使用直通空气热泵对电池级热量产生的评估制造技术

一种电池电气设备，包括可连接到电负载的电池，例如袋形、棱柱形或圆柱形电池，以及连接到电池表面的直通空气热电组件(TEA)或其他热泵。当电池连接到负载时，压力控制设备保持电池表面上的恒定压力。与负载的连接导致TEA/热泵从电池中抽取热量。传感器，例如热电偶和/或热通量传感器，产生指示热量的输出电压信号。电池系统包括该设备和与电池、负载和电源通信的处理器。处理器响应热量产生电子控制信号。处理器响应热量产生电子控制信号。处理器响应热量产生电子控制信号。

【技术实现步骤摘要】
使用直通空气热泵对电池级热量产生的评估


[0001]本公开总体上涉及用于测量和评估电化学电池中正在进行的发热的电池监控策略和相关硬件解决方案。

技术介绍

[0002]电池是电化学能量存储设备，用于在电路中存储电能，以及将存储的能量释放给连接的电负载。当电池向电负载(例如旋转电机、照明设备或处理器组)放电时，存储在电池内的化学势能被转换成直流(DC)输出电压。例如，在电气化动力系统中，DC输出电压通常在放电操作期间使用功率逆变器模块被逆变。由此产生的交流(AC)电压随后用于激励一个或多个电力牵引马达、电力电子部件或其他高压设备的各相绕组。在这种电气化动力系统的充电操作期间，由车外充电系统或经由车载再生设备供应给电池的电能被转换成化学势能。
[0003]可充电的电池组的给定电池在其工作寿命过程中经历多次充电和放电循环，两种循环都导致产生大量的热量。电池在明确限定的温度范围之外的工作会降低电池的性能并缩短其使用寿命。此外，过高的电池温度如果不降低，可能会导致热失控。锂离子电池化学是一种特殊类型的电池化学，通常用于为高能量设备供电，如笔记本电脑和电动汽车推进电机。当现代锂离子电池组存储能量和从其获取能量时，由于电池组的每个组成电池发生的电荷迁移、化学反应以及嵌入和脱嵌过程而产生热量。因此，具有移动和固定设备的电池电力系统被配备来监测和控制电池的热状态。

技术实现思路

[0004]本文公开了用于测量和评估电化学电池(例如，用于电气化动力系统的多电池推进电池组)中的发热的方法和相关硬件解决方案。具体而言，本专利技术涉及定位在具有不同构造的电化学电池的主表面上或附近的直通空气热泵的布置，所述构造例如袋型、棱柱型或圆柱形电池。预期热泵的其他实施例可以在本公开的范围内实施，热泵在此示例为商业上可获得的热电组件(TEA)。每个TEA包括固态热电模块(TEM)、伴随的散热器和旋转风扇或其他适合于应用的热调节设备。
[0005]此外，所公开的解决方案可以结合前述热泵使用温度传感器和/或热通量传感器。本教导的替代示例性实施方式包括:(1)每个电池设置单个直通空气热泵和散热器，(2)热泵的分布式阵列，可能具有不同的尺寸或表面积，用于增加热量测量精度和定位/粒度，以及(3)形成为适配电池特征表面轮廓的热泵，例如，与相应的圆柱形电池一起使用的半圆形TEA。
[0006]如本领域所知，量热计是科学测量设备，通常用于量化热容量或确定感兴趣的给定表面的传热梯度。所描述的电池电气设备在其各种结构中以热量计的方式起作用，以促进对施加的电压的快速响应，或者当向电负载放电时，这两种情况又导致电池级发热。此外，相对于现有方法，下面描述的电池电气设备更准确地确定了保持在校准的恒定压力下
的电池的热生成率的分布。为此，本文描述了用于施加和保持恒定压力的各种压力控制设备，该恒定压力通过压缩电池而产生。
[0007]如上所述，本文所设想的直通空气热泵可以可选地包括固态热电模块(TEM)形式的TEA、相应的散热器和旋转风扇。如本领域中所理解的，固态TEM基于珀耳帖Peltier效应工作，电流流过TEM引起电流相关的温度梯度，反之亦然。所产生的温度梯度又将热量从固态TEM的一侧驱动到另一侧。因此，如本文所设想的，可以采用具有整体固态TEM的TEA作为电池或电池组内的局部热泵。
[0008]下面描述本电池电气设备和主电池系统的各种实施例。在一种可能的配置中，对于袋型或棱柱型电池，电池电力设备被配置成测量限定区域内和/或多维度内的发热。这通过使用上述概述的直通空气热泵组件，例如一个或多个TEA，并且可能结合热通量传感器的分布式阵列来实现。这种热通量传感器测量电池的相应表面和散热器之间的热通量。恒定压力，例如在示例性实施例中大约25kPA至大约35kPA，被施加到电池，以保持TEA和电池之间良好的表面对表面接触，以及在必要时促进适当的老化。这种特殊结构的优点包括便于对施加的电流或向电负载放电时做出快速响应，这两种情况都会在电池水平上产生热量，并且能够精确地确定热通量表面分布。
[0009]在另一个可能的实施例中，电池电气设备通过TEA阵列而不是电池每侧的单个TEA来操作，可能不使用一个或多个热通量传感器。该可选变型利用TEA阵列的热泵响应来直接测量局部热生成。与上述示例性实施例一样，恒定的压力作为压缩力施加到电池，以确保电池的内部电极层之间以及电池和TEA阵列之间的充分接触。
[0010]又一个实施例可以被实现用于圆柱形电池，以提供类似的益处。在一种可能的方法中，两个特殊构造的半圆形电池外壳或壳体协作以将圆柱形电池封闭在其间，从而促进从电池表面到连接到外壳的散热器的有效热传递。使用一个或多个TEA和至少一个热通量传感器来测量集总热生成。TEA的操作可以通过双极电源来控制，而电池在相应的充电或放电操作模式期间连接到主电源或电负载，即，主电源向电池输送电流或电压，电负载从电池接收电流或电压。
[0011]在该特定实施例中，热通量传感器被配置成在热量从电池的表面辐射到散热器时测量热通量，同时控制TEA。这种可选结构适用于圆柱形电池，有助于对主电源施加的电压和电流作出动态响应，以测量电池级发热，或在连接到施加的电负载时控制电池的放电响应。因此，具有圆柱形轮廓的电池产生的热量可通过精确量化TEA泵送的热量来确定。这种方法可以与在绝热条件下测量电池中温度梯度的现有量热计形成对比。在一些构造中，具有圆柱形轮廓的多个电池可以并联连接，以测量微型模块或电池组的发热，因此这里使用的简化的单电池示例是非限制性的。
[0012]在如本文所述的特定实施例中，电池电气设备包括电化学电池、直通空气热泵和压力控制设备。如上所述，在电池的相应放电或充电模式下，电池可选择性地连接到电负载或主电源。连接到电池的单元表面的热泵包括散热器和风扇，该风扇可操作地配置用于冷却热泵。压力控制设备又被配置成在放电或充电模式期间向电池施加恒定的压力。
[0013]热泵可以可选地体现为一个或多个TEA，每个TEA除了上述散热器和风扇之外还包括固态TEM。
[0014]电池电气设备的实施例包括与热泵/TEA通信的处理器，该处理器被配置为计算在
给定温度设定点下从电池泵出的热量。处理器控制双极电源以保持温度设定值，处理器根据热量如此操作。
[0015]如上所述，电池可以是袋型或棱柱型电池，这两种结构在电池电气系统领域都是公知的。在这种情况下，TEA可能包括分布的TEA阵列，TEA是如上所述的热泵的一个实施例。分布式TEA阵列的每个相应TEA位于电池的相应表面区域部分上。电池电气设备可包括第一和第二TEA，即，当电池电气设备定位在直立方向时，标称的“上”和“下”TEA，电池设置或夹在TEA之间。
[0016]本公开的一个方面包括热通量传感器阵列。这种阵列的各个热通量传感器分布在电池表面上，并被配置成测量其相应表面区域部分的局部热通量。
[0017]在一个或多个可能的实施方式中，电池电气设备的特征在于缺少一个或多个热通量传感器。在这样的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于与电负载一起使用的电池电气设备，包括：电化学电池，可连接到电负载并具有电池表面；直通空气热泵，与电池表面热连通；压力控制设备，被配置为当电池连接到电负载时向电池表面施加恒定压力，其中，电池到电负载的连接使得直通空气热泵从电池泵送一定量的热量；和至少一个传感器，被配置为产生指示热量的输出电压信号。2.根据权利要求1所述的电池电气设备，其中，所述热泵包括热电组件TEA，所述热电组件具有固态热电模块TEM、散热器和风扇，该风扇可操作用于响应温度控制信号冷却所述TEM。3.根据权利要求2所述的电池电气设备，其中，所述电池是袋型电池或棱柱型电池，并且所述TEA包括分布式TEA阵列，所述分布式TEA阵列的每个相应TEA位于电池的相应表面区域部分上。4.根据权利要求1所述的电池电气设备，进一步包括与所述至少一个传感器通信的处理器，所述处理器被配置为使用所述输出电压信号确定在校准的温度设定点从电池泵送出的热量，并且控制所述电池电气设备的操作以维持所述温度设定点。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：SY崔，Y胡，TR加里克，
申请(专利权)人：SY崔Y胡，
类型：发明
国别省市：