用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種用于估計(jì)在二次電池的充電或者放電期間改變的諸如二次電池的開路電壓(OCV)或者充電狀態(tài)(SOC)的二次電池的電化學(xué)參數(shù)的設(shè)備和方法。
[0002]本申請(qǐng)要求其公開在此通過引用而被并入的、在2012年12月4日在大韓民國提交的韓國專利申請(qǐng)N0.10-2012-0139776，和在2013年12月4日在大韓民國提交的韓國專利申請(qǐng)N0.10-2013-0149690的優(yōu)先權(quán)。
【背景技術(shù)】
[0003]電池是通過電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置，并且具有很多不同的應(yīng)用。例如，電池的應(yīng)用逐漸地?cái)U(kuò)展到手持便攜式裝置諸如移動(dòng)電話、膝上型計(jì)算機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、視頻攝影機(jī)、平板計(jì)算機(jī)和電動(dòng)工具；各種類型的電動(dòng)裝置諸如電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)車輛、混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)船和電航空器；用于存儲(chǔ)通過新的可更新能量或者電廠的過量電力產(chǎn)生的電力的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)；和用于向包括用于通信的服務(wù)器計(jì)算機(jī)和基站的各種信息和通信裝置穩(wěn)定供電的不間斷電源。
[0004]電池包括三個(gè)基本元件，一個(gè)是包括在放電期間在發(fā)射電子時(shí)氧化的材料的負(fù)極，另一個(gè)是包括在放電期間在接受電子時(shí)還原的材料的正極，并且其它的是允許離子在負(fù)極和正極之間移動(dòng)的電解質(zhì)。
[0005]電池可以被分類成在放電之后不能再次使用的原電池，和能夠由于至少部分地可逆的電化學(xué)反應(yīng)而反復(fù)地充電和放電的二次電池。
[0006]作為二次電池，鉛酸電池、鎳-鎘電池、鎳-鋅電池、鎳-鐵電池、銀-氧化物電池、鎳金屬氫化物電池、鋅-錳二氧化物電池、鋅-溴電池、金屬-空氣電池和鋰二次電池是已知的。在它們中，鋰二次電池具有比其它二次電池更高的能量密度、更高的電池電壓和更長的壽命，并且由于這些原因，在商業(yè)方面正在受到高度的關(guān)注。
[0007]鋰二次電池具有鋰離子的嵌入和脫嵌反應(yīng)在正極和負(fù)極處發(fā)生的特性。即，在放電期間，從在負(fù)極中包括的負(fù)極材料脫嵌的鋰離子通過電解質(zhì)移動(dòng)到正極并且嵌入在正極中包括的正極材料中，并且在充電期間反過來。
[0008]在鋰二次電池中，因?yàn)橛米髡龢O材料的材料顯著地影響二次電池的性能，所以已經(jīng)做出各種嘗試以提供在高溫下維持穩(wěn)定性時(shí)具有高能量容量以及具有低制造成本的正極材料。然而，在利用僅僅一種正極材料滿足所有的工業(yè)性能標(biāo)準(zhǔn)方面仍然存在限制。
[0009]近來，隨著正在增長的、對(duì)于化石燃料枯竭和空氣污染的擔(dān)心，對(duì)于環(huán)境友好能量的要求急劇增加。在這方面，利用從二次電池供應(yīng)的電能供電并且運(yùn)行的電驅(qū)動(dòng)車輛諸如電動(dòng)車輛或者混合動(dòng)力車輛的商業(yè)化在發(fā)達(dá)國家中正在加速。
[0010]當(dāng)電驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行時(shí)，二次電池的充電狀態(tài)(SOC)是估計(jì)電驅(qū)動(dòng)車輛的剩余行駛距離，并且控制二次電池的充電或者放電的開始和結(jié)束所需要的電化學(xué)參數(shù)。
[0011]可以通過測量二次電池的開路電壓(OCV)準(zhǔn)確地估計(jì)二次電池的SOC。這是因?yàn)槎坞姵氐腟OC與二次電池的開路電壓具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，在二次電池的充電或者放電期間測量二次電池的OCV是不可能的。
[0012]相應(yīng)地，為了估計(jì)二次電池的0CV，傳統(tǒng)上，使用從其將二次電池的溫度和電壓映射為OCV的、復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型或者通過試驗(yàn)做出的查找表。
[0013]然而，在動(dòng)態(tài)條件下當(dāng)在二次電池充電或者放電期間應(yīng)用時(shí)，前一方法具有要求復(fù)雜計(jì)算的缺點(diǎn)，并且后一方法具有減小的準(zhǔn)確度的缺陷。特別地，在電動(dòng)車輛或者混合動(dòng)力車輛的情形中，當(dāng)駕駛員踩踏油門踏板時(shí)，二次電池以快速地改變的放電速率(c-速率)放電，并且當(dāng)駕駛員踩踏制動(dòng)踏板時(shí)，二次電池執(zhí)行再生充電，并且這個(gè)過程重復(fù)。因此，存在對(duì)于在二次電池的動(dòng)態(tài)使用環(huán)境中方便地并且準(zhǔn)確地估計(jì)二次電池的SOC的新的方法的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]技術(shù)問題
[0015]本公開設(shè)計(jì)用于解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，并且因此，本公開涉及提供一種用于在二次電池的動(dòng)態(tài)使用期間方便地并且準(zhǔn)確地估計(jì)二次電池的電化學(xué)參數(shù)諸如開路電壓(OCV)和/或充電狀態(tài)(SOC)的設(shè)備和方法。
[0016]而且，本公開涉及提供一種方便地并且準(zhǔn)確地估計(jì)二次電池的OCV和/或SOC的設(shè)備和方法，該二次電池考慮到對(duì)于市場中的二次電池要求的改進(jìn)的性能地包括至少兩種正極材料的混合正極材料并且由于混合正極材料而呈現(xiàn)獨(dú)特的電化學(xué)行為。
[0017]技術(shù)方案
[0018]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，根據(jù)本公開的一個(gè)方面一種用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的設(shè)備包括:傳感器裝置，其用于當(dāng)二次電池以充電電流增加到峰值并且然后降低的這種模式充電時(shí)在充電電流降低的同時(shí)測量多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)的傳感器裝置，和控制裝置，其用于從傳感器裝置接收該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)的輸入，以根據(jù)該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)計(jì)算表示電流和電壓之間的關(guān)系的線性近似方程，并且通過在線性近似方程的Y截距上反映通過電阻器-電容器(Re)電路量化的二次電池的極化電壓而估計(jì)二次電池的開路電壓(OCV)。
[0019]優(yōu)選地，控制裝置可以進(jìn)一步根據(jù)估計(jì)的OCV估計(jì)二次電池的充電狀態(tài)(SOC)。
[0020]根據(jù)一個(gè)方面，傳感器裝置可以當(dāng)二次電池以其中充電電流從零增加到峰值并且然后降低為零的充電電流曲線(charging current profile)充電時(shí)在充電電流從峰值降低為零時(shí)測量該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0021]根據(jù)另一個(gè)方面，傳感器裝置可以在二次電池的放電電流逐漸地降低為零之后當(dāng)二次電池以該充電電流曲線充電時(shí)測量該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0022]根據(jù)再一個(gè)方面，傳感器裝置可以在充電電流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低之后測量該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0023]根據(jù)又一個(gè)方面，傳感器裝置可以在充電電流的幅值基于峰值降低到1/6或者更低之后測量該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0024]優(yōu)選地，傳感器裝置可以測量至少兩個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0025]根據(jù)一個(gè)方面，控制裝置可以使用定義OCV和SOC之間的關(guān)系的查找表或者查找函數(shù)估計(jì)對(duì)應(yīng)于估計(jì)OCV的SOC。
[0026]根據(jù)另一個(gè)方面，傳感器裝置可以測量二次電池的溫度并且向控制裝置提供測量溫度，并且控制裝置可以使用定義OCV和溫度和SOC之間的關(guān)系的查找表或者查找函數(shù)估計(jì)對(duì)應(yīng)于二次電池的溫度和估計(jì)OCV的SOC。
[0027]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，根據(jù)本公開的另一個(gè)方面一種用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的設(shè)備包括:傳感器裝置，其用于在二次電池以充電電流增加到峰值并且然后降低的這種模式充電時(shí)以一定時(shí)間間隔反復(fù)地測量電流-電壓數(shù)據(jù)，和控制裝置，其用于從傳感器裝置接收電流-電壓數(shù)據(jù)的輸入，識(shí)別在充電電流從峰值降低的同時(shí)測量的多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)計(jì)算表示電流和電壓之間的關(guān)系的線性近似方程，并且通過在線性近似方程的Y截距上反映通過RC電路量化的二次電池的極化電壓而估計(jì)二次電池的OCV0
[0028]優(yōu)選地，控制裝置可以進(jìn)一步根據(jù)估計(jì)的OCV估計(jì)二次電池的S0C。
[0029]根據(jù)一個(gè)方面，控制裝置可以在充電電流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低之后測量的電流-電壓數(shù)據(jù)中識(shí)別該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0030]根據(jù)另一個(gè)方面，控制裝置可以在充電電流的幅值基于峰值降低到1/6或者更低之后測量的電流-電壓數(shù)據(jù)中識(shí)別該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0031]優(yōu)選地，控制裝置可以識(shí)別至少兩個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0032]根據(jù)一個(gè)方面，控制裝置可以使用定義OCV和SOC之間的關(guān)系的查找表或者查找函數(shù)估計(jì)對(duì)應(yīng)于估計(jì)OCV的SOC。
[0033]根據(jù)另一個(gè)方面，傳感器裝置可以測量二次電池的溫度并且向控制裝置提供測量溫度，并且控制裝置可以使用定義OCV和溫度和SOC之間的關(guān)系的查找表或者查找函數(shù)估計(jì)對(duì)應(yīng)于二次電池的溫度和估計(jì)OCV的SOC。
[0034]根據(jù)一個(gè)方面，傳感器裝置可以在二次電池以充電電流從零增加到峰值并且然后降低為零的這種模式充電時(shí)以一定時(shí)間間隔反復(fù)地測量電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0035]根據(jù)另一個(gè)方面，傳感器裝置可以當(dāng)二次電池在二次電池的放電電流逐漸地降低為零之后充電時(shí)以一定時(shí)間間隔反復(fù)地測量電流-電壓數(shù)據(jù)。
[0036]用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的以上設(shè)備可以進(jìn)一步包括與控制裝置組合的顯示裝置，并且控制裝置可以通過顯示裝置作為圖形界面(字符、數(shù)字、曲線圖等)輸出二次電池的估計(jì)的OCV和/或估計(jì)的SOC。
[0037]而且，用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的以上設(shè)備可以向外部控制單元傳輸二次電池的估計(jì)的OCV和/或估計(jì)的SOC。
[0038]而且，用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的以上設(shè)備可以進(jìn)一步與控制裝置組合的存儲(chǔ)裝置，并且控制裝置可以在存儲(chǔ)裝置中記錄和/或擦除和/或更新和/或傳輸該多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)和/或線性近似方程的斜率和Y截距和/或查找表或者查找函數(shù)和/或估計(jì)的OCV和/或估計(jì)的SOC。
[0039]而且，可以在從二次電池供應(yīng)能量的各種電動(dòng)裝置中包括用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的以上設(shè)備。
[0040]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，根據(jù)本公開一個(gè)方面一種用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的方法包括當(dāng)二次電池以充電電流增加到峰值并且然后降低的這種模式充電時(shí)在充電電流降低的同時(shí)測量多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)該多個(gè)測量電流-電壓數(shù)據(jù)計(jì)算表示電流和電壓之間的關(guān)系的線性近似方程，并且通過在線性近似方程的Y截距上反映通過RC電路量化的二次電池的極化電壓而估計(jì)二次電池的OCV。
[0041]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，根據(jù)本公開的另一個(gè)方面一種用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的方法包括在二次電池以充電電流增加到峰值并且然后降低的這種模式充電時(shí)以一定時(shí)間間隔反復(fù)地測量電流-電壓數(shù)據(jù)，在測量的電流-電壓數(shù)據(jù)中識(shí)別在充電電流從峰值降低的同時(shí)測量的多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)識(shí)別的多個(gè)電流-電壓數(shù)據(jù)計(jì)算表示電流和電壓之間的關(guān)系的線性近似方程，并且通過在線性近似方程的Y截距上反映通過RC電路量化的二次電池的極化電壓而估計(jì)二次電池的OCV。
[0042]優(yōu)選地，用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的方法可以進(jìn)一步包括根據(jù)估計(jì)的OCV估計(jì)二次電池的SOC。
[0043]而且，用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的方法可以進(jìn)一步包括存儲(chǔ)和/或傳輸和/或顯示估計(jì)的OCV和/或估計(jì)的SOC。
[0044]二次電池可以進(jìn)一步包括包括工作離子的電解質(zhì)，和用于從負(fù)極電分離正極并且允許工作離子移動(dòng)的分離器。電解質(zhì)不限于特殊類型，如果它包括工作離子并且可以通過工作離子的媒介在正極和負(fù)極處引起電化學(xué)氧化或者還原反應(yīng)。
[0045]二次電池可以進(jìn)一步包括用于密封正極、負(fù)極和分離器的殼體。殼體在它的材料方面并不具有特殊的限制，如果它具有化學(xué)安全性。
[0046]二次電池的外觀是由殼體的結(jié)構(gòu)確定的。殼體的結(jié)構(gòu)可以是在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的各種結(jié)構(gòu)之一，并且典型地，可以具有柱形形狀、棱形形狀、袋形狀、硬幣形狀等。
[0047]有利的效果
[0048]根據(jù)本公開，可以在二次電池的動(dòng)態(tài)充電期間可靠地估計(jì)二次電池的開路電壓(OCV)和/或充電狀態(tài)(SOC)。特別地，對(duì)于包括示出獨(dú)特的電壓改變模式的混合正極材料的二次電池，同樣可以實(shí)現(xiàn)OCV和/或SOC的可靠的估計(jì)。而且，即便在二次電池的電極上的極化積累，仍然可以準(zhǔn)確地估計(jì)OCV和/或S0C。因?yàn)槭褂迷诙坞姵厣蠝p小的極化積累的狀態(tài)中測量的電流-電壓數(shù)據(jù)估計(jì)OCV和/或S0C，所以估計(jì)參數(shù)的可靠性可以得到改進(jìn)。
【附圖說明】
[0049]附圖示意本公開的優(yōu)選實(shí)施例并且與前面的公開一起地用于提供本公開的技術(shù)精神的進(jìn)一步的理解，并且因此，本公開不被理解為限制于附圖。
[0050]圖1是示意根據(jù)本公開示例性實(shí)施例用于估計(jì)二次電池的參數(shù)的設(shè)備的構(gòu)造的框圖。
[0051]圖2是示意用于在二次電池的電極上積累的極化電壓的等效電路模型的實(shí)施例的電