用于通过测定温度外推确定车辆电池的多个单元电池的各自温度的方法、控制装置以及车辆电池

本发明涉及一种用于确定车辆电池的多个单元电池的各自温度的方法。本发明的第二方面涉及一种相应的控制装置。本发明的第三方面涉及一种尤其具有所述控制装置的车辆电池。

为了实现可电驱动的机动车的成功商业化，它们必须满足高度期待和严格要求，其通过传统的燃料驱动式机动车关于使用寿命、功率能力、行程距离和安全性已被满足。可电驱动的机动车的例子是只具有电蓄能器和一个或多个电动机的纯电动车，具有内燃发动机、电蓄能器和一个或多个电动机的混动车以及例如具有燃料电池、电蓄能器和一个或多个电动机的氢动力车。机动车的电蓄能器也可以被称为车辆电池和/或牵引电池。车辆电池由多个相互串联和/或并联连接的单元电池组成。这些单元电池设计用于共同储蓄电能或共同提供电力。车辆电池的单元电池可以全都串联。但有利地规定，多个单元电池相互串联连接并且得到一个组，其中，多个这种组并联连接。通过这些单独单元电池的标称电压以及串联的单元电池的数量得到车辆电池的标称电压水平。优选地，标称电压水平至少为80伏，优选至少为200伏，例如为400伏或800伏。

为了保证高效且安全的具有车辆电池的机动车或车辆电池的运行而尤其规定，车辆电池被连续监测。例如在此监测范围内检查各自温度、电压、电流、充电状态(荷电状态SoC)和/或折旧率或退化(健康状态SoH)。在此，可以任意组合所例举的参数。最有利的是在工作中连续检查或确定和监测每个单元电池的各自温度。这相似地适用于折旧率或退化(SoH)。

将各自温度传感器布置在每个单元电池上在此是极其复杂且成本密集的。因此缘故，通常利用上述参数与各自单元电池内电阻之间的关系。尤其是可以从内电阻推断出各自单元电池的温度和/或退化。

例如各自单元电池的内电阻可以借助充分利用对电流脉冲的电压响应关系的电流脉冲测量法来予以考虑。为此需要低的计算成本。但只能无序地提供这样确定的值。一种替代方法利用自适应模型例如所谓的开关电路模型(电路模型ECM)。这尤其基于卡尔曼滤波器。

本发明的任务是实现车辆电池的各自单元电池的改进的温度监测。

根据本发明，该任务通过独立权利要求的主题来完成。具有适当的改进方案的有利实施方式是从属要求的主题。

本发明的第一方面涉及用于确定车辆电池的多个单元电池的各自温度的方法。为了允许更好地监测各自温度，该方法具有以下步骤：

-确定测量值，该测量值包括至少一个第一单元电池的第一电压和至少一个第二单元电池的第二电压以及流过该单元电池的至少一个各自电流；

-从该测量值确定第一单元电池的第一测量电阻和第二单元电池的第二测量电阻；

-确定参考电阻；

-确定第一测量电阻与参考电阻的第一电阻比以及第二测量电阻与参考电阻的第二电阻比；

-确定第一单元电池的测量温度；

-按照预定规定依据该测量温度以及第一电阻比和第二电阻比确定第二单元电池的计算温度。

尤其是，通过借助测量装置的相应测量来进行测量值的确定。测量装置尤其可设计用于测量第一电压和/或第二电压和/或各自电流。尤其是，流过第一单元电池和第二单元电池的各自电流是相同的，因为两个单元电池串联连接。可以依据测量值来确定第一测量电阻和第二测量电阻。第一和第二测量电阻的确定尤其依据电流电压和电阻之间的数学关系进行。例如从测量值中确定第一单元电池的第一测量电阻和第二单元电池的第二测量电阻是借助欧姆定律进行的。在另一设计中，也可以采用如在本申请的下文中还将示出的更复杂的数学关系。

参考电阻可以例如是预定值。在此情况下，参考电阻的确定可以通过从存储器中调取预定值进行。或者，参考电阻可以作为关于多个单元电池的所有测量电阻例如第一测量电阻和第二测量电阻的平均值来形成。尤其是，参考电阻的确定是通过关于车辆电池的所有单元电池的所有测量电阻求平均或形成平均值来进行的。第一和第二测量电阻比可以如此形成，即，各自测量电阻、即第一或第二测量电阻除以参考电阻。或者，第一或第二电阻比可以通过将参考电阻除以第一或第二测量电阻来形成。

第一单元电池的测量温度的确定可以通过测量第一单元电池的温度进行。尤其是，测量温度的确定或测量借助温度传感器进行。温度传感器例如可以设计成NTC传感器或PTC传感器或包括这种传感器。或者也可以实现借助红外温度计的测量。也可以想到用于测量第一单元电池的温度的任何其它测量方法。一般，第一单元电池的测量温度可以借助测温单元来确定。

计算温度的确定是基于第一电阻比和第二电阻比以及测量温度按照预定规定进行的。计算温度在此表明第二单元电池的温度，而测量温度表明第一单元电池的测定温度。之所以如此取名“计算温度”是因为其并非测量的，而是借助预定规定从给定参数中推导或确定的。

本发明基于以下构思：从第一单元电池的温度外推第二单元电池的温度。为了外推，使测量温度与第一和第二电阻比相关联。在此，本发明利用以下认识：各自单元电池的内电阻随相应单元电池的温度升高而减小。因此，基于第一和第二单元电池的各自内电阻、即第一和第二测量电阻，第一单元电池的温度可被外推至第二单元电池。在此尤其要考虑的是，在该温度与各自内电阻之间不存在线性关系。在各自内电阻与温度之间的关系例如可以通过分配函数和/或相应的值表可供使用。所述关系、尤其是分配函数或值表在此可被预先确定。尤其是，所述关系、尤其是分配函数或值表通过针对这种车辆电池或相应单元电池的相应试验来推导。在此可以规定值表的或分配函数的数值产生。总之由此表明可以如何实现车辆电池的各自单元电池的温度的改善监测。尤其是，仅少量的测温单元或温度传感器可能就足以通过本发明方法确定所有单元电池的各自温度。这一方面降低车辆电池构建时的复杂性，另一方面节约成本。

该方法在无需确定参考电阻和确定第一和第二电阻比的步骤的情况下一般可实现。在此情况下，计算温度可以不同地依据测量温度以及第一测量电阻和第二测量电阻按照相应的预定规定进行。但此时事实表明，关于参考电阻的比例设定(又称为归一化)能提供更可靠的结果。在此，这尤其基于以下认识：绝对电阻并不重要，因为具有最低内电阻的各自单元电池通常也是单元电池中最热的，而具有最高内电阻的单元电池通常也是单元电池中最冷的。因为计算温度的确定也依据测量温度进行，故考虑各自关于参考电阻归一化的测量电阻、即第一或第二电阻比就够了。通过归一化来获得更一致数据基础。

根据一个改进方案而规定，预定规定包含该分配函数和/或值表，其依据测量温度以及第一电阻比给多个用于第二电阻比的值分配用于温度、即计算温度的各自值、尤其是正好一个相应值。在此可以规定，该分配函数和/或值表通过对车辆电池的相应试验或测量来产生。该值表或分配函数可以通过数学关系或数学公式或以数值来提供。另外，所述值表和/或分配函数可以具有作为参数的车辆电池的和/或各自单元电池的放电状态。换言之，可以针对车辆电池的和/或各自单元电池的充电状态的不同值考虑相应适用的分配函数和/或值表。在此情况下，该方法可包含作为附加步骤的“车辆电池的和/或各自单元电池的充电状态的确定”。通过这种方式可以获得第二单元电池的温度、尤其是计算温度的还更精确的确定。

根据一个改进方案而规定，依据第一电阻比和测量温度首先归一化分配函数和/或值表，接着从归一化的分配函数和/或值表依据第二电阻比推导计算温度。换言之，首先依据第一单元电池的数据、即第一电阻比和测量温度来选择或产生该分配函数和/或值表，接着从通过这种方式产生的分配函数和/或值表依据第二电阻比选择计算温度。在此，归一化的分配函数和/或值表可以表明计算温度与第二电阻比之间的一对一关系。通过这种方式可以依据归一化的分配函数和/或值表简单推导出计算温度。所述归一化或归一化的分配函数和/或值表的产生或选择尤其也可以基于预定数据进行。

根据一个改进方案而规定，用于多个第二单元电池的各自第二电阻比被确定并且由此以及依据预定规定、测量温度和第一电阻比确定用于各自第二单元电池的计算温度的各自值。换言之，第二单元电池的计算温度的确定是以相似方式针对多个第二单元电池并行进行的。在此，针对每个第二单元电池可以基于各自第二电阻比，其从针对各自第二单元电池所确定的各自测量电阻被推导。为了确定各自第二测量电阻，可以确定用于每个第二单元电池的各自第二电压。可以确定用于每个第二单元电池的各自电流，其中，各自电流可以在串联情况下对于所有的第二单元电池都是相同的。此时各自第二单元电池的各自计算温度分别基于第一单元电池的第一电阻比以及第一单元电池的测量温度来确定。换言之，每个第二单元电池的计算温度基于第一单元电池的测量温度以及其电阻或电阻比来外推。通过这种方式可以不需要多个温度传感器，因为针对每个第二单元电池不再需要温度传感器。

根据一个改进方案而规定，确定用于多个第一单元电池的各自测量温度以及各自第一电阻比并由此依据预定规定和第二电阻比确定用于第二单元电池的计算温度的各自值。换言之，第二单元电池的计算温度基于多个第一单元电池的各自测量温度和各自第一电阻比来外推。尤其是，计算温度的确定或外推基于不同的单元电池彼此独立地进行。通过这种方式得到第二单元电池的多个计算温度。在其它设计中可以规定，用于第二单元电池的计算温度的多个值被求平均。在进行求平均之前，可以滤掉异值、即与其余值相差超过预定程度的用于第二单元电池计算温度的值。因为这样截然不同的值或异值很有可能由测量错误或计算温度确定错误引起。通过这种方式，可以进一步提高确定单元电池的各自温度时的精度。

根据一个改进方案而规定，安置在车辆电池边缘处的多个第一单元电池之一的至少一个测量温度以及居中安置在车辆电池中的多个第一单元电池之一的至少一个测量温度被确定。换言之，各自温度传感器或各自测温单元安置在至少一个布置于车辆电池边缘处的第一单元电池上，并且至少一个温度传感器或测温单元安置在居中安置在车辆电池中的第一单元电池上。例如，安置在车辆电池边缘处的第一单元电池仅与另一个单元电池相邻。例如居中安置在车辆电池中的第一单元电池在多侧与各另一个单元电池相邻。通过这种方式得到用于不同第一单元电池的不同安装状况的不同的温度测量值。这允许更精确地确定测量温度和进而还有由此推导的计算温度或多个计算温度。

根据一个改进方案而规定，检查是否存在参考状态，在这里，在参考状态中，关联系数G大于预定值和/或多个第一单元电池的各自测量温度彼此不高于预定程度。关联系数G尤其表明各自测量电阻确定的回归质量。在此，关联系数G在此尤其是质量系数，其表征测量值或由此推导的电阻值的数据质量。在此，参考状态尤其适用作静止状态，此时车辆电池处于静止状态。在参考状态中或正好当存在参考状态时，可以放弃多个单元电池的各自温度的确定，因为可以假定其随着时间恒定发展。另外，正好当存在参考状态时可能完成其它评估。尤其是，车辆电池的退化或退化变化的量化通过对照早期参考状态来进行。这基于以下认识：测量值渐变特性或长期特性并非源于单元电池温度的变化，而是源于其退化的变化。故可以从长期特性推断出车辆电池或单独单元电池的状态的变化或其退化。

本发明的第二方面涉及一种用于确定车辆电池的多个单元电池的各自温度的控制装置，其中，该控制装置设计成：

-接收测量值，测量值包括至少一个第一单元电池的第一电压和至少一个第二单元电池的第二电压以及至少一个流过单元电池的各自电流，

-从该测量值确定第一单元电池的第一测量电阻和第二单元电池的第二测量电阻，

-确定参考电阻，

-确定第一测量电阻与参考电阻的第一电阻比以及第二测量电阻与参考电阻的第二电阻比，

-接收第一单元电池的测量温度，和

-按照预定规定依据该测量温度以及依据第一电阻比和第二电阻比确定第二单元电池的计算温度。

尤其是，该控制装置设计用于执行根据其中一个或多个在此所述的实施方式的本发明方法。例如该控制装置包括计算单元，其例如设计成微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP)。该控制装置或计算单元可以具有存储器单元例如闪存器、磁性存储器介质和/或光学存储器介质等，其中所存储的计算机程序产品包含用于执行本发明方法或本发明方法的各方法步骤的程序代码机构。尤其是，程序代码机构在该控制装置或计算装置上运行时允许执行根据一个或多个实施方式的本发明方法。

本发明的第三方面涉及车辆电池，其具有：

-上述控制装置，

-至少一个第一单元电池和用于确定每个第一单元电池的各自测量温度的各自测温单元，

-至少一个第二单元电池，和

-用于确定测量值的测量装置，该测量值包括第一单元电池的第一电压和第二单元电池的第二电压以及流过该单元电池的至少一个各自电流。

例如车辆电池可以设计成锂离子电池。车辆电池可以具有大于80伏、优选大于200伏例如400伏或800伏的电压水平。尤其是，车辆电池具有多个测温单元、例如两个、三个或四个。在此情况下，车辆电池的四个单元电池适合作为本申请意义上的第一单元电池。车辆电池的也可被称为本申请意义上的第二单元电池的其余单元电池的各自温度依据所述一个或多个第一单元电池的各自测量温度被外推。

从以下对优选实施例的说明中以及结合图得到本发明的其它优点、特征和细节。以上在说明书中提到的特征和特征组合以及以下在附图说明中提到的和/或在图中被单独示出的特征和特征组合不仅在各自所指明的组合中、也在其它组合中或单独地可采用，而没有脱离本发明的范围，其中：

图1示出具有多个单元电池的车辆电池的示意性框图，其中，其中若干单元电池具有各自的温度传感器，并且依据这些单元电池的测量温度以及各自电阻来外推其余单元电池的温度；

图2依据过程图示出示例性方法过程；

图3示出依靠试验确定的示例性分配函数。

图1示出根据一个极其示例性的实施方式的具有多个单元电池2的车辆电池1。单元电池2分为两组3，其中，各自一组3的单元电池2分别串联连接。所述组3又相互并联连接。显然，任何其它有意义的单元电池2连接也是可行的。尤其是，车辆电池1被设计成所谓牵引电池，用于给机动车的电驱动装置供应电能以驱动或加速机动车。车辆电池1或其单元电池2尤其基于锂离子电池技术。

车辆电池1具有电接头5，车辆电池1的输出电压加载于电接头。尤其是，负载、尤其是用于运行机动车电机的换流器和/或用于给机动车的车载电源供应电能的变压器被接至电接头5。换言之，车辆电池1可以通过电接头5对外输出电能或电力。用于提供电力的电接头5可能是唯一的电力需求，其从车辆电池1的电池壳体6伸出。电接头5可以通过共两个极来提供。车辆电池1的标称输出电压尤其大于80伏、最好大于200V、例如是400伏或800伏。当使用基于锂离子的单元电池2时，串联的单元电池2的数量也从输出电压的期望标称电压水平来推导。

为了能保证车辆电池1运行中的高度安全性以及能尽量延长车辆电池1的使用寿命，需要尽量广泛地监测车辆电池1。监测例如可以涉及输出电压、电流流动、温度、充电状态(荷电状态SOC)、退化(健康状态SOH)等。尤其优选的是所述监测不仅关于整个车辆电池1进行，也至少部分针对每个所述单元电池2单独进行。通过这种方式可以识别各单元电池2的损伤或预防所述损伤。

车辆电池1具有多个测温单元4。测温单元4配属于各自单元电池2。在此，测温单元4设计用于测量各自单元电池2的温度。配属有测温单元4的单元电池2也被称为第一单元电池11。显然，仅一小部分的单元电池2配属有测温单元4。未配属有测温单元4的单元电池2也被称为第二单元电池12。仅设有少量的测温单元4以保持车辆电池1的尽量低的复杂性和制造成本。另一方面值得期待的是确定所有单元电池2的各自温度。因此缘故，第一单元电池11的测量温度通过一种用于确定车辆电池1的单元电池的各自温度的方法被外推到第二单元电池。为了执行该方法，车辆电池1可以具有相应的控制装置9。

在这里，车辆电池1具有测量装置7，其设计用于测量或确定单独的单元电池2的电流和电压。在此尤其可以规定，针对每个单元电池2测量或确定各自电压。可以规定，针对每个单元电池2的电流被彼此独立地测量。但优选的是，电流针对多个单元电池2被共同测量或确定。因为多个单元电池2串联，故流过串联的单元电池2、在此是一组3的单元电池2的各自电流分别是彼此相同的。通过这种方式，电流可以分别针对每一组3仅被测量一次。或者，所有组3的总电流可被测量并且被除以组3的数量，这尤其是在以下假定条件下进行，即，总电流均匀分配到所有的组3。根据另一替代方案，一组3的电流可被测量，并且假定另一组3的电流与之相等。关于根据图2的过程图，所给定的测量值的测量对应于步骤S1。替代地或附加地，在步骤S1中由控制装置9接收测量值。

按照所述测量值、即用于电流和电压的各自值，可以确定用于每个单元电池2的各自电阻、也称为测量电阻。这可以例如基于欧姆定律进行。在其它实施例中，这根据以下还将详细解释的不同的公式算法进行。单独的单元电池2的各自电阻或内电阻的确定对应于步骤S2。

在步骤S3中确定是否存在参考状态或所谓的“稳定状态”。在参考状态中，在本实施方式中，第一单元电池11的各自温度最多彼此相差预定量。另外，在本实施方式中，关联系数G在参考状态中大于预定值。以下还将详细介绍关联系数G，也见公式(22)。若存在这种参考状态，则用于确定各自温度的方法被中断直至以其它方式执行。在此情况下不确定第二单元电池12的温度，这在过程图中对应于路径“n”，而是确定电池的退化(“健康状态”)，这在图2中对应于路径“y”。

在另一步骤S6中，调取或接收来自测温单元4的温度值。这尤其通过控制装置9进行。替代地或附加地，可以在步骤S6中也进行借助测温单元4的温度值测量。步骤S6可以重复进行和/或在步骤S3之前进行，因此用于步骤S3的温度值总是以实时形式提供。

如果没有参考电阻，则该方法能以步骤S4继续。在步骤S4中确定参考电阻。该参考电阻可以是例如预定值，其在步骤S4期间从控制装置9的存储单元中调取。在本实施例中，从所有单元电池2的内电阻或测量电阻中确定参考电阻。尤其是，该参考电阻通过对所述内电阻或测量电阻求平均来确定。换言之，参考电阻可以是关于内电阻或测量电阻的平均值。

在步骤S5中确定用于单元电池2的各自内电阻的各自电阻比。各自电阻比通过将各自内电阻或测量电阻除以参考电阻来计算。或者，各自电阻比可以通过将参考电阻除以各自内电阻或测量电阻来计算。

在方法步骤S7中进行关于第一单元电池2的测量温度或温度值的真正的外推。在此情况下基于测量温度地通过各自电阻比确定所有第二单元电池12的各自计算温度。所述计算温度可基于预定规定。尤其是，预定规定将单元电池2的各自温度与各自电阻比彼此关联。在此，预定规定可以包含值表和/或分配函数15。尤其是，值表和/或分配函数15可以从相应的实验室试验中推导。相应实验室试验的结果可以以数值形式包含在值表和/或分配函数中或者通过数学函数来呈现。

图3示出示例性分配函数15，其关于相应的第二单元电池12的各自电阻比V

以下，现在应该更详细描述本发明的数学基本原理：

A.用于确定电阻的算法

确定或计算各自内电阻的基础是将测量参数(电流和电压)的曲线分为即时的系统响应I(t)·R

即时的系统响应通过在欧姆电阻R

延迟的确定性单元电池特性可以通过使用具有两个电阻对的开关电路模型(ECM)来表达。

随机噪声可以通过具有平均值0的独立高斯噪声方法来表达。

ECM参数R

基于所述要求，欧姆电阻的总差

应该在抽样间隔Δt中小到忽略不计。延迟系统反应的总差导致以下等式：

此时条件是OCV的变化

在短暂间隔内可忽略。基于扩散过程的大的时间常数

T

也能够将第二RC对

忽略不计。第一RC对的总变化基于低的时间常数

T

在较宽的温度和SoC(充电状态)范围内

不可忽略。随机测量噪声的变化不可忽略。延迟系统响应的总差导致

通过使用离散电压信号的反向差，得到结果：

为了更好概览，离散信号在如下向量中被组合

其中，样本参数n的长度尤其对应于单元电池2的数量。系统等式现在能以向量符号来书写：

确定欧姆电阻的一个可能方式因此是将电压向量协方差应用到电流向量，

其中，条件是当前电流向量恒定并且当前电流向量的方差等于零。公式19的第二项可以借助公式(9)-(15)来近似计算：

因此，单元电池电压和电流的协方差可以如下近似计算：

这被定义为各自单元电池2的内电阻R

作为质量系数G基于每个抽样的数据库被加入以评估所述估算。本申请包括两种不同的回归方法技术。一种方法要求各自样本的数据备份以分析计算协方差和关联系数。另一种算法在无需暂存的情况下近似计算协方差和关联系数。以下将完整描述这两种算法，包含所用的过滤器、初始值和定义。

B.具有数据备份的回归方法(RM)的概述

符号和定义：

样本向量

对于电流

对于电压

伴随优化的抽样参数

初始化：k＝0

计算，针对k>0

/>

C.递归方法(RRM)的概述

初始化：k＝0

初始状态的计算：0≤k

针对k≥n

D.退化(SoH)和温度估算

所述基于数据库的算法的输出导致车辆电池1内锂离子电池的电阻分配

置于无负载状态。指数j代表各自周期。参考分配的短暂变化

可以归结于电池内温度梯度。在以下参考分配之间的长期漂移

描绘老化率梯度，其影响退化或SoH。

附图标记列表

1车辆电池

2单元电池

3组

4测温单元

5接头

6电池壳体

7测量装置

9控制装置

11 第一单元电池

12 第二单元电池

15 分配函数。