温度、所述电池单元周围的外界空气温度以及负载电流；

基于测量的所述电池单元的温度、所述单元周围的外界空气温度以及负载电流，估计所述电池单元的未来温度变化；

通过分析所估计的所述电池单元的未来温度变化，确定所述电池单元的温度是否在预设的参考时间内增加到极限温度以上；以及

当确定所述电池单元的温度在所述参考时间内增加到所述极限温度以上时，作为所述确定的结果，降低所述电池单元的输出电力。

9.根据权利要求8所述的电力控制方法，其中，所述估计包括通过使用下述等式估计所述电池单元的未来温度变化：

(等式)

$m\·C_P\frac{dT}{dt}={\left(\right(1-k\left)I\right)}^2\·R_{cell}+\left(\frac{T_{environment}-T}{R_{th\_environment}}\right)$

m：电池单元质量(kg)

C_p：单元的比热(J/kg·K)

T：单元温度(℃)

t：时间

k：降额因数

I：电流(A)

R_cell：内部单元电阻(Ω)

T_environment：单元周围的外界空气温度(℃)

R_{th_environment}：单元和环境之间的热阻(K/W)。

10.根据权利要求9所述的电力控制方法，其中，所述确定包括：

基于所估计的所述电池单元的未来温度变化确定所述电池单元的未来温度收敛还是发散；以及

当确定所述电池单元的所述未来温度收敛时，通过使用所述等式来计算所述电池单元的温度收敛需要的收敛时间；以及

输出电力的降低包括当所述电池单元的所述收敛温度高于或等于所述极限温度并且所述收敛时间小于或等于所述参考时间时，降低所述电池单元的所述输出电力。

11.根据权利要求10所述的电力控制方法，其中，输出电力的降低包括当所述电池单元的所述收敛温度小于所述极限温度或所述收敛时间超过所述参考时间时，不进行所述电池单元的输出电力降额。

12.根据权利要求9所述的电力控制方法，其中，所述确定包括：

基于所估计的所述电池单元的未来温度变化确定所述电池单元的未来温度收敛或者发散；以及

当确定所述电池单元的所述未来温度发散时，通过使用所述等式来计算所述电池单元到达所述极限温度需要的到达时间；以及

输出电力的降低包括当所述到达时间小于或等于所述参考时间时，降低所述电池单元的所述输出电力。

13.根据权利要求12所述的电力控制方法，其中，输出电力的降低包括当所述到达时间超过所述参考时间时，不进行所述电池单元的输出电力降额。

14.根据权利要求9所述的电力控制方法，其中，输出电力的降低包括：

通过使用所述等式计算允许所述电池单元的温度在所述参考时间内到达所述极限温度的预定水平的降额因数；以及

基于所述计算的降额因数确定待降低的电力量，并且基于所确定的待降低的电力量降低所述电池单元的所述输出电力。