用于估计包括掺合正电极材料的二次电池的状态的设备及其方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)估计二次电池的状态的方法和设 备。
[0002] 本申请要求2013年10月14日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No. 10-2013-0122271的权益，其公开内容在此通过引用以其整体并入。另外，本申请要求2014年10月13 日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No. 10-2014-0137725的权益，其公开内容在此通 过引用以其整体并入。
【背景技术】
[0003] 在广泛的应用中使用通过电化学氧化和还原而产生电能的电池。例如，逐渐在更 多领域中使用电池，包括:带在人手周围的装置，诸如便携式电话、膝上型计算机、数码相 机、摄影机、平板电脑、电驱动工具等等；电驱动设备，诸如电动自行车、电动摩托车、电动车 辆、混合动力车辆、电动船只、电动飞机等等；用于存储由可再生能量产生的电或者发电盈 余的蓄电设备;或者用于向多种信息通信装置，包括服务器计算机、通信基站等等稳定地供 电的不间断电源。
[0004] 电池包括三个基本元件，它们是:含有在放电期间进行氧化并且释放电子的材料 的负电极;含有在放电期间进行还原并且接收电子的材料的正电极;和允许运行离子在正 电极和负电极之间迀移的电解质。
[0005] 电池能够被分为一旦放电就不可再用的一次电池，以及具有至少部分可逆的电化 学反应，因而可重复充电和放电的二次电池。
[0006] 对于二次电池，已知铅酸电池、镍镉电池、镍锌电池、镍铁电池、氧化银电池、镍金 属氢化物电池、锌-锰氧化物电池、锌溴电池、金属空气电池、锂二次电池等等。其中，锂二次 电池由于其与其它二次电池相比相对更高的能量密度、更高的电池电压和更长的储存寿命 而最受商业上的关注。
[0007] 关于锂二次电池，正电极材料和负电极材料使用的材料对二次电池的性能具有关 键性影响。因而，已经做出多种努力，以提供具有高温稳定性并且能够提供高能量容量和低 制造成本的正电极材料和负电极材料。
【发明内容】
[0008] 技术问题
[0009] 本公开被设计以解决现有技术的问题，并且因此本公开涉及通过混合两种或者更 多种正电极材料而提供掺合正电极材料，因而补偿相应正电极材料的缺点，并且提供一种 通过使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)，可靠地估计包括掺合正电极材料的二次电池的状态的 设备及方法。
[0010]技术解决方案
[0011] 在本公开的一方面，提供一种通过使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)，估计包括具有掺 合正电极材料的正电极、具有负电极材料的负电极以及介于正电极和负电极之间的分隔物 的二次电池的状态的设备。
[0012] 根据一些实施例，二次电池的状态可以指的是二次电池或者二次电池中所含的电 极材料的电化学性能中，在二次电池充电和放电期间循环地变化的参数。
[0013] 根据一方面，二次电池的电压或者荷电状态根据充电和放电在预定范围内增大并 且然后降低。因而，作为指示二次电池的状态的状态参数而包括电压和荷电状态。
[0014] 根据另一方面，也作为指示二次电池的状态的状态参数而包括二次电池中所包括 的每种电极材料的荷电状态。
[0015] 例如，随着对二次电池充电或者放电，正电极材料和负电极材料的容量循环地变 化。因而，通过定义负电极材料和正电极材料的当前容量与负电极材料和正电极材料的总 容量的相对比率，也作为指示二次电池的状态的参数而包括负电极材料的荷电状态与正电 极材料的荷电状态。
[0016] 在现有技术中，荷电状态被称为荷电状态(SOC)参数。荷电状态能够被表达为具有 参数SOC和z的定量值，其中荷电状态被表达为具有参数SOC的百分比（0-100%)，并且荷电 状态被变大为具有参数z的数(0-1)。可以通过，但是不限于安培计数法测量荷电状态。
[0017] 根据一方面，掺合正电极材料至少包括具有彼此不同的运行电压范围的第一正电 极材料和第二正电极材料。在一个示例中，当二次电池处于放电模式时，以比第二正电极材 料相对更高的电压范围激活第一正电极材料。当二次电池处于充电模式时，以比第一正电 极材料相对更低的电压范围激活第二正电极材料。这里使用的"激活"第一正电极材料或者 第二正电极材料指的是第一正电极材料或者第二正电极材料与运行离子反应。因而，与第 一正电极材料反应的运行离子的浓度以及与第二正电极材料反应的运行离子的浓度取决 于二次电池的电压而显示出差异。
[0018] 这里使用的"运行离子"指的是运行期间，即对包括掺合正电极材料的二次电池充 电或者放电期间与第一和第二正电极材料的电化学反应中所涉及的离子。运行离子可以取 决于二次电池的类型而变化。在一个示例中，对于锂二次电池，锂离子可以是运行离子。下 面，除非另外指出，否则二次电池的运行都被定义为指的是二次电池的充电或者放电。
[0019] "起反应(反应)"指的是伴随二次电池的运行过程的电化学反应，包括第一和第二 正电极材料的氧化和还原，并且可以取决于二次电池的运行机制而变化。
[0020] 在一个示例中，电化学反应可以涉及运行离子嵌入第一正电极材料和/或第二正 电极材料中，或者相反地，与其分离。在这些示例中，嵌入第一和第二正电极材料的运行离 子的浓度，或者与第一和第二正电极材料分离的运行离子的浓度可以随着二次电池的电压 而变化。在一个示例中，在对二次电池放电的条件下，在某一电压范围内，可以优选地使运 行尚子嵌入第一正电极材料而非第二正电极材料内，并且在其它电压范围内相反。在另一 示例中，在对二次电池充电的条件下，在某一电压范围内，可以优选地使运行离子与第二正 电极材料而非第一正电极材料分尚，并且在其它电压范围内相反。
[0021] 根据一方面，为了满足与第一和第二正电极材料反应的运行离子的浓度根据电压 的变化而不同的条件，则第一和第二正电极材料可以满足下列至少一个条件。
[0022] 在一个示例中，当对dQ/dV分布测量第一和第二正电极材料时，可能在出现在每种 正电极材料的dQ/dV分布中的主峰值的位置和/或主峰值的强度中存在差异。
[0023]本文使用的"dQ/dV分布"指的是正电极材料关于运行离子的每一电压的容量特 性。主峰值的位置差异可能取决于第一和第二正电极材料的类型而变化。
[0024]在另一示例中，作为对包括第一和第二正电极材料的二次电池的每一荷电状态都 测量放电电阻的结果，放电电阻曲线可以具有凸形图案。
[0025]在又另一示例中，作为对包括第一和第二正电极材料的二次电池的每一荷电状态 都测量放电电阻的结果，放电电阻曲线可以在凸形图案的顶点之前和之后具有至少两个拐 点。
[0026]在又另一示例中，当对包括第一和第二正电极材料的二次电池充电或者放电时， 可以在充电或者放电曲线中出现至少一个电压平台。本文使用的"电压平台"指的是其中存 在拐点，并且在拐点之前和之后存在小电压变化的区域。
[0027]在又另一示例中，第一和第二正电极材料中的至少一个可以具有包括电压平台的 电压曲线。
[0028] 根据一方面，第一正电极材料可以是由化学通式A[AxMy]〇2+z(其中，A包括Li、Na或 者K 中的至少一种元素 ;M 包括从 Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Ti、Si、Fe、Mo、V、Zr、Zn、Cu、Al、Mo、Sc、Zr、 Ru和Cr中选择的至少一种元素 ;X 2 0,1 < x+y < 2,-0.1 < z < 2;并且X、y、z和M中所含的组分 的化学计量系数被选择为该化合物维持电中性)表达的碱金属化合物。
[0029] 可选地，如1^6,677,082、1^6,680，143等等中所公开的，第一正电极材料可以是碱 金属化合物xLiM^-a-xAiWoX其中，M1包括具有平均氧化态为3的至少一种元素;M2包 括具有平均氧化态为4的至少一种元素;并且OS X < 1)。
[0030] 根据另一方面，第二正电极材料可以是由化学通式LiaM1xFe 1-XM2yP1IM3zO4-Z表达的 锂金属磷酸盐（其中，M1包括从11、3丨、]?11、(：〇、？6、￥、0、]\1〇、附、制、]\%和41中选择的至少一种 元素;M2包括从1^、51、]?11、(：〇、？6、￥、0、]\1〇、附、制、]\%^1^8、313、31、66、￥和3中选择的至少 一种元素;M 3包括从可选地含F的卤族中选择的一种元素;0〈a <2,0<x<l，0< y〈l，0仝z〈 1;并且a、x、y、z和M\M2与M3中所含的组分的化学计量系数被选择成使得该化合物维持电中 性），或者Li 3M2(PO4)3[其中，M包括从11、3丨、]?11小6、(：〇、￥、0、]\1〇、附、]\%和六1中选择的至少一 种元素]。
[0031 ] 根据又另一方面，第一正电极材料可以是Li [LiaNibCocMnd02+z] (a 2 0 ;a+b+c+d = 1;13、(：和(1中的至少一个不为0;-〇.1<2<2)。此外，第二正电极材料可以是从由1^?6?〇4、 LiMnxFeyP〇4(0〈x+y < 1)和Li3Fe2(PO4)3组成的组中选择的一种或者更多种材料。
[0032]根据又另一方面，第一正电极材料和/或第二正电极材料可以包括涂层。涂层可以 包括碳层，或者可以包括具有从打、3丨、]?11、(：〇、？6、￥、0、]\1〇、附、恥、]\%^1^8、313、3丨、66、￥和 S组成的组选择的至少一种元素的氧化物层或者氟化物层。
[0033]根据本公开，可以考虑电化学设计条件，通过考虑有意制作的二次电池的使用目 的而适当地调节第一和第二正电极材料的混合比例。
[0034]此外，掺合正电极材料中可以包括的正电极材料的数目不限于2。根据一个实施 例，掺合正电极材料可以包括三种不同的正电极材料，并且示例可以包括具有LiMn2〇4、Li [LiaNixCoyMnz]〇2[a 2 0;a+x+y+z = I ;x、y和z中的至少一个不为0]和LiFePCk的掺合正电极 材料。根据又另一实施例，掺合正电极材料可以包括四种不同的正电极材料，并且示例可以 包括具有LiNi〇2、LiMn2〇4、Li[LiaNixCoyMnz]〇2[a 2 O ;a+x+y+z = I ;x、y和z中的至少一个不为 O ]和LiFePCk的掺合正电极材料。此外，为了提高掺合正电极材料掺合物的特性，可以向掺 合正电极材料添加其它添加剂，诸如导电剂、粘合剂等等，但不限于此。
[0035] 根据本公开，掺合正电极材料可以被用作安装至可通过电能运行的各种类型的电 驱动设备的二次电池的正电极材料，并且电驱动设备不限于任何特定类型。
[0036] 根据一方面，电驱动设备可以是移动计算机设备，诸如移动电话、膝上型计算机、 平板电脑等等，或者手持多介质设备，包括数码相机、摄影机、音频/视频回放装置等等。
[0037] 根据另一方面，电驱动设备可以是可通过电移动的电功率设备，诸如电动车辆、混 合动力车辆、电动自行车、电动摩托车、电动火车、电动船只、电动飞机等等，或者包括马达 的电动工具，诸如电钻、电磨等等。
[0038]根据又另一方面，电驱动设备可以是安装在电网中的大容量蓄电设备，以储存可 再生能量或者发电盈余，或者是在紧急情况下，诸如断电时向多种信息通信设备，包括服务 器计算机或者移动通信设备供电的不间断电源，等等。
[0039]根据本发明，用于估计包括掺合正电极材料的二次电池的状态的设备可以包括： (i)以一定时间间隔测量二次电池的电压和电流的传感器单元；（i i)和与传感器单元电连 接并且通过以状态方程和输出方程实施扩展卡尔曼算法而估计二次电池的状态的控制单 元，其中状态包括第一正电极材料或者第二正电极材料中的至少一个的荷电状态，并且可 选地包括负电极材料的荷电状态，状态方程包括作为状态参数的第一正电极材料或者第二 正电极材料中的至少一个的荷电状态，并且可选地包括负电极材料的荷电状态，并且输出 方程包括作为输出参数的二次电池的电压。
[0040]优选地，可以从电路模型导出状态方程和输出方程，其中电路模型可以包括：（i) 分别对应于第一和第二正电极材料并且彼此并联连接的第一和第二正电极材料电路单元， 和可选地(ii)与负电极材料对应并且与第一和第二正电极材料电路单元串联连接的负电 极材料电路单元。
[0041 ]根据一方面，第一正电极材料电路单元、第二正电极材料电路单元和负电极材料 电路单元每个都可以包括根据相应的电极材料的荷电状态而改变电压的开路电压元件，以 及作为可选元件的通过电流改变电压的阻抗元件。
[0042] 根据本公开，状态参数可以包括从由下列电压组成的组选择的至少一个电压：由 第一正电极材料电路单元的阻抗元件形成的电压；由第二正电极材料电路单元的阻抗元件 形成的电压;和由负电极材料电路单元的中所包括的阻抗元件形成的电压。
[0043]根据一方面，状态方程可以包括作为输入参数的流经第一正电极材料电路单元的 第一电流，以及流经第二正电极材料电路单元的第二电流。
[0044] 控制单元可以通过使用从电路模型导出的电流分布方程以及由传感器单元测量 的电流而确定第一电流和第二电流。
[0045] 根据另一方面，输出方程从电路模型的电压分析导出，并且可以包括多个输入参 数。
[0046] 优选地，多个输入参数可以包括：（i )传感器单元测量的电流；（i i )第一正电极材 料电路单元的开路电压分量；（iii)第二正电极材料电路单元的开路电压分量；（iv)可选 地，负电极材料的开路电压分量；（V)可选地，第一正电极材料电路单兀的阻抗电压分量； (Vi);可选地，第二正电极材料电路单元的阻抗电压分量;和(Vii)可选地，负电极材料电路 单元的阻抗电压分量。
[0047] 根据一方面，状态方程可以被定义为，使得根据时间分别加和流经第一正电极材 料电路单元的第一电流、流经第二正电极材料电路单元的第二电流，以及可选地流经负电 极材料电路单元的二次电池的电流，由此确定第一正电极材料、第二正电极材料，以及可选 地负电极材料的荷电状态。在上述示例中，控制单元可以通过使用状态方程实施扩展卡尔 曼滤波器(EKF)算法的[状态估计时间更新]而时间更新第一正电极材料、第二正电极材料， 以及可选地负电极材料的荷电状态。
[0048] 根据另一方面，状态方程可以被定义为，使得相应阻抗元件形成的每个电压都根 据时间，通过从第一正电极材料电路单元、第二正电极材料电路单元，以及可选地负电极材 料电路单元中包括的阻抗元件的电路分析导出的阻抗电压公式而变化。在上述示例中，控 制单元可以通过使用状态方程实施扩展卡尔曼滤波器算法的[状态估计时间更新]而时间 更新相应的阻抗元件形成的每个电压。
[0049] 优选地，控制单元可以通过使用从状态方程导出的雅可比矩阵而实施扩展卡尔曼 滤波器算法的[误差协方差时间更新]。
[0050] 此外，控制单元可以通过使用输出方程实施扩展卡尔曼滤波器算法的[输出值估 计]而估计作为输出参数的二次电池的电压。
[0051] 此外，控制单元可以通过使用从输出方程和时间更新误差协方差导出的雅可比矩 阵而实施扩展卡尔曼滤波器算法的[卡尔曼增益确定]。
[0052]此外，控制单元可以通过将所确定的卡尔曼增益反映至所测量的二次电池电压和 所估计的二次电池电压之间的差异而实施扩展卡尔曼滤波器算法的[状态估计测量值更 新]。
[0053]此外，控制单元可以通过使用经时间更新的误差协方差和所确定的卡尔曼增益而 实施扩展卡尔曼滤波器算法的[误差协方差测量值更新]。
[0054] 优选地，估计方程和输出方程每个都可以包括过程噪声和传感器噪声。
[0055]根据本公开，控制单元可以通过使用第一正电极材料的荷电状态与第二正电极材 料的荷电状态以及第一正电极材料的容量与第二正电极材料的容量来估计二次电池的荷 电状态。
[0056]根据一方面，被可选地包括在第一正电极材料电路单元、第二正电极材料电路单 元和负电极材料电路单元中的阻抗元件可以包括至少一个电阻器、至少一个电容器、至少 一个电感器或者其组合。
[0057] 优选地，该被可选地包括的阻抗元件可以包括RC电路，在RC电路中电阻器和电容 器并联连接，并且可选地，可以包括与并联连接的电阻器和电容器串联连接的电阻器。 [0058]优选地，被包括在第一正电极材料电路单元、第二正电极材料电路单元和负电极 材料电路单元中的开路电压元件和阻抗元件可以串联连接。
[0059]控制单元可以是与二次电池电联接的电池管理系统(BMS)，或者BMS中所包括的控 制元件。
[0060]上述电池管理系统可以指的是在本公开所属的技术领域中被称为BMS的系统，但 是从功能观点看，电池管理系统可以在其范围内包括任何系统，只要该系统执行本文所述 的至少一种功能。
[0061 ]电池管理系统可以包括作为可由处理器实施的软件算法的电路模块。在一个示例 中，电路模块可以被写成程序代码，并且存储在存储器装置中，并且由处理器实施。
[0062] 为了实现上述技术目标，本公开提供一种用于估计包括掺合正电极材料的二次电 池的状态的方法。
[0063] 首先，执行以一定时间间隔测量二次电池的电压和电流的步骤。
[0064] 然后，通过使用状态方程和输出方程实施扩展卡尔曼滤波器算法而估计第一正电 极材料或者第二正电极材料中的至少一个的荷电状态，以及可选地负电极材料的荷电状 态，其中状态方程包括作为状态参数的第一正电极材料或者第二正电极材料中的至少一个 的荷电状态，以及可选地负电极材料的荷电状态，并且输出方程包括作为输出参数的二次 电池的电压。
[0065] 由电路模型导出状态方程和输出方程，其中电路模型：（i)可以包括第一正电极材 料电路单元，第一正电极材料电路单元包括与第一正电极材料对应的开路电压元件以及可 选地阻抗元件；（ii)可以另外包括第二正电极材料电路单元，第二正电极材料电路单元包 括与第二正电极材料对应的开路电压元件以及可选地阻抗元件，并且与第一正电极材料电 路单元并联连接;和（iii)可以可选地包括负电极材料电路单元，负电极材料电路单元包括 与负电极材料对应的开路电压元件以及可选地阻抗元件，并且与第一和第二正电极材料电 路单元串联连接。
[0066] 也可以通过一种计算机可读记录介质实现本公开的技术目标，该计算机可读记录 介质在其中记录根据本公开的用于估计包括掺合正电极材料的二次电池的状态的方法的 程序代码。
[0067]有利效果
[0068] 本公开给