用于估计包含混合正极材料的二次电池的功率的设备和方法
【技术领域】
[0001] 本公开设及估计包含混合正极材料的二次电池的功率的设备和方法。
[0002] 本申请要求于2013年3月4在韩国日提交的韩国专利申请No. 10-2013-0022963 和2014年2月月17日在韩国提交的韩国专利申请No. 10-2014-0017727的优先权，其的公 开内容通过引用被包含在此。
【背景技术】
[0003] 电池是通过电化学氧化和还原反应产生电能的装置，并具有范围广泛的各种应 用。例如，电池的应用领域逐渐扩展到下列装置的动力源：手持便携式装置，例如移动电话、 膝上电脑、数字照相机、摄影机、平板电脑和电动工具；各种类型的电驱动装置，例如电动自 行车、电动摩托车、电动汽车、混合动力汽车、电动船和电动飞行器；用于储存通过发电厂的 新再生能源或过剩电力产生的电力的储能系统；和用于各种类型的信息和通信装置包括伺 服计算机和通讯基站的稳定动力供应的不间断电源。
[0004] 电池包括S个基本要素；一个是包含放电期间在氧化的同时发射电子的材料的负 极，另一个是包含放电期间在还原的同时接受电子的材料的正极，剩下的一个是允许离子 在所述负极和正极之间传送的电解液。
[0005] 电池可W分类为在放电之后不能再利用的一次电池，和由于至少部分可逆的电化 学反应可反复充电和放电的二次电池。
[0006] 作为二次电池，铅-酸电池、镶-簡电池、镶-锋电池、镶-铁电池、银-氧化物电 池、镶金属氨化物电池锋-二氧化铺电池、锋-漠电池、金属-空气电池、和裡二次电池是已 知的。在它们之中，裡二次电池具有比其它二次电池更高的能量密度、更高的电池电压和更 长的寿命，并且因为该些原因，在商业方面吸引了最大的关注。
[0007] 裡二次电池特征在于在正极和负极处发生裡离子的嵌入和脱嵌反应。也就是说， 在放电期间，从负极包含的负极材料脱嵌的裡离子通过电解液移动到正极并嵌入正极材料 中，并且当充电时反之。
[0008] 在裡二次电池中，因为用作正极材料的材料明显影响所述二次电池的性能，已经 进行了各种尝试W提供具有能量容量同时在高温下保持稳定性W及具有低制造成本的正 极材料。然而，在只用一种正极材料满足全部所述工业性能标准上仍然有局限性。
[0009] 最近，随着对化石燃料的耗尽W及空气污染的顾虑的增长，对生态友好型能量的 需求有强烈的增加。在该种背景下，发达国家正在促进W二次电池供应的电能为动力和运 行的电驱动汽车例如电动汽车或混合动力汽车的商业化。
[0010] 电驱动汽车的速度与二次电池的功率成正比。因此，电驱动汽车的控制单元具有 监测二次电池可提供多少功率的功能。还有，所述控制单元控制各种类型的驱动装置包括 电动机，W在所述二次电池可提供的功率范围内安全驱动所述电驱动汽车。因此，为了优化 电驱动汽车的行进性能，需要准确计算二次电池的功率的方法。
【发明内容】
[0011] 巧术间願
[0012] 二次电池的功率受正极材料的电化学性质的影响。因此，所述二次电池可W基于 二次电池中包含的正极材料类型，表现出独特的电化学行为。在该种情况下，准确估计所述 二次电池的功率是困难的。
[0013] 本公开设及提供用于准确估计包含混合正极材料并由于所述混合正极材料表现 出独特电化学行为的二次电池的功率的设备和方法，所述混合正极材料考虑到所述二次电 池在市场上需要的性能，包含至少两种正极材料。
[0014] 巧术方秦
[0015] 为了达到上述目的，根据本公开的用于估计二次电池功率的设备包括：传感器， 被配置成测量二次电池的放电电流，所述二次电池包括包含混合正极材料的正极、负极和 隔膜，所述混合正极材料包括至少第一正极材料和第二正极材料，所述第一正极材料的工 作电压范围高于所述第二正极材料的工作电压范围；和控制单元，被配置成估计所述二次 电池的充电状态，利用在第一条件下对应于所述充电状态的预定义的第一电阻和在第二条 件下对应于所述充电状态的预定义的第二电阻来确定所述二次电池的放电电压，其中在所 述第一条件下放电电流的量值小于临界电流量值，在所述第二条件下放电电流的量值大于 所述临界电流量值，W及根据估计的放电电压和测量的放电电流来估计所述二次电池的功 率。
[0016] 在此，工作电压范围代表在所述二次电池放电期间在其中发生电化学反应的电压 范围。例如，在裡二次电池的情况下，因为在放电期间发生裡离子嵌入正极材料中的电化学 反应，所述工作电压范围代表其中裡离子嵌入正极材料中的电压范围。
[0017] 因为所述第一正极材料的工作电压范围相对高于所述第二正极材料的工作电压 范围，当所述二次电池连续放电时，所述第一正极材料较早参与电化学反应。此外，当所述 第一正极材料的电化学反应接近完成时，所述第二正极材料参与所述电化学反应。所述第 二正极材料开始参与电化学反应处的电压可W只基于所述第一正极材料和所述第二正极 材料的类型和混合比确定。在本公开中，所述第二正极材料开始参与电化学反应时的电压 被定义为过渡电压。
[0018] 所述充电状态是指示所述二次电池中剩余的余量充电量的参数，并且在本公开所 属领域中，它由参数S0C或Z表示。参数S0C用于W%的尺度指示充电状态，而参数Z用于 W0-1的归一化范围表不充电状态。
[0019] 当从所述二次电池具有的工作电压范围的上限放电到下限时，所述充电状态可W 作为当前剩余的可放电容量与所述二次电池的总放电容量的相对比率确定。
[0020] 所述充电状态可W通过本领域已知的方法估计，例如，利用所述二次电池的充电 电流和放电电流的积分的计算方法，根据所述二次电池的开路电压的估计方法，利用卡尔 曼滤波化almanfilter)或扩展卡尔曼滤波的估计方法，等等。
[0021] 因此，所述充电状态可W容易地通过选择性应用本公开所属领域中已知的的许多 方法来估计。
[0022] 当放电电流流出所述二次电池预定时间段时，所述二次电池的放电电压相当于所 述二次电池的电压。所述二次电池的放电电压随着放电电流量值增加而降低。
[0023] 在所述二次电池包含一种正极材料的情况下，所述二次电池的放电电压随着所述 二次电池的放电电流量值增加而线性降低。此外，所述放电电压的下降斜率与所述二次电 池的电阻对应，并且不考虑放电电流的量值，所述下降斜率倾向于具有固定值。
[0024] 在包含具有不同工作电压范围的所述第一正极材料和第二正极材料的二次电池 中，参与所述电化学反应的正极材料种类基于所述电压范围而改变，并且当所述正极材料 发生改变时，所述二次电池的电阻相应地改变。
[0025] 因而，当在所述二次电池放电期间所述第二正极材料开始参与电化学反应时，所 述放电电压的下降斜率，亦即，所述二次电池的电阻改变。
[0026] 当所述二次电池的充电状态属于适当的范围并且放电电流量值增加时，发生所述 电阻改变现象，从而在所述第二正极材料开始参与电化学反应处电压下降到所述过渡电 压。
[0027] 换句话说，当所述二次电池的充电状态过高时，即使放电电流量值增加，所述二次 电池的电压也不降到所述过渡电压。此外，当所述二次电池的充电状态过低时，因为所述第 一正极材料的电化学反应实际完成并且只有所述第二正极材料开始参与所述电化学反应， 所W不发生由于正极材料的改变引起的电阻改变。
[0028] 在本公开中，其中在所述二次电池放电期间可观察到所述二次电池电阻改变的预 定充电状态范围定义为电阻改变范围。
[0029] 此外，在本公开中，开始显著观察到所述二次电池的电阻改变时的放电电流定义 为临界电流。
[0030] 此外，在本公开中，电阻改变之前所述二次电池的电阻定义为第一电阻，和电阻改 变之后所述二次电池的电阻定义为第二电阻。
[0031] 随着在所述电阻改变范围内所述二次电池的充电状态增加，临界电流的量值变得 更大。原因在于如果在所述电阻改变范围内所述充电状态增加，则当放电电流量值充分增 加时所述二次电池的电压下降到过渡电压。
[0032] 所述第一电阻和第二电阻可W通过试验针对所述二次电池的每种充电状态预定 义。随着所述二次电池的充电状态在所述电阻改变范围内变低，所述第一电阻增加。此外， 即使所述二次电池的充电状态在所述电阻改变范围内改变，所述第二电阻也不显示显著的 变化。
[0033] 优选地，为了得到所述第一电阻和/或第二电阻，所述控制单元可W参考对于每 种充电状态预定义的第一电阻和/或第二电阻有关的数据。
[0034] 优选地，所述控制单元可W通过参考对每种充电状态预定义的临界电流量值有关 的数据而得到与所述估计充电状态对应的临界电流量值，并且可W确定所述第一条件和第 二条件。
[00巧]根据一个方面，所述控制单元可W在所述第一条件下利用根据所述第一电阻和所 述测量放电电流计算的第一电压变化量，估计所述二次电池的放电电压。在此，所述第一电 压变化量可W通过欧姆定律计算。
[0036] 优选地，所述控制单元可W通过从对应于所述估计充电状态预定义的所述二次电 池的第一电压降低所述第一电压变化量，来估计所述二次电池的放电电压。
[0037] 在此，所述第一电压是所述二次电池对应于所述估计充电状态的开路电压。为了 得到所述第一电压，所述控制单元可W参考针对所述二次电池的每种充电状态预定义的开 路电压有关的数据。
[0038] 与所述开路电压有关的数据可W通过在基于所述充电状态可W准确测量所述二 次电池的开路电压的条件下进行所述二次电池的放电试验而得到。
[0039] 根据另一个方面，所述控制单元可W在所述第一条件下利用根据所述第二电阻和 测量的放电电流计算的第二电压变化量，估计所述二次电池的放电电压。在此，所述第二电 压变化量可W通过欧姆定律计算。
[0040] 优选地，所述控制单元可W通过从对应于所述估计充电状态而预定义的所述二次 电池的第二电压降低所述第二电压变化量，来估计所述二次电池的放电电压。
[0041] 所述第二电压可W只基于所述第一正极材料和所述第二正极材料的类型和混合 比率确定。所述第二电压可W通过基于当处于任何充电状态的二次电池放电时放电电流的 量值，试验性观察所述二次电池的放电电压如何改变而得到。对于所述二次电池的每种充 电状态，所述第二电压可W预定义为固定值或可变值（例如，过渡电压）。此外，随着所述二 次电池降级，所述第二正极材料在低压范围中运行。因此，所述第二电压可W预定义为根据 所述二次电池降级的程度来降低它的值。
[0042] 根据又一个方面，根据本公开用于估计二次电池的功率的设备还可W包括与所述 控制单元连接的存储单元，并且所述控制单元可W将所述二次电池的估计功率储存在所述 存储单元中。
[0043] 根据再一个方面，根据本公开用于估计二次电池的功率的设备还可W包括与所述 控制单元连接的通信接口，并且所述控制单元可W将所述二次电池的估计功率通过所述通 信接口输出到外部装置。
[0044] 根据再一个方面，根据本公开用于估计二次电池的功率的设备还可W包括与所述 控制单元连接的显示单元，并且所述控制单元可W通过所述显示单元将所述二次电池的估 计功率作为图形界面显不。