用于估算混合二次电池的电压的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及用于估算混合二次电池的电压的装置和方法。
[0002] 本申请要求2013年10月14日在韩国提交的韩国专利申请No. 10-2013-0122272的 权益，通过引用将其公开内容以其整体并入本文中。另外，本申请要求2014年10月13日在韩 国提交的韩国专利申请No. 10-2014-0137724的权益，并通过引用将其公开内容以其整体并 入本文中。
【背景技术】
[0003] 通过电化学氧化还原生成电能的电池应用领域广泛。例如，电池被用于逐步扩大 的领域，包括：用户手中随身携带的装置，诸如便携式电话、便携式计算机、数码相机、摄像 机、平板电脑、电动工具等；电驱动动力装置诸如电动自行车、电动自动自行车(electric auto-bicycle)、电动汽车、混合动力汽车、电动船、电动飞机等；用于储存由可再生能源生 成的电力或生成的盈余电力的蓄电装置;或向包括服务器、通讯用基站等的各种信息通讯 装置稳定地供应电力的不间断电源。
[0004] 电池包含三个基本元件，它们是：负极，包含在放电期间经历氧化并释放电子的材 料;正极，包含在放电期间经历还原并接受电子的材料;和电解质，其允许工作离子在负极 与正极之间移动。
[0005] 可以将电池分为：一次电池，其在放电之后不再可用；和二次电池，其具有至少部 分可逆的电化学反应，由此可重复充放电。
[0006] 对于二次电池，已知的有铅酸电池、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-氧化锰电池、锌-溴化物电池、金属空气电池、锂二次电池等。
[0007] 其中，考虑到比其它二次电池相对更高的能量密度、更高的电池电压和更长的贮 存寿命，锂二次电池正受到最大的商业关注。
[0008] 关于二次电池，用于正极材料和负极材料的材料对二次电池的性能有关键性的影 响。因此，正进行各种努力以提供在高温下具有稳定性且可以提供高能量容量和低制造成 本的正极材料和负极材料。
[0009] 然而，开发在所有方面均具有优异性能的正极材料和负极材料并不容易。因此，近 来尝试通过并联连接彼此包含不同类型的正极材料和负极材料的二次电池来弥补各种二 次电池的缺点。
[0010] 下文中，将会把通过并联连接不同类型的二次电池形成的二次电池称为"混合二 次电池"。
[0011] 同时，当组成电池具有彼此不同的工作电压范围时，混合二次电池常常具有包含 拐点的电压曲线。这是因为，当组成电池具有不同的工作电压范围时，在混合二次电池的充 电或放电期间占主导地位的反应动力学将会改变。
[0012] 当混合二次电池的电压曲线具有拐点时，与荷电状态(SOC)变化相比，在拐点附近 的电压变化相对较小。也就是说，即使当荷电状态显著改变时电压也很少改变。同时，由传 感器测得的电压由于传感器误差、动态改变的极化电压等而具有误差。因此，当通过直接使 用在拐点附近测得的电压控制混合二次电池时很难确保准确性。这是因为，在拐点附近，即 使在测得的电压轻微变化的情况下，普通电池控制系统也估算电池的电化学状态的显著改 变。
[0013] 因此，混合二次电池需要一种能够使用其它可测量参数间接估算电压而不是直接 测量电压的方法。
【发明内容】
[0014] 技术问题
[0015] 本公开旨在解决相关领域的问题，因此本公开旨在提供通过使用迭代算法间接估 算混合二次电池的电压而不是直接测量电压的装置和方法，在所述混合二次电池中将具有 彼此不同的电化学特性的二次电池并联连接。
[0016] 技术方案
[0017] 在本公开的一个方面，提供的为用于估算混合二次电池的电压的装置，所述装置 估算如下混合二次电池的电压，其包含具有彼此不同的电化学特性且彼此并联连接的第一 二次电池和第二二次电池。所述装置包含:传感器单元，其测量混合二次电池的工作电流； 和控制单元，其通过使用从预定义的电路模型导出的电压方程和工作电流估算混合二次电 池的电压。
[0018] 根据一个方面，第一二次电池和第二二次电池为相互独立的电池，且被包装在彼 此不同的包装材料中，或一起包装在单个包装材料中。
[0019] 在后者的情况下，第一二次电池和第二二次电池可以各自被构造为包含正极板、 负极板和置于其间的隔膜的单位电池胞。第一二次电池和第二二次电池可以在正极板和/ 或负极板上包含具有不同电化学特性的活性材料的涂层。
[0020] 根据另一个方面，第一二次电池和第二二次电池可以各自包含串联和/或并联连 接的多个单位电池胞或多个电池模块。
[0021] 优选地，电路模型可以包含:第一电路单元，其通过第一二次电池的第一开路电压 元件和可选的第一阻抗元件模拟第一二次电池的电压变化;和第二电路单元，其与第一电 路单元并联连接，且通过第二二次电池的第二开路电压元件和可选的第二阻抗元件模拟第 二二次电池的电压变化。
[0022]优选地，基于第一二次电池的第一荷电状态与第一开路电压之间预定义的相关性 可以确定由第一开路电压元件形成的第一开路电压。
[0023] 类似地，基于第二二次电池的第二荷电状态与第二开路电压之间预定义的相关性 可以确定由第二开路电压元件形成的第二开路电压。
[0024] 作为参考，在本领域中充电状态被称为荷电状态（SOC)参数。可以通过利用参数 SOC和z的定量表示来表示荷电状态的值。荷电状态可以利用参数SOC表示为百分比（0~ 100%)，且可以利用参数z表示为数(0~1)。可以利用但不限于安培计数法测量荷电状态。
[0025] 优选地，从根据荷电状态变化测得的开路电压曲线可以获得所述预定义的相关 性。
[0026] 根据一个方面，预定义的相关性可以为查找表，所述查找表可以映射与各荷电状 态对应的开路电压。
[0027] 通过使用关于第一和第二二次电池的每一荷电状态测得的开路电压数据可以获 得所述查找表。可以通过试验获得开路电压数据。
[0028] 根据另一个方面，预定义的相关性可以为查找函数，所述查找函数可以分别包含 荷电状态和开路电压作为输入参数和输出参数。
[0029] 通过对构建关于第一和第二二次电池的每一荷电状态测得的开路电压曲线的坐 标数据的数值分析可以获得所述查找函数。
[0030] 优选地，第一阻抗元件和第二阻抗元件可以各自包含至少一个电路元件以模拟可 能在第一二次电池和第二二次电池工作时生成的IR电压和/或极化电压。
[0031] 本文中所用的"IR电压"指的是由二次电池充电或放电期间的二次电池的内电阻 生成的电压。
[0032] 由于IR电压，在二次电池充电期间二次电池的电压高于开路电压，且在二次电池 放电期间低于开路电压。
[0033] 根据一个方面，第一和/或第二阻抗元件可以包含至少一个电阻器、至少一个电容 器、至少一个电感器或它们的组合。
[0034] 根据另一个方面，第一和/或第二阻抗元件可以包含其中电阻器和电容器并联连 接的RC电路，和与所述RC电路串联连接的电阻器。
[0035] 根据还另一个方面，第一和/或第二阻抗元件可以包含由并联连接的电阻器和电 容器构成的多个RC电路。所述多个RC电路可以串联和/或并联连接。
[0036] 优选地，第一开路电压部件和第一阻抗元件可以串联连接。类似地，第二开路电压 部件和第二阻抗元件可以串联连接。
[0037]优选地，使用从第一阻抗元件中包含的电路元件的连接关系和电学特性值导出的 第一阻抗电压方程，控制单元可以确定由第一阻抗元件形成的第一阻抗电压。
[0038] 类似地，使用从第二阻抗元件中包含的电路元件的连接关系和电学特性值导出的 第二阻抗电压方程，控制单元可以确定由第二阻抗元件形成的第二阻抗电压。
[0039] 在此，基于对应的电路元件的类型可以确定各个电路元件的电学特性值，且所述 电学特性值可以为电阻值、电容值和电感值中的任一种。
[0040] 根据本公开，工作电流等于流经第一电路单元的第一电流和流经第二电路单元的 第二电流的总和。
[0041] 优选地，通过使用从电路模型导出的第一电流分配方程和第二电流分配方程，控 制单元可以分别确定第一电流和第二电流。
[0042] 优选地，第一电流方程可以包含第一和第二开路电压、第一和第二阻抗电压及工 作电流作为输入参数。类似地，第二电流方程可以包含第一和第二开路电压、第一和第二阻 抗电压及工作电流作为输入参数。
[0043] 根据一个方面，当第一阻抗元件包含串联电阻器时，通过由除所述串联电阻器之 外的电路元件形成的电压可以确定第一阻抗电压。
[0044] 类似地，当第二阻抗元件包含串联电阻器时，通过由除所述串联电阻器之外的电 路元件形成的电压可以确定第二阻抗电压。
[0045] 优选地，通过按时间合计第一电流，控制单元可以定时更新第一荷电状态。类似 地，通过按时间合计第二电流，控制单元可以定时更新第二荷电状态。
[0046]控制单元可以是可以与二次电池电耦接的电池管理系统(BMS)，或者是包含在BMS 中的控制元件。
[0047]上述电池管理系统可以指的是在与本公开相关的技术领域中被称为BMS的系统， 但从功能的角度来看，电池管理系统可以在其范围内包括任何系统，只要所述系统实现如 本文中所述的至少一个功能即可。
[0048]电池管理系统可以包括作为可由处理器执行的软件算法的电路模型。在一个实例 中，电路模型可以被写成程序代码并存储在存储设备中，并由处理器执行。
[0049] 如上所述的本公开的技术目标也可以通过用于估算混合二次电池的电压的方法 实现。
[0050] 根据一个方面，用于估算混合二次电池的电压的方法估算如下的混合二次电池的 电压，所述混合二次电池包含具有彼此不同的电化学特性且彼