用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的溫度升高的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提出用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的溫度升高的一種方法和一種設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，在此求得分別與存儲(chǔ)單元熱耦合的PTC元件的電串聯(lián)電路的電特征參量，以及當(dāng)對(duì)所述電特征參量的分析結(jié)果達(dá)到預(yù)定義的閾值時(shí)，識(shí)別出多個(gè)電存儲(chǔ)單元之一的溫度升高。
【專利說(shuō)明】用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的溫度升高的方法和設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的溫度升高的一種方法以及一種設(shè) 備。本發(fā)明的目標(biāo)尤其是識(shí)別針對(duì)稱為電池單元的"熱失控"（thermal runaway)現(xiàn)象的 附加防護(hù)（Absicherung)。

【背景技術(shù)】
[0002] 電池在能量輸出時(shí)以及在能量消耗時(shí)會(huì)被加熱。這種電池系統(tǒng)的最佳運(yùn)行溫度大 約是+5°C至+35°C。從大約+40°C的運(yùn)行溫度開(kāi)始，電池壽命減小。因此滿足大約8-10年 壽命的要求只能通過(guò)利用主動(dòng)熱管理系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行足夠的熱調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在該熱調(diào)節(jié)中 單元在所有運(yùn)行狀態(tài)下都保持在低于+40°C的熱非臨界狀態(tài)下。此外為了達(dá)到電池單元的 老化同步，不同單元之間的溫度梯度只允許為大約5K。
[0003] 為了避免偶爾對(duì)車輛的有危險(xiǎn)的損壞(例如車輛火災(zāi))，在所有情形下都必須通過(guò) 快速的溫度升高識(shí)別和對(duì)安全裝置的激活來(lái)避免作為事故(即干擾情況）結(jié)果的電池的"熱 失控"。
[0004] 因此，用于測(cè)量單元溫度和為了鋰離子或鋰聚合物電池的安全和延遲老化的運(yùn)行 而控制有效的熱管理系統(tǒng)的溫度傳感器是重要的以及不可放棄的系統(tǒng)部件。
[0005] 因此本發(fā)明的任務(wù)是：尤其是為空氣冷卻的鋰離子或鋰聚合物電池系統(tǒng)提供價(jià)格 低廉和快速起動(dòng)的溫度檢測(cè)概念的實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 上面提到的需求根據(jù)本發(fā)明通過(guò)一種用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的溫度升 高的方法實(shí)現(xiàn)。多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元在此例如可以由鋰離子（Li離子)和/或鋰聚合物單元 構(gòu)建而成。這樣的單元例如作為牽引電池使用，也就是用于驅(qū)動(dòng)可電驅(qū)動(dòng)的車輛。有利地， 用于應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明方法的電化學(xué)存儲(chǔ)單元不需要相互熱耦合。換句話說(shuō)，在該復(fù)合物中 的唯一的電化學(xué)存儲(chǔ)單元的溫度升高可以得到識(shí)別，而無(wú)需為此設(shè)置單獨(dú)的分析裝置。根 據(jù)本發(fā)明，該方法包括步驟：求得分別與存儲(chǔ)單元熱耦合的PTC元件的電串聯(lián)電路的電特 征參量。換句話說(shuō)，借助對(duì)PTC元件的串聯(lián)電路的電流、電壓或電阻的測(cè)量來(lái)開(kāi)始。這可以 在運(yùn)行進(jìn)行期間持續(xù)地、一次性或以預(yù)定義的間隔（由時(shí)間和/或事件控制地)進(jìn)行。接著， 當(dāng)對(duì)PTC元件的電特征參量的分析結(jié)果達(dá)到預(yù)定義的閾值時(shí)，識(shí)別出多個(gè)電存儲(chǔ)單元之一 的溫度升高。換句話說(shuō)，分析所述電特征參量并且在此例如求得電阻、電流或電壓(這些特 征參量的組合也是可以的)并且與預(yù)定義的閾值相比較。只要達(dá)到該閾值，就識(shí)別出多個(gè)電 存儲(chǔ)單元中至少一個(gè)的臨界溫度升高。根據(jù)本發(fā)明的方法在此在構(gòu)造簡(jiǎn)單和運(yùn)行毫無(wú)問(wèn)題 的同時(shí)使得可以提高在電儲(chǔ)能器的能量取出或能量供應(yīng)時(shí)的安全性以及確保電儲(chǔ)能器的 長(zhǎng)的壽命。
[0007] 從屬權(quán)利要求展示了本發(fā)明的優(yōu)選擴(kuò)展。
[0008] 閾值可以被選擇為絕對(duì)值(單數(shù)參量)和/或被選擇為電特征參量每時(shí)間單位的變 化。在使用選項(xiàng)"每時(shí)間單位的特征參量變化"的情況下，可以為不同的絕對(duì)特征值范圍設(shè) 定不同的閾值。單數(shù)標(biāo)識(shí)使得可以特別簡(jiǎn)單地確定多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元內(nèi)的臨界溫度值， 而通過(guò)電特征參量每時(shí)間單位的變化可以繼續(xù)地(動(dòng)態(tài)地）檢驗(yàn)電化學(xué)存儲(chǔ)單元內(nèi)的過(guò)程。
[0009] 在此還可以求得電特征參量關(guān)于時(shí)間的變化。對(duì)特征參量變化的直接測(cè)量提供以 下優(yōu)點(diǎn)：為了與根據(jù)選項(xiàng)"每時(shí)間單位的特征參量變化"的閾值相比較不需要存儲(chǔ)在已過(guò)去 的時(shí)刻求得的值，并且可以更為快速地分析溫度變化并對(duì)該溫度變化做出反應(yīng)。
[0010] 優(yōu)選地，將閾值預(yù)定義為電阻并且在此將該閾值選擇為，使得在所有電化學(xué)存儲(chǔ) 單元(或布置在這些電化學(xué)存儲(chǔ)單元上的PTC元件)的共同預(yù)定義溫度時(shí)所求得的電阻明顯 低于預(yù)定義的閾值。例如，該閾值可以比所述串聯(lián)電路在預(yù)定義溫度時(shí)的電阻高10%、20%、 30%或40%。預(yù)定義溫度在此例如可以被設(shè)定為PCT元件的標(biāo)稱溫度。換句話說(shuō)，電阻關(guān)于 溫度的特性從該標(biāo)稱溫度開(kāi)始劇烈變化，由此多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中至少一個(gè)單元的變化 了的特性可以被用測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)單地求得。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的溫度升高的 設(shè)備。該設(shè)備在此包括多個(gè)PTC元件的電串聯(lián)電路。這些PTC元件在此可以與在特定類型 的電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的應(yīng)用匹配，其方式是這些PTC元件的標(biāo)稱溫度位于對(duì)于存儲(chǔ)單元來(lái) 說(shuō)臨界的溫度范圍中。此外該設(shè)備包括用于求得PTC元件的電串聯(lián)電路的電特征參量的分 析單元。如結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的方法所講述的，該電特征參量例如可以是電流、電壓、電阻或 上述參量的任意組合。該分析單元被設(shè)計(jì)為求得PTC元件的電串聯(lián)電路的電特征參量。這 例如可以通過(guò)該串聯(lián)電路兩側(cè)的兩個(gè)電連接端("測(cè)量抽頭"）來(lái)加以保證，所述兩個(gè)電連接 端與分析單元電連接。此外該分析單元被設(shè)計(jì)為當(dāng)PCT元件的電特征參量的分析結(jié)果達(dá)到 預(yù)定義的閾值時(shí)識(shí)別出該串聯(lián)電路中的溫度升高。通過(guò)這種方式提供具有小電纜敷設(shè)耗費(fèi) 以及僅有一個(gè)分析單元用于多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。
[0012] 優(yōu)選地，PTC元件被設(shè)計(jì)為分別與第二多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元中的一個(gè)電化學(xué)存 儲(chǔ)單元熱耦合。利用熱耦合描述這樣的一種布置，在該布置情況下PTC元件的溫度通過(guò) 在測(cè)量技術(shù)方面有意義的方式與相應(yīng)電化學(xué)存儲(chǔ)單元的溫度相關(guān)。為此PTC元件尤其 是可以被放置在電化學(xué)存儲(chǔ)單元的所謂"底板（cap-plate)"（德語(yǔ)："P〇lplatten"或 "Polanschlilsse"）上。這樣的布置在構(gòu)建電化學(xué)存儲(chǔ)器時(shí)提供了很大的自由空間。
[0013] 優(yōu)選地，PTC元件可以具有在介于50°C和80°C之間、優(yōu)選介于60°C和70°C之間的 范圍中的標(biāo)稱溫度。這些溫度范圍已被證明對(duì)于應(yīng)用于電化學(xué)存儲(chǔ)單元是有利的，能夠延 長(zhǎng)電化學(xué)存儲(chǔ)單元的壽命。
[0014] 此外優(yōu)選的是，所述分析單元被設(shè)計(jì)為獲得其它傳感器裝置的測(cè)量信號(hào)并借助所 述測(cè)量信號(hào)進(jìn)行溫度升高的真實(shí)性檢查。換句話說(shuō)，另外的傳感器裝置可以連接到所述分 析單元或者已經(jīng)連接到所述分析單元，借助它們可以求得用于求得電化學(xué)存儲(chǔ)單元的運(yùn)行 狀態(tài)、尤其是電化學(xué)存儲(chǔ)單元的溫度的特征參量。這提供了最佳可能地防護(hù)電化學(xué)存儲(chǔ)器 的運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種電化學(xué)存儲(chǔ)器，包括多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元和前 面作為第二發(fā)明方面討論的設(shè)備。得到類似于上述實(shí)施的特征、功能以及優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。在圖中： 圖1示出典型PTC元件的電阻-溫度圖； 圖2示出具有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的電化學(xué)存儲(chǔ)器的實(shí)施例的示意性俯視圖；以及 圖3示出圖解根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例的步驟的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 圖1示出可以根據(jù)本發(fā)明使用的PTC元件的電阻關(guān)于溫度的變化曲線。在圖1中 線性地示出橫軸以及對(duì)數(shù)地示出縱軸。在溫度〇 °C至反應(yīng)溫度Ta之間，該電阻基本上線性 變化并且略微下降。在反應(yīng)溫度Ta和標(biāo)稱溫度Tn之間，該電阻關(guān)于溫度基本上線性上升。 從標(biāo)稱溫度Tn開(kāi)始，該電阻關(guān)于溫度的特性就劇烈變化。在標(biāo)稱溫度Tn和最終溫度Te之 間，該電阻近似指數(shù)上升。
[0018] 原則上存在不同類型的熱敏電阻，也就是與溫度有關(guān)的電阻，例如NTC電阻、PTC 電阻、熱電偶、TRD (Resistance Temperature Devices,電阻溫度裝置）等。在此PTC電阻 或熱敏電阻由不同的材料制造，從而尤其是也由（基本上)碳酸鋇和氧化鈦（IV)的混合物制 造。這種PTC在其介于其標(biāo)稱溫度Tn和其最終溫度Te之間的工作范圍中具有近似指數(shù)的、 強(qiáng)烈非線性的、與圖1對(duì)應(yīng)的溫度-電阻特征曲線。該非線性特征曲線變化過(guò)程的起動(dòng)點(diǎn) 是標(biāo)稱溫度Tn。該標(biāo)稱溫度對(duì)應(yīng)于熱敏電阻的鐵電居里溫度。從該標(biāo)稱溫度起開(kāi)始突然在 低歐姆電阻值和高歐姆電阻值之間切換，這是一種閾值特性類型。也就是說(shuō)，這種熱敏電阻 在使用其中不出現(xiàn)自加熱的電流進(jìn)行運(yùn)行的情況下適于過(guò)熱溫度識(shí)別和過(guò)熱溫度控制。熱 敏電阻在工作范圍中的電阻的溫度依賴性通過(guò)以下公式加以描述：

【權(quán)利要求】
1. 用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元（2)中的溫度升高的方法，包括步驟： -求得（100)分別與存儲(chǔ)單元熱禪合的PTC元件（3)的電串聯(lián)電路的電特征參量，W及 -當(dāng)對(duì)所述電特征參量的分析結(jié)果達(dá)到預(yù)定義的闊值時(shí)，識(shí)別出（200)電存儲(chǔ)單元（2) 之一中的溫度升高。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述闊值是所述電特征參量的絕對(duì)值或所述電特 征參量每時(shí)間單位的變化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中 -所述電特征參量是電壓或電流或電阻，和/或 -所述闊值是電壓或電流或電阻，或者是電壓或電流或電阻每時(shí)間單位的變化。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中所述闊值是電阻并且將該闊值選擇為，使 得在所有電化學(xué)存儲(chǔ)單元（2)的共同預(yù)定義溫度（Tw)時(shí)所求得的電阻比所述闊值低10%， 優(yōu)選20%，特別優(yōu)選30%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中預(yù)定義溫度（Tw)基本上對(duì)應(yīng)于PTC元件（3)的標(biāo) 稱溫度。
6. 用于識(shí)別多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元（2)中的溫度升高的設(shè)備，包括： -第一多個(gè)PTC元件（2)的電串聯(lián)電路，W及 -用于求得PTC元件（3)的電串聯(lián)電路的電特征參量的分析單元（6)， 其中該分析單元（6)被設(shè)計(jì)為 -求得PTC元件（2 )的電串聯(lián)電路的電特征參量，W及 -當(dāng)對(duì)PTC元件（3)的電特征參量的分析結(jié)果達(dá)到預(yù)定義的闊值時(shí)識(shí)別出溫度升高。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中PTC元件（3)被設(shè)計(jì)為分別與第二多個(gè)電化學(xué)存 儲(chǔ)單元（2 )中的一個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元（2 )熱禪合，尤其是被放置在電化學(xué)存儲(chǔ)單元（2 )的底 板上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其中PTC元件（3)具有在介于50攝氏度和80攝 氏度之間、優(yōu)選介于60攝氏度和70攝氏度之間的范圍中的標(biāo)稱溫度（Tw)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8之一所述的設(shè)備，其中所述分析單元（6)進(jìn)一步被設(shè)計(jì)為獲得 其它傳感器裝置的測(cè)量信號(hào)并借助所述測(cè)量信號(hào)進(jìn)行溫度升高的真實(shí)性檢查。
10. 電化學(xué)存儲(chǔ)器（1)，包括 -多個(gè)電化學(xué)存儲(chǔ)單元（2)，和 -具有根據(jù)權(quán)利要求6至9之一所述的特征的設(shè)備。
【文檔編號(hào)】H01M10/48GK104344909SQ201410351346
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】S.布茨曼, J.伯梅 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司