用于估計包含混合正極材料的二次電池的功率的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開設(shè)及估計包含混合正極材料的二次電池的功率的設(shè)備和方法。
[0002] 本申請要求于2013年3月4在韓國日提交的韓國專利申請No. 10-2013-0022963 和2014年2月月17日在韓國提交的韓國專利申請No. 10-2014-0017727的優(yōu)先權(quán)，其的公 開內(nèi)容通過引用被包含在此。
【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，并具有范圍廣泛的各種應(yīng) 用。例如，電池的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴展到下列裝置的動力源：手持便攜式裝置，例如移動電話、 膝上電腦、數(shù)字照相機、攝影機、平板電腦和電動工具；各種類型的電驅(qū)動裝置，例如電動自 行車、電動摩托車、電動汽車、混合動力汽車、電動船和電動飛行器；用于儲存通過發(fā)電廠的 新再生能源或過剩電力產(chǎn)生的電力的儲能系統(tǒng)；和用于各種類型的信息和通信裝置包括伺 服計算機和通訊基站的穩(wěn)定動力供應(yīng)的不間斷電源。
[0004] 電池包括S個基本要素；一個是包含放電期間在氧化的同時發(fā)射電子的材料的負(fù) 極，另一個是包含放電期間在還原的同時接受電子的材料的正極，剩下的一個是允許離子 在所述負(fù)極和正極之間傳送的電解液。
[0005] 電池可W分類為在放電之后不能再利用的一次電池，和由于至少部分可逆的電化 學(xué)反應(yīng)可反復(fù)充電和放電的二次電池。
[0006] 作為二次電池，鉛-酸電池、鑲-簡電池、鑲-鋒電池、鑲-鐵電池、銀-氧化物電 池、鑲金屬氨化物電池鋒-二氧化鋪電池、鋒-漠電池、金屬-空氣電池、和裡二次電池是已 知的。在它們之中，裡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，并且因為該些原因，在商業(yè)方面吸引了最大的關(guān)注。
[0007] 裡二次電池特征在于在正極和負(fù)極處發(fā)生裡離子的嵌入和脫嵌反應(yīng)。也就是說， 在放電期間，從負(fù)極包含的負(fù)極材料脫嵌的裡離子通過電解液移動到正極并嵌入正極材料 中，并且當(dāng)充電時反之。
[0008] 在裡二次電池中，因為用作正極材料的材料明顯影響所述二次電池的性能，已經(jīng) 進(jìn)行了各種嘗試W提供具有能量容量同時在高溫下保持穩(wěn)定性W及具有低制造成本的正 極材料。然而，在只用一種正極材料滿足全部所述工業(yè)性能標(biāo)準(zhǔn)上仍然有局限性。
[0009] 最近，隨著對化石燃料的耗盡W及空氣污染的顧慮的增長，對生態(tài)友好型能量的 需求有強烈的增加。在該種背景下，發(fā)達(dá)國家正在促進(jìn)W二次電池供應(yīng)的電能為動力和運 行的電驅(qū)動汽車?yán)珉妱悠嚮蚧旌蟿恿ζ嚨纳虡I(yè)化。
[0010] 電驅(qū)動汽車的速度與二次電池的功率成正比。因此，電驅(qū)動汽車的控制單元具有 監(jiān)測二次電池可提供多少功率的功能。還有，所述控制單元控制各種類型的驅(qū)動裝置包括 電動機，W在所述二次電池可提供的功率范圍內(nèi)安全驅(qū)動所述電驅(qū)動汽車。因此，為了優(yōu)化 電驅(qū)動汽車的行進(jìn)性能，需要準(zhǔn)確計算二次電池的功率的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 巧術(shù)間願
[0012] 二次電池的功率受正極材料的電化學(xué)性質(zhì)的影響。因此，所述二次電池可W基于 二次電池中包含的正極材料類型，表現(xiàn)出獨特的電化學(xué)行為。在該種情況下，準(zhǔn)確估計所述 二次電池的功率是困難的。
[0013] 本公開設(shè)及提供用于準(zhǔn)確估計包含混合正極材料并由于所述混合正極材料表現(xiàn) 出獨特電化學(xué)行為的二次電池的功率的設(shè)備和方法，所述混合正極材料考慮到所述二次電 池在市場上需要的性能，包含至少兩種正極材料。
[0014] 巧術(shù)方秦
[0015] 為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本公開的用于估計二次電池功率的設(shè)備包括：傳感器， 被配置成測量二次電池的放電電流，所述二次電池包括包含混合正極材料的正極、負(fù)極和 隔膜，所述混合正極材料包括至少第一正極材料和第二正極材料，所述第一正極材料的工 作電壓范圍高于所述第二正極材料的工作電壓范圍；和控制單元，被配置成估計所述二次 電池的充電狀態(tài)，利用在第一條件下對應(yīng)于所述充電狀態(tài)的預(yù)定義的第一電阻和在第二條 件下對應(yīng)于所述充電狀態(tài)的預(yù)定義的第二電阻來確定所述二次電池的放電電壓，其中在所 述第一條件下放電電流的量值小于臨界電流量值，在所述第二條件下放電電流的量值大于 所述臨界電流量值，W及根據(jù)估計的放電電壓和測量的放電電流來估計所述二次電池的功 率。
[0016] 在此，工作電壓范圍代表在所述二次電池放電期間在其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電壓 范圍。例如，在裡二次電池的情況下，因為在放電期間發(fā)生裡離子嵌入正極材料中的電化學(xué) 反應(yīng)，所述工作電壓范圍代表其中裡離子嵌入正極材料中的電壓范圍。
[0017] 因為所述第一正極材料的工作電壓范圍相對高于所述第二正極材料的工作電壓 范圍，當(dāng)所述二次電池連續(xù)放電時，所述第一正極材料較早參與電化學(xué)反應(yīng)。此外，當(dāng)所述 第一正極材料的電化學(xué)反應(yīng)接近完成時，所述第二正極材料參與所述電化學(xué)反應(yīng)。所述第 二正極材料開始參與電化學(xué)反應(yīng)處的電壓可W只基于所述第一正極材料和所述第二正極 材料的類型和混合比確定。在本公開中，所述第二正極材料開始參與電化學(xué)反應(yīng)時的電壓 被定義為過渡電壓。
[0018] 所述充電狀態(tài)是指示所述二次電池中剩余的余量充電量的參數(shù)，并且在本公開所 屬領(lǐng)域中，它由參數(shù)S0C或Z表示。參數(shù)S0C用于W%的尺度指示充電狀態(tài)，而參數(shù)Z用于 W0-1的歸一化范圍表不充電狀態(tài)。
[0019] 當(dāng)從所述二次電池具有的工作電壓范圍的上限放電到下限時，所述充電狀態(tài)可W 作為當(dāng)前剩余的可放電容量與所述二次電池的總放電容量的相對比率確定。
[0020] 所述充電狀態(tài)可W通過本領(lǐng)域已知的方法估計，例如，利用所述二次電池的充電 電流和放電電流的積分的計算方法，根據(jù)所述二次電池的開路電壓的估計方法，利用卡爾 曼濾波化almanfilter)或擴展卡爾曼濾波的估計方法，等等。
[0021] 因此，所述充電狀態(tài)可W容易地通過選擇性應(yīng)用本公開所屬領(lǐng)域中已知的的許多 方法來估計。
[0022] 當(dāng)放電電流流出所述二次電池預(yù)定時間段時，所述二次電池的放電電壓相當(dāng)于所 述二次電池的電壓。所述二次電池的放電電壓隨著放電電流量值增加而降低。
[0023] 在所述二次電池包含一種正極材料的情況下，所述二次電池的放電電壓隨著所述 二次電池的放電電流量值增加而線性降低。此外，所述放電電壓的下降斜率與所述二次電 池的電阻對應(yīng)，并且不考慮放電電流的量值，所述下降斜率傾向于具有固定值。
[0024] 在包含具有不同工作電壓范圍的所述第一正極材料和第二正極材料的二次電池 中，參與所述電化學(xué)反應(yīng)的正極材料種類基于所述電壓范圍而改變，并且當(dāng)所述正極材料 發(fā)生改變時，所述二次電池的電阻相應(yīng)地改變。
[0025] 因而，當(dāng)在所述二次電池放電期間所述第二正極材料開始參與電化學(xué)反應(yīng)時，所 述放電電壓的下降斜率，亦即，所述二次電池的電阻改變。
[0026] 當(dāng)所述二次電池的充電狀態(tài)屬于適當(dāng)?shù)姆秶⑶曳烹婋娏髁恐翟黾訒r，發(fā)生所述 電阻改變現(xiàn)象，從而在所述第二正極材料開始參與電化學(xué)反應(yīng)處電壓下降到所述過渡電 壓。
[0027] 換句話說，當(dāng)所述二次電池的充電狀態(tài)過高時，即使放電電流量值增加，所述二次 電池的電壓也不降到所述過渡電壓。此外，當(dāng)所述二次電池的充電狀態(tài)過低時，因為所述第 一正極材料的電化學(xué)反應(yīng)實際完成并且只有所述第二正極材料開始參與所述電化學(xué)反應(yīng)， 所W不發(fā)生由于正極材料的改變引起的電阻改變。
[0028] 在本公開中，其中在所述二次電池放電期間可觀察到所述二次電池電阻改變的預(yù) 定充電狀態(tài)范圍定義為電阻改變范圍。
[0029] 此外，在本公開中，開始顯著觀察到所述二次電池的電阻改變時的放電電流定義 為臨界電流。
[0030] 此外，在本公開中，電阻改變之前所述二次電池的電阻定義為第一電阻，和電阻改 變之后所述二次電池的電阻定義為第二電阻。
[0031] 隨著在所述電阻改變范圍內(nèi)所述二次電池的充電狀態(tài)增加，臨界電流的量值變得 更大。原因在于如果在所述電阻改變范圍內(nèi)所述充電狀態(tài)增加，則當(dāng)放電電流量值充分增 加時所述二次電池的電壓下降到過渡電壓。
[0032] 所述第一電阻和第二電阻可W通過試驗針對所述二次電池的每種充電狀態(tài)預(yù)定 義。隨著所述二次電池的充電狀態(tài)在所述電阻改變范圍內(nèi)變低，所述第一電阻增加。此外， 即使所述二次電池的充電狀態(tài)在所述電阻改變范圍內(nèi)改變，所述第二電阻也不顯示顯著的 變化。
[0033] 優(yōu)選地，為了得到所述第一電阻和/或第二電阻，所述控制單元可W參考對于每 種充電狀態(tài)預(yù)定義的第一電阻和/或第二電阻有關(guān)的數(shù)據(jù)。
[0034] 優(yōu)選地，所述控制單元可W通過參考對每種充電狀態(tài)預(yù)定義的臨界電流量值有關(guān) 的數(shù)據(jù)而得到與所述估計充電狀態(tài)對應(yīng)的臨界電流量值，并且可W確定所述第一條件和第 二條件。
[00巧]根據(jù)一個方面，所述控制單元可W在所述第一條件下利用根據(jù)所述第一電阻和所 述測量放電電流計算的第一電壓變化量，估計所述二次電池的放電電壓。在此，所述第一電 壓變化量可W通過歐姆定律計算。
[0036] 優(yōu)選地，所述控制單元可W通過從對應(yīng)于所述估計充電狀態(tài)預(yù)定義的所述二次電 池的第一電壓降低所述第一電壓變化量，來估計所述二次電池的放電電壓。
[0037] 在此，所述第一電壓是所述二次電池對應(yīng)于所述估計充電狀態(tài)的開路電壓。為了 得到所述第一電壓，所述控制單元可W參考針對所述二次電池的每種充電狀態(tài)預(yù)定義的開 路電壓有關(guān)的數(shù)據(jù)。
[0038] 與所述開路電壓有關(guān)的數(shù)據(jù)可W通過在基于所述充電狀態(tài)可W準(zhǔn)確測量所述二 次電池的開路電壓的條件下進(jìn)行所述二次電池的放電試驗而得到。
[0039] 根據(jù)另一個方面，所述控制單元可W在所述第一條件下利用根據(jù)所述第二電阻和 測量的放電電流計算的第二電壓變化量，估計所述二次電池的放電電壓。在此，所述第二電 壓變化量可W通過歐姆定律計算。
[0040] 優(yōu)選地，所述控制單元可W通過從對應(yīng)于所述估計充電狀態(tài)而預(yù)定義的所述二次 電池的第二電壓降低所述第二電壓變化量，來估計所述二次電池的放電電壓。
[0041] 所述第二電壓可W只基于所述第一正極材料和所述第二正極材料的類型和混合 比率確定。所述第二電壓可W通過基于當(dāng)處于任何充電狀態(tài)的二次電池放電時放電電流的 量值，試驗性觀察所述二次電池的放電電壓如何改變而得到。對于所述二次電池的每種充 電狀態(tài)，所述第二電壓可W預(yù)定義為固定值或可變值（例如，過渡電壓）。此外，隨著所述二 次電池降級，所述第二正極材料在低壓范圍中運行。因此，所述第二電壓可W預(yù)定義為根據(jù) 所述二次電池降級的程度來降低它的值。
[0042] 根據(jù)又一個方面，根據(jù)本公開用于估計二次電池的功率的設(shè)備還可W包括與所述 控制單元連接的存儲單元，并且所述控制單元可W將所述二次電池的估計功率儲存在所述 存儲單元中。
[0043] 根據(jù)再一個方面，根據(jù)本公開用于估計二次電池的功率的設(shè)備還可W包括與所述 控制單元連接的通信接口，并且所述控制單元可W將所述二次電池的估計功率通過所述通 信接口輸出到外部裝置。
[0044] 根據(jù)再一個方面，根據(jù)本公開用于估計二次電池的功率的設(shè)備還可W包括與所述 控制單元連接的顯示單元，并且所述控制單元可W通過所述顯示單元將所述二次電池的估 計功率作為圖形界面顯不。