[发明专利]具有PCM热管理系统的电池组中的相变材料(PCM)的热荷电状态估算

说明书

一种确定和/或监测电池系统中相变材料的热荷电状态或熔化分数的方法和装置。该电池系统包括多个电化学电池元件，与多个电化学电池元件热接触的相变材料的供应，以及电池管理系统，其监测相变材料的储热容量并根据相变材料的储热容量自动控制多个电化学电池元件的功率。电池管理系统根据相变材料的储热容量自动调节多个电化学电池元件的功率输出，以在预定的安全温度极限内提供热量输出。

技术领域

本发明一般涉及相变材料(PCM)用于热管理的用途，更具体地说，涉及用于确定和/或监测相变材料的热荷电状态或熔化分数的方法和设备。

背景技术

锂离子电池目前用于许多应用中，例如电动车辆，便携式电子设备，混合动力电动车辆，固定存储系统等。传统上，锂离子电池组的冷却通过强制空气冷却和/或液体冷却执行，通常复杂、昂贵、繁重，并且需要高度维护。在例如美国专利6,942,944、6,468,689、8,273,474中提出了使用相变材料(PCM)来热管理锂离子电池或其他电池化学物质，在此通过引用而并入。

电池使用过程中产生的热量使PCM熔化，在电池休眠后，PCM冷却并凝固，提供完全可重复和可靠的热管理。用于电池的PCM已经在各种应用中实现，包括运输，不间断电源，航空航天以及并网和离网电能存储。通过限制电池组的峰值温度，PCM可以改善电气性能，系统寿命和操作安全性。

基于PCM的热管理策略可以非常有效地防止不安全的电池状况并保持正常操作的最佳温度。在PCM热管理系统中，在PCM材料的相变期间获得最大的优点，其中利用大量潜热来吸收从电池组中的电池释放的热量。PCM完全熔化后(以防固液PCM)，电池组温度会急剧上升。PCM热管理系统通常设计成在PCM完全熔化后不运行。在PCM用于电池热管理的当前应用中，控制系统通过监测各种电池参数来调节流入和流出电池组的电流，以确保安全的电池操作。

商用电池组中的当前现有技术控制系统监测电流，电压，荷电状态和/或整个电池组温度，并控制电池组的操作。在空气或液体冷却系统中，连续监测电池组温度，当电池组温度超过设定点温度时打开空气或液体流，当电池组温度低于设定点温度时关闭空气或液体流。因此，专用控制系统被设计为空气或液体冷却系统的一部分。在基于PCM的冷却系统中，基于其简单的被动操作而不需要移动部件，不需要复杂的控制系统。然而，仍然需要连续监测PCM，以便控制系统可以始终根据PCM中可用的潜热存储来安全地操作电池组，而当PCM完全熔化时不操作电池组。

发明内容

本发明的总体目的是提供一种电池管理系统(BMS)，其特别设计用于使用相变材料(PCM)进行热管理的电池组。本发明的方法和BMS具有增强的预测或以其他方式确定PCM的熔化分数(melt fraction)或热荷电状态(TSoC)的能力。

例如，如果T-SoC为0％，则整个PCM熔化且呈液相；如果T-SoC为100％，则整个PCM处于固态状态并可以从电池组中吸收大量热量。在电池组运行期间，如果T-SoC达到或接近100％，但是电池组容量仍然可用并且低于温度限制，则BMS会将功率限制在安全水平。因此，BMS根据PCM的T-SoC或熔化分数来控制电池组的功率。

当前的控制技术没有解决上述用于电池冷却应用的PCM的熔化分数的估算问题。本发明包括一种可以在新的或现有的控制系统中实施的方法，当将PCM用于冷却应用时基于一些输入参数(例如电流和环境温度)估算电池组中PCM的熔化分数。由本发明提供的用于BMS的附加智能允许根据PCM的熔化分数和可用的潜热存储使电池组更安全地操作。本发明实施例的智能BMS系统依赖于一些参数来估算PCM温度，PCM熔化分数和/或可用的热存储。BMS系统会相应地调节电池功率输出，并在对电池组充电时执行类似的功能。

本发明实施例的另一个重要优点是准确估算PCM的熔化分数或可用的储热容量将有助于减轻电池组中电池的热失控扩展。在没有足够的PCM潜热可用的情况下，如果单个电池发生热失控，电池组中的电池可能会扩展，因为释放出的热量无法充分存储在PCM中。