CN104541175A - 用于估计二次电池的参数的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于估计二次电池的参数的方法和设备。根据本发明的设备包括：传感器装置，在其中二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的模式充电的过程中在充电电流降低的同时测量多个电流-电压数据项；和控制装置，从传感器装置接收该多个电流-电压数据项的输入，根据该多个电流-电压数据项计算示表示电流和电压之间的关系的近似线性方程，通过在近似线性方程的Y截距上反映经由RC电路量化的二次电池的极化电势而估计二次电池的开路电压，并且根据估计的开路电压估计二次电池的充电状态。

Description

用于估计二次电池的参数的设备和方法
技术领域
本公开涉及一种用于估计在二次电池的充电或者放电期间改变的诸如二次电池的开路电压(OCV)或者充电状态(SOC)的二次电池的电化学参数的设备和方法。
本申请要求其公开在此通过引用而被并入的、在2012年12月4日在大韩民国提交的韩国专利申请No.10-2012-0139776，和在2013年12月4日在大韩民国提交的韩国专利申请No.10-2013-0149690的优先权。
背景技术
电池是通过电化学氧化和还原反应产生电能的装置，并且具有很多不同的应用。例如，电池的应用逐渐地扩展到手持便携式装置诸如移动电话、膝上型计算机、数字照相机、视频摄影机、平板计算机和电动工具；各种类型的电动装置诸如电动自行车、电动摩托车、电动车辆、混合动力车辆、电动船和电航空器；用于存储通过新的可更新能量或者电厂的过量电力产生的电力的能量存储系统；和用于向包括用于通信的服务器计算机和基站的各种信息和通信装置稳定供电的不间断电源。
电池包括三个基本元件，一个是包括在放电期间在发射电子时氧化的材料的负极，另一个是包括在放电期间在接受电子时还原的材料的正极，并且其它的是允许离子在负极和正极之间移动的电解质。
电池可以被分类成在放电之后不能再次使用的原电池，和能够由于至少部分地可逆的电化学反应而反复地充电和放电的二次电池。
作为二次电池，铅酸电池、镍-镉电池、镍-锌电池、镍-铁电池、银-氧化物电池、镍金属氢化物电池、锌-锰二氧化物电池、锌-溴电池、金属-空气电池和锂二次电池是已知的。在它们中，锂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，并且由于这些原因，在商业方面正在受到高度的关注。
锂二次电池具有锂离子的嵌入和脱嵌反应在正极和负极处发生的特性。即，在放电期间，从在负极中包括的负极材料脱嵌的锂离子通过电解质移动到正极并且嵌入在正极中包括的正极材料中，并且在充电期间反过来。
在锂二次电池中，因为用作正极材料的材料显著地影响二次电池的性能，所以已经做出各种尝试以提供在高温下维持稳定性时具有高能量容量以及具有低制造成本的正极材料。然而，在利用仅仅一种正极材料满足所有的工业性能标准方面仍然存在限制。
近来，随着正在增长的、对于化石燃料枯竭和空气污染的担心，对于环境友好能量的要求急剧增加。在这方面，利用从二次电池供应的电能供电并且运行的电驱动车辆诸如电动车辆或者混合动力车辆的商业化在发达国家中正在加速。
当电驱动车辆运行时，二次电池的充电状态(SOC)是估计电驱动车辆的剩余行驶距离，并且控制二次电池的充电或者放电的开始和结束所需要的电化学参数。
可以通过测量二次电池的开路电压(OCV)准确地估计二次电池的SOC。这是因为二次电池的SOC与二次电池的开路电压具有一一对应关系。然而，在二次电池的充电或者放电期间测量二次电池的OCV是不可能的。
相应地，为了估计二次电池的OCV，传统上，使用从其将二次电池的温度和电压映射为OCV的、复杂的数学模型或者通过试验做出的查找表。
然而，在动态条件下当在二次电池充电或者放电期间应用时，前一方法具有要求复杂计算的缺点，并且后一方法具有减小的准确度的缺陷。特别地，在电动车辆或者混合动力车辆的情形中，当驾驶员踩踏油门踏板时，二次电池以快速地改变的放电速率(C-速率)放电，并且当驾驶员踩踏制动踏板时，二次电池执行再生充电，并且这个过程重复。因此，存在对于在二次电池的动态使用环境中方便地并且准确地估计二次电池的SOC的新的方法的需要。
发明内容
技术问题
本公开设计用于解决现有技术的问题，并且因此，本公开涉及提供一种用于在二次电池的动态使用期间方便地并且准确地估计二次电池的电化学参数诸如开路电压(OCV)和/或充电状态(SOC)的设备和方法。
而且，本公开涉及提供一种方便地并且准确地估计二次电池的OCV和/或SOC的设备和方法，该二次电池考虑到对于市场中的二次电池要求的改进的性能地包括至少两种正极材料的混合正极材料并且由于混合正极材料而呈现独特的电化学行为。
技术方案
为了实现以上目的，根据本公开的一个方面一种用于估计二次电池的参数的设备包括：传感器装置，其用于当二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电时在充电电流降低的同时测量多个电流-电压数据的传感器装置，和控制装置，其用于从传感器装置接收该多个电流-电压数据的输入，以根据该多个电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程，并且通过在线性近似方程的Y截距上反映通过电阻器-电容器(RC)电路量化的二次电池的极化电压而估计二次电池的开路电压(OCV)。
优选地，控制装置可以进一步根据估计的OCV估计二次电池的充电状态(SOC)。
根据一个方面，传感器装置可以当二次电池以其中充电电流从零增加到峰值并且然后降低为零的充电电流曲线(charging currentprofile)充电时在充电电流从峰值降低为零时测量该多个电流-电压数据。
根据另一个方面，传感器装置可以在二次电池的放电电流逐渐地降低为零之后当二次电池以该充电电流曲线充电时测量该多个电流-电压数据。
根据再一个方面，传感器装置可以在充电电流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低之后测量该多个电流-电压数据。
根据又一个方面，传感器装置可以在充电电流的幅值基于峰值降低到1/6或者更低之后测量该多个电流-电压数据。
优选地，传感器装置可以测量至少两个电流-电压数据。
根据一个方面，控制装置可以使用定义OCV和SOC之间的关系的查找表或者查找函数估计对应于估计OCV的SOC。
根据另一个方面，传感器装置可以测量二次电池的温度并且向控制装置提供测量温度，并且控制装置可以使用定义OCV和温度和SOC之间的关系的查找表或者查找函数估计对应于二次电池的温度和估计OCV的SOC。
为了实现以上目的，根据本公开的另一个方面一种用于估计二次电池的参数的设备包括：传感器装置，其用于在二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据，和控制装置，其用于从传感器装置接收电流-电压数据的输入，识别在充电电流从峰值降低的同时测量的多个电流-电压数据，根据该多个电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程，并且通过在线性近似方程的Y截距上反映通过RC电路量化的二次电池的极化电压而估计二次电池的OCV。
优选地，控制装置可以进一步根据估计的OCV估计二次电池的SOC。
根据一个方面，控制装置可以在充电电流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低之后测量的电流-电压数据中识别该多个电流-电压数据。
根据另一个方面，控制装置可以在充电电流的幅值基于峰值降低到1/6或者更低之后测量的电流-电压数据中识别该多个电流-电压数据。
优选地，控制装置可以识别至少两个电流-电压数据。
根据一个方面，控制装置可以使用定义OCV和SOC之间的关系的查找表或者查找函数估计对应于估计OCV的SOC。
根据另一个方面，传感器装置可以测量二次电池的温度并且向控制装置提供测量温度，并且控制装置可以使用定义OCV和温度和SOC之间的关系的查找表或者查找函数估计对应于二次电池的温度和估计OCV的SOC。
根据一个方面，传感器装置可以在二次电池以充电电流从零增加到峰值并且然后降低为零的这种模式充电时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据。
根据另一个方面，传感器装置可以当二次电池在二次电池的放电电流逐渐地降低为零之后充电时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据。
用于估计二次电池的参数的以上设备可以进一步包括与控制装置组合的显示装置，并且控制装置可以通过显示装置作为图形界面(字符、数字、曲线图等)输出二次电池的估计的OCV和/或估计的SOC。
而且，用于估计二次电池的参数的以上设备可以向外部控制单元传输二次电池的估计的OCV和/或估计的SOC。
而且，用于估计二次电池的参数的以上设备可以进一步与控制装置组合的存储装置，并且控制装置可以在存储装置中记录和/或擦除和/或更新和/或传输该多个电流-电压数据和/或线性近似方程的斜率和Y截距和/或查找表或者查找函数和/或估计的OCV和/或估计的SOC。
而且，可以在从二次电池供应能量的各种电动装置中包括用于估计二次电池的参数的以上设备。
为了实现以上目的，根据本公开一个方面一种用于估计二次电池的参数的方法包括当二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电时在充电电流降低的同时测量多个电流-电压数据，根据该多个测量电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程，并且通过在线性近似方程的Y截距上反映通过RC电路量化的二次电池的极化电压而估计二次电池的OCV。
为了实现以上目的，根据本公开的另一个方面一种用于估计二次电池的参数的方法包括在二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据，在测量的电流-电压数据中识别在充电电流从峰值降低的同时测量的多个电流-电压数据，根据识别的多个电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程，并且通过在线性近似方程的Y截距上反映通过RC电路量化的二次电池的极化电压而估计二次电池的OCV。
优选地，用于估计二次电池的参数的方法可以进一步包括根据估计的OCV估计二次电池的SOC。
而且，用于估计二次电池的参数的方法可以进一步包括存储和/或传输和/或显示估计的OCV和/或估计的SOC。
二次电池可以进一步包括包括工作离子的电解质，和用于从负极电分离正极并且允许工作离子移动的分离器。电解质不限于特殊类型，如果它包括工作离子并且可以通过工作离子的媒介在正极和负极处引起电化学氧化或者还原反应。
二次电池可以进一步包括用于密封正极、负极和分离器的壳体。壳体在它的材料方面并不具有特殊的限制，如果它具有化学安全性。
二次电池的外观是由壳体的结构确定的。壳体的结构可以是在本技术领域中已知的各种结构之一，并且典型地，可以具有柱形形状、棱形形状、袋形状、硬币形状等。
有利的效果
根据本公开，可以在二次电池的动态充电期间可靠地估计二次电池的开路电压(OCV)和/或充电状态(SOC)。特别地，对于包括示出独特的电压改变模式的混合正极材料的二次电池，同样可以实现OCV和/或SOC的可靠的估计。而且，即便在二次电池的电极上的极化积累，仍然可以准确地估计OCV和/或SOC。因为使用在二次电池上减小的极化积累的状态中测量的电流-电压数据估计OCV和/或SOC，所以估计参数的可靠性可以得到改进。
附图说明
附图示意本公开的优选实施例并且与前面的公开一起地用于提供本公开的技术精神的进一步的理解，并且因此，本公开不被理解为限制于附图。
图1是示意根据本公开示例性实施例用于估计二次电池的参数的设备的构造的框图。
图2是示意用于在二次电池的电极上积累的极化电压的等效电路模型的实施例的电路图。
图3是示意用于在二次电池的电极上积累的极化电压的等效电路模型的另一个实施例的电路图。
图4是按时间顺序示意根据本公开示例性实施例用于估计二次电池的参数的方法的流程图。
图5是示意二次电池的充电/放电电流曲线和电压改变曲线的测量的曲线图(试验示例1)。
图6是绘制在二次电池充电期间测量的二次电池的电流-电压数据的曲线图(试验示例1)。
图7是示意二次电池的充电/放电电流曲线和电压改变曲线的测量的曲线图(试验示例2)。
图8和9是分别地示意对于二次电池的每一个充电状态(SOC)测量的二次电池的放电电阻曲线和对于二次电池的每一个放电深度(DoD)测量的开路电压(OCV)曲线的曲线图(试验示例2)。
图10是示意包括混合正极材料的二次电池的充电/放电电流曲线和二次电池的电压改变的测量的曲线图(试验示例2)。
图11是绘制对于间隔B在二次电池的充电期间测量的包括混合正极材料的二次电池的电流-电压数据的曲线图(试验示例2)。
图12是示意在电流-电压曲线上指示的当计算线性近似方程时使用的两个电流-电压数据(外推数据)的曲线图。
图13是示意当使用两个电流-电压数据计算线性近似方程时作为二次电池的OCV估计Y截距的概念的曲线图。
图14是示意当在模拟在洛杉矶驾驶的驾驶模式中二次电池放电(行进)和再生充电(制动以停止)时在二次电池的再生充电期间使用本公开估计SOC时的准确度的评价结果的曲线图。
图15是示意随着时间包括混合正极材料的二次电池的充电/放电电流和电压曲线的曲线图。
图16是示意从图15的区段D采样的电流和电压曲线的曲线图和使用它们绘制的I-V图表。
图17是示意从图15的区段E采样的电流和电压曲线的曲线图和使用它们绘制的I-V图表。
图18是示意包括混合正极材料的二次电池的实际DoD、使用由本公开校正的OCV估计的DoD和使用未校正OCV估计的DoD的比较的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例。在描述之前，应该理解在说明书和所附权利要求中使用的术语不应该被理解为限制于通常的和字典的含义，而是基于允许本发明人为了最好地解释而适当地定义术语的原则基于对应于本公开的技术方面的含义和概念解释。因此，在这里提出的说明只是仅仅为了示意的优选示例，而非旨在限制本公开的范围，从而应该理解，能够在不偏离本公开的精神和范围的情况下对此实现其它等价形式和修改。
以下描述的实施例叙述其中本公开的技术方面应用于锂二次电池的情形。这里，锂二次电池是其中锂离子用作工作离子并且在充电和放电期间在正极和负极处引起电化学反应的二次电池。工作离子代表在二次电池的充电和放电期间参与电化学氧化和还原反应的离子，并且例如锂可以这样工作。相应地，使用锂离子作为工作离子的任何二次电池应该理解为包括在锂二次电池的范围中，即使二次电池的名称基于在锂二次电池中使用的电解质或者分离器的类型、用于封装二次电池的壳体的类型、锂二次电池的内部或者外部结构等而改变。
而且，本公开可以应用于除了锂二次电池之外的二次电池。相应地，即使工作离子不是锂离子，本公开的技术方面可以应用于此的任何二次电池均应该理解为与它的类型无关地包括在本公开的范围中。应该指出，在其中替代术语“锂二次电池”地使用术语“二次电池”的某些实施例中，在相应的实施例中的二次电池被用作涵盖各种类型的二次电池的概念。
而且，二次电池不限于构成二次电池的多个元件。相应地，二次电池应该理解为不仅包括作为基本单元包括负极、电解质和正极的单元电池而且还包括单元电池的组件、包括串联和/或并联连接的多个组件的模块、包括串联和/或并联连接的多个模块的电池组、包括串联和/或并联连接的多个电池组的电池系统，等。
图1是示意根据本公开示例性实施例用于估计二次电池的参数的设备的构造的框图。
参考图1，二次电池110的高和低电势端子(P+、P-)与电动装置200的高和低电势连接端子(T+，T-)电耦合。
二次电池110可以是锂二次电池，但是本公开不受电池类型限制。
在一个实施例中，电动装置200可以是移动计算机装置诸如移动电话、膝上型计算机和平板计算机，或者包括数字照相机、视频摄影机、音频/视频播放器等的手持式多媒体装置。
在另一实施例中，电动装置200可以是利用电力供电的电气运输系统诸如电动车辆、混合动力车辆、电动自行车、电动摩托车、电动列车、电动船、电子航空器或者包括电机的动力工具诸如电钻和电磨机。
在再一个实施例中，电动装置200可以是安装在电网中以存储新的可更新能量或者过量电力的大容量能量存储系统，或者用于在紧急诸如断电的情形中向包括服务器计算机或者移动通信设施的各种信息和通信系统供应电力的不间断电源。
电动装置200包括负载210和/或充电单元220。
负载210是消耗二次电池110的电能的装置，并且作为非限制示例，可以是诸如电机的旋转驱动装置或者诸如转换器或者逆变器的功率转换装置。
充电单元220是向二次电池110施加充电电流的装置，并且作为非限制示例，可以是充电电路、耦接到电驱动车辆的发动机的发电机、耦接到电动车辆的制动器的再生充电器，等。
电动装置200可以包括用于控制负载210和/或充电单元220的操作的控制单元230。控制单元230可以包括执行用于电动装置200的控制的软件算法的微型计算机。
电动装置200还可以包括第一到第四开关SW1-SW4以选择性地连接二次电池110和负载210或者二次电池110和充电单元220。
第一和第二开关SW1和SW2响应于从控制单元230接收的控制信号接通或者断开在二次电池110和负载210之间的电连接。
第三和第四开关SW3和SW4响应于从控制单元230接收的控制信号接通或者断开在二次电池110和充电单元220之间的电连接。
优选地，第一到第四开关SW1-SW4可以是半导体开关或者机械继电器开关。
控制单元230接通或者断开在二次电池110和负载210之间或者在二次电池110和充电单元220之间的电连接。
在一个示例中，当二次电池110的充电状态(SOC)是高的时，控制单元230通过接通第一和第二开关SW1和SW2将二次电池110连接到负载210，以利用存储在二次电池110中的电能操作负载210。然后，二次电池110放电从而电能被提供给负载210。
在另一个示例中，当二次电池110的SOC是低的时，控制单元230通过接通第三和第四开关SW3和SW4将二次电池110连接到充电单元220，以将充电电流施加于二次电池110。然后，充电单元220将充电电流施加于二次电池110。
在再一个示例中，在负载210的操作期间，控制单元230将二次电池110连接到负载210，并且当负载210的操作暂时停止时，可以将二次电池110连接到充电单元220以对于二次电池110充电。
在这些实施例中，控制单元230可以控制充电单元220以使得供应到二次电池110的充电电流具有充电电流增加到预定峰值并且然后降低的这种模式。
作为示例，控制单元230可以控制充电单元220以使得充电电流的幅值从零逐渐地增加到预定峰值并且然后逐渐地降低到零。
作为另一个示例，控制单元230可以控制充电单元220以使得充电电流的幅值从零逐渐地增加到预定峰值并且然后在二次电池110的放电电流逐渐地降低到零之后逐渐地降低为零。
作为以上实施例的典型示例，可以给出电动车辆或者混合动力车辆的再生充电。再生充电指的是二次电池使用当车辆通过制动器操控减速时由制动器系统产生的再生能量的充电。因为当操控制动器时实现再生充电，所以二次电池110的放电电流逐渐地降低到零直至再生充电开始。而且，在再生充电期间，充电电流的幅值从零逐渐地增加到预定峰值并且然后逐渐地降低到零。在该实施例中，充电单元220系统地与产生再生能量的制动器系统耦接，并且控制单元230可以控制总体再生充电过程。因为在本公开所属的技术领域中再生充电技术是广泛已知的，所以在这里省略它的详细说明。
用于估计参数的设备100是估计在二次电池110的充电或者放电期间改变的电化学参数，诸如二次电池110的开路电压(OCV)或者SOC的设备，并且包括传感器装置120和控制装置130。
传感器装置120测量在充电电流从充电单元220供应到二次电池110时二次电池的充电电流和电压的幅值，并且将其提供给控制装置130。
传感器装置120可以在充电电流流动时从控制装置130接收测量控制信号以测量二次电池的电流和电压。即，每次接收测量控制信号传感器装置120测量二次电池的电流和电压，并且将其提供给控制装置130。
根据一个实施例，在充电电流的幅值从零增加到预定峰值并且然后降低到零时，传感器装置120在充电电流从预定峰值降低到零期间以一定时间间隔反复多次地测量二次电池110的充电电流和电压的幅值，并且将其提供给控制装置130。
根据另一个实施例，在充电电流的幅值从零增加到预定峰值并且然后降低到零时，传感器装置120以一定时间间隔反复多次地测量二次电池110的充电电流和电压的幅值，并且将其提供给控制装置130。
在下文中，为了说明方便起见，在任何时间点测量的二次电池110的充电电流和电压的幅值被称作电流-电压数据。
在以上实施例中，因为二次电池110的充电电流和电压的幅值被测量多次，所以控制装置130从传感器装置120接收多个电流-电压数据。
根据一个方面，传感器装置120可以在二次电池110的操作模式从放电模式改变为充电模式之后多次测量二次电池110的充电电流和电压的幅值。在此情形中，在二次电池110的放电电流逐渐地降低到零之后，传感器装置120可以测量电流-电压数据。
在以上实施例中，传感器装置120可以在充电电流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低，优选地1/6或者更低之后多次测量二次电池110的电流和电压。而且，降低比率只是示例，并且可以改变为不同的数值。
该多个电流-电压数据用于估计二次电池110的OCV和SOC，并且因为在二次电池110的极化积累减小的状态中获得在以上测量条件下测量的电流-电压数据，所以根据本公开估计的OCV和SOC的可靠性可以得到改进。
控制装置130控制传感器装置120的操作。即，控制装置130可以多次向传感器装置120传输测量控制信号以在二次电池110的充电期间多次测量二次电池110的电流和电压。而且，传感器装置120响应于测量控制信号测量二次电池110的电流和电压并且将其提供给控制装置130，并且控制装置130接收它。
在控制装置130接收该多个电流-电压数据之后，控制装置130使用接收的电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程(V＝a*I+b)。
这里，线性近似方程的输入变量I和输出变量V分别地表示二次电池110的电流和电压，斜率'a'表示电阻特性，Y截距'b'表示当二次电池的电流为零时的电压，即，OCV。相应地，当计算了线性近似方程时，Y截距可以估计为二次电池的OCV。
当计算线性近似方程时使用的多个电流-电压数据优选地至少为两个。而且，为了更加准确地估计OCV，将电流-电压数据的数目增加到至少三个不受特别地限制。
而且，假设充电电流的幅值此时达到峰值的时间点是Tp并且此时充电电流的幅值从峰值降低到零的时间点是T0，优选的是尽可能接近T0地选择用于测量电流-电压数据的时间。这是因为随着用于测量电流-电压数据的时间更加接近T0，线性近似方程的Y截距变得更加接近二次电池110的OCV，因为二次电池110处于二次电池110的极化积累更加减小的状态中。
作为示例，控制装置130在从传感器装置120接收的该多个电流-电压数据中通过选择在充电电流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低，优选地1/6或者更低之后测量的至少两个电流-电压数据而获取用于计算线性近似方程的外推数据。这种方法是在从传感器装置120提供的该多个电流-电压数据中采样用于计算线性近似方程的电流-电压数据的方法。控制单元130可以使用由以上方法获取的外推数据计算线性近似方程。
作为另一个示例，控制装置130可以通过在流动到二次电池110的充电电流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低，优选地1/6或者更低之后周期地向传感器装置120输出测量控制信号而从传感器装置120接收用于计算线性近似方程的至少两个电流-电压数据，以通过传感器装置120获取预设数目的电流-电压数据。接收的至少两个电流-电压数据构成用于计算线性近似方程的外推数据。不同于在前面描述的采样方法，这种方法是直接地使用传感器装置120利用控制装置130测量用于计算线性近似方程的多个电流-电压数据的方法。控制装置130可以使用由以上方法获取的外推数据计算线性近似方程。
根据一个方面，在计算线性近似方程之后，控制装置130可以直接地作为二次电池110的OCV估计计算的线性近似方程的Y截距。当在二次电池110的充电或者放电之前二次电池110已经在足够的时间段中处于无负载状态中时，以此方式估计的二次电池110的OCV非常接近于实际OCV。当在二次电池110的电极上的极化不没有大量地积累时，这个实施例是有用的。
根据另一个方面，在其中二次电池110是锂二次电池的情形中当二次电池110的动态操作时间增加时，随着在电极上的极化积累，极化电压在二次电池中受到驱动。相应地，当极化电压在二次电池110中受到驱动时，如果线性近似方程的Y截距被直接地估计为二次电池的OCV，则由于极化电压，与实际OCV的差异发生。例如，在其中在放电超过充电的这种模式中使用二次电池110的情形中，Y截距值具有比二次电池的实际OCV更低的值。相应地，当二次电池110的使用时间增加时，优选的是通过定量地计算受到驱动的极化电压而校正线性近似方程的Y截距值并且将校正的Y截距估计为二次电池110的OCV。
可以通过包括代表极化电压的等效电路的等效电路模型实现受到驱动的极化电压的定量计算。
图2是示意根据本公开示例性实施例的等效电路模型的电路图。
参考图2，极化电压可以表示成施加到其中电阻部件(R)和电容部件(C)并联连接的电阻器-电容器(RC)电路的电压。这里，明显的是，能够代表极化电压的等效电路可以被除了RC电路之外的电路替代。
在图2的电路中，串联电阻R0表示二次电池110的内阻部件，并且OCV表示二次电池110的开路电压。
根据图2所示电路，可以推导电压方程诸如方程1。在以下方程中，Vcell表示二次电池110的动态电压，并且OCV表示二次电池110的开路电压。
<方程1>
Vcell＝V+-V-＝OCV+IR0+VRC
同时，在以上方程1的右侧处的变量VRC可以通过时间离散方程表示成以下方程2。方程2对应于用于计算由RC电路形成的电压的方程，并且是在本公开所属技术领域中已知的表达式。
在方程2中，△t表示使得RC电路的电压从VRC[k]改变为VRC[k+1]所需的时间。而且，exp[]表示自然对数(e)的指数函数。
<方程2>
VRC[k+1]＝VRC[k]*exp[-△t/RC]+R*I(1-exp[-△t/RC])
当流动通过二次电池110的电流为0时可以测量二次电池110的OCV。如果在方程1上反映这个条件，则以上方程1可以书写为以下方程3。
<方程3>
Vcell＝OCV+VRC
在以上方程3中，Vcell对应于线性近似方程的Y截距。原因在于，在线性近似方程中，当电流为0时Y截距是电压。
相应地，当极化电压由在二次电池110的电极上的极化积累驱动时，线性近似方程的Y截距的校正因子是VRC，并且可以使用由时间离散方程表示的方程2计算VRC。
在以上方程2中，时间常数RC和初始条件VRC[0]可以通过试错法加以预定以在期望的可靠性范围内保证对于Y截距的校正的准确度。
同时，为了改进对于线性近似方程的Y截距的校正的准确度，VRC可以是分段的。即，因为当二次电池充电或者放电时极化在二次电池的正极和负极这两者上发生，所以VRC可以如在以下方程4中地被表示成正极分量和负极分量的和。
<方程4>
VRC＝VRC(+)+VRC(-)
而且，VRC(+)和VRC(-)可以分别地通过时间离散方程表示成以下方程5和6。
在方程5和6中，当将在正极上积累的极化电压表示成RC电路模型时，R+和C+代表在RC电路中包括的电阻器和电容器的电阻和电容。而且，当将代表在负极上积累的极化电压表示成RC电路模型时，R-和C-代表在RC电路中包括的电阻器和电容器的电阻和电容。
<方程5>
VRC(+)[k+1]＝VRC(+)[k]*exp[-△t/R+C+]+R+I(1-exp[-△t/R+C+])
<方程6>
VRC(-)[k+1]＝VRC(-)[k]*exp[-△t/R-C-]+R-I(1-exp[-△t/R-C-])
在以上方程5和6中，时间常数R+C+和R-C-与初始条件VRC(+)[0]和VRC(-)[0]可以通过试错法加以预定以在期望的可靠性范围内保证对于Y截距的校正的准确度。
图3是示意根据本公开另一个示例性实施例的等效电路模型的电路图。
图3的等效电路模型可以应用于其中在二次电池110的正极中包括至少第一和第二正极材料的混合正极材料的情形。
这里，第一正极材料主要在高电压范围中与工作离子(例如，锂离子)反应，并且第二正极材料主要在低电压范围中与工作离子反应。相应地，当包括混合正极材料的二次电池充电和放电时，存在其中与工作离子反应的正极材料的类型改变的过渡电压范围。
当二次电池110在比过渡电压范围更高的电压范围中充电或者放电时，工作离子可以从第一正极材料脱嵌或者工作离子可以嵌入第一正极材料中。作为对照，当二次电池110在比过渡电压范围更低的电压范围中充电或者放电时，工作离子可以从第二正极材料脱嵌或者工作离子可以嵌入第二正极材料中。
同时，如果二次电池110在过渡电压范围中充电，则几乎整个工作离子已经从第二正极材料脱嵌从而工作离子开始从第一正极材料而非第二正极材料脱嵌。在这个现象的情形中，随着时间测量的二次电池110的电压曲线具有在形成拐点时逐渐地增加的模式。当工作离子从其脱嵌的正极材料的类型改变时，二次电池的电阻特性改变，并且因此，即使相同的充电电流，电压改变量仍然改变。将在以后通过试验示例提供它的说明。
在图2的电路中，i1和i2分别地指示在等效电路模型中通过第一正极材料和/第二正极材料流动的电流。当二次电池在比过渡电压范围更高的电压下充电或者放电时，i2可以被设定为0。而且，当二次电池在比过渡电压范围更低的电压下充电或者放电时，i1可以被设定为0。在图中所示电流的方向示出其中二次电池放电的情况，并且在其中二次电池充电的情形中，电流的方向与示出的方向相反。
在正极一侧处的电路包括两个RC电路，并且上面的一个模拟在第一正极材料上形成的极化电压，并且下面的一个模拟在第二正极材料上形成的极化电压。类似地，在负极一侧处在电路中包括的RC电路模拟在负极材料上形成的极化电压。在正极和负极一侧处包括的串联电阻部件是存在于每一种电极材料中的模拟电阻部件的结果。
二次电池的电压Vcell对应于在V+和V-之间的差异，并且因为可以从克希霍夫电压和电流定律推导用于Vcell的方程并且施加到RC电路的电压可以由时间离散方程表示，用于可以在二次电池110的充电期间计算的线性近似方程的Y截距的校正因子可以通过简单的算术计算获得。
作为实施例，当在二次电池110在其中工作离子主要插入第一正极材料中的电压范围中充电之后完成充电时，在这种条件下，二次电池110的电压Vcell可以由以下方程7表示。作为参考，当充电完成时，流动通过等效电路的全部电流变为0，并且因此，在串联电阻中形成的电压全部变为0。
<方程7>
Vcell＝(OCV1-OCVa)+VRC1[k]+VRCa[k]＝OCVcell+VRC1[k]+VRCa[k]
相应地，当二次电池110包括混合正极材料，并且在二次电池在其中第一正极材料与工作离子反应的电压范围中充电之后充电完成时，用于线性近似方程的Y截距的校正因子是“VRC1[k]+VRCa[k]”。即，Y截距的校正因子可以表示成在第一正极材料和负极上驱动的极化电压分量的和。
这里，可以如上地在其中在二次电池110在比过渡电压范围更高的电压下充电之后充电完成的情形中或者在其中在二次电池110充电直至在过渡电压范围中拐点出现之后充电终止的情形中建立充电条件。
同时，在其中二次电池110包括混合正极材料的情形中，当二次电池110在过渡电压范围中充电时，拐点可以在电压曲线中出现。在此情形中，当计算线性近似方程时，优选的是使用在出现拐点之后测量的电流-电压数据作为外推数据。
当使用线性近似方程的Y截距估计二次电池110的OCV时，控制装置130可以进一步使用估计OCV估计二次电池110的SOC。这里，估计OCV可以是Y截距自身，或者由校正因子校正的Y截距。
在一个实施例中，控制装置130可以进一步使用预先定义在估计OCV和SOC之间的关系的预定查找表或者查找函数估计对应于估计OCV的二次电池的SOC。
这里，通过经由试验对于二次电池110的每一个OCV测量SOC，并且以表格的形式组织测量结果而形成查找表。根据查找表，可以通过将估计OCV映射为相应的SOC而以简单的方式估计二次电池110的SOC。
通过经由试验对于二次电池110的每一个OCV测量SOC，并且作为函数定义测量SOC的曲线而表示查找函数。查找函数的输入变量和输出变量分别为OCV和SOC。当作为查找函数的输入变量替代估计OCV时，可以作为查找函数的输出值获得SOC。
同时，二次电池110的SOC可以对于温度具有依赖性。相应地，温度参数可以被进一步添加到查找表和查找函数。即，通过试验，可以对于每一个温度制备查找表和查找函数。在此情形中，当充电电流流动到二次电池110时，传感器装置120可以进一步测量二次电池110的温度并且将二次电池110的温度提供给控制装置130。然后，控制装置130可以识别对应于二次电池110的温度的查找表或者查找函数，并且可以使用识别查找表或者查找函数估计对应于估计OCV的二次电池110的SOC。
用于估计二次电池的参数的设备100可以进一步包括存储装置160。存储装置160不限于具体的类型，如果它是能够记录并且擦除信息的存储介质。
作为示例，存储装置160可以是随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、寄存器、硬盘、光学记录介质，或者磁性记录介质。而且，存储装置160可以经由例如数据总线连接到控制装置130，以允许由控制装置130访问。
存储装置160可以存储和/或更新和/或擦除和/或传输包括由控制装置130执行的各种控制逻辑的程序，和/或由控制逻辑的执行产生的数据。
存储装置160可以在逻辑上被划分成至少两个，并且不限制为被包括在控制装置130中。
存储装置160可以保持由传感器装置120测量的该多个电流-电压数据，包括在计算线性近似方程中使用的该至少两个电流-电压数据的外推数据，或者使用线性近似方程估计的参数(OCV和/或SOC)。
为了执行各种控制逻辑和/或计算逻辑，控制装置130可以可选地包括在本技术领域中众所周知的处理器、专用集成电路(ASIC)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器，和数据处理装置。而且，当以软件实现控制逻辑时，控制装置130可以实现为程序模块的组件。在此情形中，程序模块可以存储在存储器中并且由处理器执行。存储器可以置放在处理器内侧或者外侧，并且可以被各种已知装置连接到处理器。而且，可以在存储装置160中包括存储器。而且，存储器通常代表与装置类型无关地存储信息的所有的装置，而并不指示具体的存储器装置。
可选地，用于估计二次电池的参数的设备100可以进一步包括显示装置150。显示装置150不限于具体的类型，如果它能够作为图形界面(字符、数字、曲线图等)显示有关由控制装置130估计的二次电池110的OCV和/或SOC的信息。
作为示例，显示装置150可以是液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、电泳墨水(E-墨水)显示器、柔性显示器等。
显示装置150可以直接地或者间接地与控制装置130连接。当采用后者时，显示装置150可以位于从控制装置130位于其中的区域物理地分离的区域中。而且，第三控制装置(未示出)可以置入显示装置150和控制装置130之间以从控制装置130接收将在显示装置150上显示的信息并且允许该信息显示在显示装置150上。为此，第三控制装置可以经由通信线路(例如，车辆中的CAN通信网络)连接到控制装置130。
显示装置150并不是必须被包括在根据本公开的设备中，并且可以包括在与根据本公开的设备连接的其它设备中。在此情形中，显示装置150和控制装置130可以间接地经由在其它设备中包括的控制装置连接而非直接地连接。相应地，应该理解显示装置150和控制装置130的电连接包括这种间接连接方法。
控制装置130可以与外部控制设备形成通信接口。而且，通过通信接口，与二次电池110的OCV和/或SOC相关联的数据可以传输到外部控制装置。外部控制装置可以是电动装置200的控制单元230。
作为示例，在其中二次电池110安装在电动车辆中的情形中，控制装置130可以向以集成方式控制电动车辆的操作机构的控制单元230传输与二次电池110的OCV和/或SOC相关联的数据。然后，控制单元230可以使用接收的二次电池110的OCV和/或SOC控制二次电池110的充电和放电，并且最大化二次电池110的使用效率。
在本公开中，二次电池110包括正极活性材料和负极活性材料，并且正极活性材料可以是单一正极材料或者包括至少两种正极材料的混合正极材料。
在后一情形中，混合正极材料可以包括第一正极材料和第二正极材料，每一种具有根据二次电池的电压电平与工作离子不同的反应浓度或者不同的操作电压范围。
作为示例，第一正极材料在高电压范围中与工作离子反应，并且第二正极材料在低电压范围中与工作离子反应。
根据一个方面，第一正极材料可以是由一般化学式A[AxMy]O2+z表示的碱金属化合物(A包括Li、Na和K中的至少一种；M包括选自Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、V、Zr、Zn、Cu、Al、Mo、Sc、Zr、Ru和Cr的至少一种元素；x≥0，1≤x+y≤2，-0.1≤z≤2；在M中包括的元素的化学计量系数x、y、z，和化学计量系数如此选择，使得化合物维持电中性)，或者在US6，677，082和US6，680，143中公开的碱金属化合物，xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1包括具有等于3的平均氧化态的至少一种元素；M2包括具有等于4的平均氧化态的至少一种元素；0≤x≤1)。
根据另一个方面，第二正极材料可以由一般化学式LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z表示的锂金属磷酸盐(M1包括选自Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg和Al的至少一种元素；M2包括选自Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg、As、Sb、Si、Ge、V和S的至少一种元素；M3包括选自包括F的卤族的元素的至少一种元素；0<a≤2，0≤x≤1，0≤y<1，0≤z<1；在M1、M2和M3中包括的元素的化学计量系数a、x、y、z，和化学计量系数如此选择，使得化合物维持电中性)或者Li3M2(PO4)3[M包括选自Ti、Si、Mn、Fe、Co、V、Cr、Mo、Ni、Mg和Al的至少一种元素]。
根据再一个方面，第一正极材料可以是Li[LiaNibCocMndO2+z[a≥0；a+b+c+d＝1；b、c和d中的至少一个不为零；-0.1≤z≤2]，并且第二正极材料可以是LiFePO4、LiMnxFeyPO4(0<x+y≤1)或者Li3Fe2(PO4)3。
根据又一个方面，第一正极材料和/或第二正极材料可以包括涂层。涂层可以包括碳层，或者可以包括包括选自由Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg、Al、As、Sb、Si、Ge、V和S组成的组的至少一种元素的氧化物层或者氟化物层。
在本公开中，在考虑所要制造的二次电池的使用目的和性能时，第一正极材料和第二正极材料的类型和混合比率如此选择，使得凸形模式(在峰值之前和在峰值之后存在拐点)在为二次电池110的每一个SOC测量的放电电阻曲线中出现，或者至少一个拐点在为二次电池110的每一个放电深度(DoD)测量的OCV曲线中出现。
在一个实施例中，在其中期望具有高的放电输出的二次电池的情形中，Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2和LiFePO4可以分别地选择为第一正极材料和第二正极材料，并且第一正极材料和第二正极材料的混合比率可以被设定为5：5。
在另一实施例中，在其中期望具有高温稳定性的二次电池的情形中，Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2和LiFePO4可以分别地选择为第一正极材料和第二正极材料，并且第一正极材料和第二正极材料的混合比率可以被设定为2：8。
在再一个实施例中，在其中期望低成本二次电池的情形中，Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2和LiFePO4可以分别地选择为第一正极材料和第二正极材料，并且第一正极材料和第二正极材料的混合比率可以被设定为1：9。
在又一个实施例中，在其中期望具有高放电输出和高-温度稳定性的二次电池的情形中，[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2和LiFePO4可以分别地选择为第一正极材料和第二正极材料，并且第一正极材料和第二正极材料的混合比率可以被设定为4：6。
在进一步的另一个实施例中，在其中期望具有高容量单位重量的二次电池的情形中，Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2和LiFePO4可以分别地选择为第一正极材料和第二正极材料，并且第一正极材料和第二正极材料的混合比率可以被设定为9：1。
选择第一正极材料和第二正极材料并且调节混合比率的方法只是一个示例。相应地，对于本领域普通技术人员而言明显的是，可以考虑表征混合正极材料的相对重量和电化学性质平衡，适当地选择第一正极材料和第二正极材料及其混合比率。
在本公开中，可以在混合正极材料中包括的正极材料的数目不限于两个。作为实施例，混合正极材料可以包括三种不同的正极材料，例如，混合正极材料包括LiMn2O4、Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0；x+y+z＝1；x、y和z中的至少一个不为零]和LiFePO4。作为另一个实施例，混合正极材料可以包括四种不同的正极材料，例如，混合正极材料包括LiNiO2、LiMn2O4、Li[LiaNixCoyMnzO2[a≥0；x+y+z＝1；x、y和z中的至少一个不为零]和LiFePO4。
而且，为了增强混合正极材料的性质，其它添加剂例如传导材料、粘结剂等可以被添加到混合正极材料，并且对此无任何具体限制。相应地，包括至少两种正极材料的任何混合正极材料可以理解为与正极材料的数目和其它添加剂的存在无关地包括在本公开的范围中。
在本公开的各种实施例的说明中，应该理解称为“装置”的元件是在功能上而非物理地加以区别的。相应地，每一个元件可以选择性地与其它元件集成，或者为了有效率地执行一个或多个控制逻辑，每一个元件可以被划分成子元件。然而，对于本领域普通技术人员而言明显的是，即使元件被集成或者划分，如果发现功能是相同的，则集成或者划分的元件仍然应该理解为落入本公开的范围内。
控制装置130的各种控制逻辑和/或计算逻辑中的至少一个的选择性组合可以成为根据本公开的用于估计二次电池的参数的方法的实施例。
图4是按时间顺序示意根据本公开示例性实施例用于估计二次电池的参数的方法的流程图。
首先，在S10中，控制装置130从存储装置160读出估计二次电池的参数所需要的控制逻辑并且执行控制逻辑。
随后，在S20中，在二次电池在充电电流增加到峰值并且然后减小的这种模式中暂时地充电时，控制装置130通过控制传感器装置120获取用于计算线性近似方程的至少两个电流-电压数据(外推数据)。
优选地，为了获取当二次电池110的极化积累减小时测量的电流-电压数据，当在放电状态中二次电池110的放电电流逐渐地降低为零并且二次电池110切换到充电模式时，控制装置130通过控制传感器装置120获取用于计算线性近似方程的至少两个电流-电压数据(外推数据)。
这里，控制装置130通过采样方法或者方向测量方法获取外推数据。以上提供了它的详细说明。
优选地，在外推数据中包括的电流-电压数据可以是在充电电流的幅值从峰值降低到零时测量的电流-电压数据。
作为示例，在外推数据中包括的电流-电压数据可以是在充电电流的幅值基于峰值降低到1/3或者更低，优选地1/6或者更低之后，测量的电流-电压数据。而且，在其下测量电流-电压数据的充电电流的幅值条件可以基于二次电池的类型或者性能改变。
同时，在其中二次电池110包括混合正极材料的情形中，如果二次电池110在过渡电压范围中充电，则在形成拐点时电压曲线具有增加模式。在其中拐点在电压曲线中出现的情形中，优选的是，作为外推数据，使用在出现拐点之后测量的电流-电压数据。
接着，在S30中，控制装置120使用外推数据计算线性近似方程。随后，在S40中，控制装置120通过校正线性近似方程的Y截距估计二次电池的OCV。
即，当极化在二次电池110的电极上积累时，在线性近似方程的Y截距和二次电池110的OCV之间发生误差。这是因为当极化积累时，由于极化，极化电压在二次电池110中受到驱动。相应地，控制装置120可以使用包括RC电路的等效电路模型(见图2或者3)量化由极化的积累引起的极化电压，并且通过使用量化的极化电压校正Y截距而估计OCV。因为参考方程详细描述了校正Y截距的校正方法，所以在这里省略重复的说明。
随后，在S50中，控制装置130可以进一步从估计的OCV估计二次电池110的SOC。可以使用如在前面中描述的查找表或者查找函数计算二次电池110的SOC。
在其中当估计二次电池110的SOC时二次电池110的温度被加以考虑的情形中，图4的流程图可以进一步包括在二次电池110的充电期间使用传感器装置120通过控制装置130获取，与二次电池110的温度相关联的数据的步骤。在其中考虑二次电池110的温度的情形中，以上提供了由控制装置130估计SOC的方法的详细说明。
而且，图4的流程图可以进一步作为可选的步骤包括在步骤S60到S80中的至少一个步骤。
即，在S60中，控制装置130可以在存储装置160中记录二次电池110的估计OCV和/或估计SOC。而且，在S70中，控制装置130可以通过显示装置150作为图形界面(字符、数字、曲线图等)输出二次电池110的估计OCV和/或估计SOC。而且，控制装置130可以向电动装置200的控制单元230传输二次电池110的估计OCV和/或估计SOC。
在本公开中，控制装置130的各种控制逻辑和/或计算逻辑中的至少一项可以被选择性地组合，并且组合控制逻辑可以以计算机可读代码书写并且记录在计算机可读记录介质中。
记录介质不限于具体的类型，如果它能够由在计算机中包括的处理器访问。作为示例，记录介质可以包括选自由ROM、RAM、寄存器、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录设备组成的组的至少一种。
而且，计算机可读代码可以在特定时间点调制成载波信号并且包括在通信载波中，并且可以在网络耦接的计算机系统之上分布从而计算机可读代码被以分布方式存储和运行。而且，用于实现组合控制逻辑的功能程序、代码和代码段可以容易地由本公开所属技术领域的程序员推断。
本发明的实施例的模式
在下文中，通过试验示例提供本公开的更加详细的说明。然而，试验示例仅仅用于示意本公开，并且本公开的范围不限于此。
<试验示例1>
二次电池的制造
根据以下规格制造包括单一正极材料的二次电池。
-正极材料：LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2
-负极材料：石墨
-电解质：添加到以3：4：3的重量比率混合的EC(碳酸乙酯)/DMC(碳酸二甲酯)/EMC(碳酸甲乙酯)的混合溶剂的LiPF6
-分离器：在两个表面上利用无机颗粒涂覆的多孔聚烯烃薄膜
-壳体：袋形壳体
充电/放电试验
图5是示意二次电池的充电/放电电流曲线和电压改变的测量的曲线图。
在混合动力车辆中使用二次电池的假设下，充电/放电电流曲线模拟在美国混合动力车辆工业中被用作车辆测试标准的在洛杉矶的驾驶模式。
在充电/放电电流曲线中，区段A是二次电池在此期间放电的周期，区段B是在此期间二次电池充电的周期，并且区段C是在此期间二次电池的充电和放电停止的周期。区段B的充电电流曲线模拟其中当混合动力车辆通过制动减速时二次电池再生充电的情况。相应地，区段B的充电电流曲线具有充电电流的幅值从零增加到预定峰值并且然后降低到零的这种模式。当制动器被踩踏时充电电流的增加发生，并且当制动器被抬起时充电电流的降低发生。
图6是绘制在二次电池的充电期间测量的二次电池的电流-电压数据的曲线图。参考图6，电流-电压数据被绘制成具有滞后回线的形式的曲线，并且发现对于充电电流的幅值在此期间从峰值降低到零的周期测量的电流-电压数据非常接近二次电池的实际OCV(由X指示的点)。
<试验示例2>
二次电池的制造
根据以下规格制造包括混合正极材料的二次电池。
-正极材料：以7：3的重量比率的LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2和LiFePO4的混合正极材料
-负极材料：石墨
-电解质：添加到以3：4：3的重量比率混合的EC/DMC/EMC的混合溶剂的LiPF6
-分离器：在两个表面上利用无机颗粒涂覆的多孔聚烯烃薄膜
-壳体：袋形壳体
二次电池的特性的观察
在二次电池的充电期间，从正极材料脱嵌的锂离子嵌入负极材料中。然而，随着二次电池的充电电压改变，LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2和LiFePO4在锂离子在此时脱嵌的浓度方面不同。即，对于低电压充电周期，锂离子从LiFePO4脱嵌，并且对于高电压充电周期，锂离子从LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2脱嵌。相应地，在过渡电压范围中，锂离子从其脱嵌的正极材料的类型从LiFePO4改变为LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2。
能够通过在二次电池的充电期间测量的电压曲线中出现的拐点间接地看到这个现象的发生。拐点出现的原因在于，当参与锂离子的脱嵌反应的正极材料改变时，二次电池的内阻改变，并且结果，电压改变量改变，即使相同幅值的充电电流通过二次电池流动。
图7是示意二次电池的充电/放电电流曲线和电压改变曲线的测量的曲线图。
参考附图，在二次电池对于在10秒和20秒之间的间隔放电之后，二次电池从20秒以恒定电流充电，并且在从20秒测量的电压曲线中观察到拐点(见虚线圆)。虚线曲线是仅仅使用LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2作为正极材料的二次电池的电压改变曲线。虚线曲线与实线曲线形成强烈对比。
围绕拐点，电压改变速率突然地改变。相应地，能够看到在拐点周围的电压范围中，锂离子从其脱嵌的正极材料从LiFePO4改变为LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2。其中拐点出现的电压范围可以基于构成混合正极材料的正极材料的类型和混合比率改变。
包括至少两种正极材料的混合正极材料的二次电池在放电电阻曲线和OCV曲线中呈现独特的行为。
图8和9分别地是示意对于二次电池的每一个SOC测量的包括混合正极材料的二次电池的放电电阻曲线，和对于二次电池的每一个DoD测量的OCV曲线的曲线图。
在图中，SOC表示充电状态，DOD表示放电深度，并且在数字上，DOD对应于(1-SOC)。
参考图8，能够观察到其中二次电池的放电电阻局部地增加并且然后降低的凸形模式出现，并且在凸形模式的峰值之前和之后存在两个拐点(见虚线圆)。而且，参考图9，还在OCV曲线中观察到拐点。
如所示那样，分别地在放电电阻曲线和OCV曲线中观察到凸形模式和拐点的原因在于，二次电池的内阻特性随着当二次电池充电时锂离子从其脱嵌的正极材料的类型的改变而改变。
充电/放电试验
图10是示意包括混合正极材料的二次电池的充电/放电电流曲线和二次电池的电压改变的测量的曲线图。
在混合动力车辆中使用二次电池的假设下，充电/放电电流曲线模拟在美国混合动力车辆工业中被用作车辆测试标准的在洛杉矶的驾驶模式。
在充电/放电电流曲线中，区段A是二次电池在此期间放电的周期，区段B是在此期间二次电池充电的周期，并且区段C是二次电池的充电和放电在此期间停止的静止周期。区段B的充电电流曲线模拟其中当混合动力车辆通过制动减速时二次电池再生充电的情况。相应地，区段B的充电电流曲线具有充电电流的幅值从零增加到预定峰值并且然后降低到零的这种模式。
参考图10的电压变化，在对应于区段B的二次电池的电压曲线中观察到拐点(虚线圆)。相应地，发现在区段B中的充电期间，锂离子从其脱嵌的正极材料围绕拐点从LiFePO4改变为LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2。
图11是绘制在二次电池在区段B中充电期间测量的包括混合正极材料的二次电池的电流-电压数据的曲线图。参考图11，电流-电压数据绘制成具有滞后回线的形式的曲线，并且发现对于在此期间充电电流的幅值从峰值降低到零的周期测量的电流-电压数据非常接近于二次电池的实际OCV(由X指示的点)。这个试验结果与包括单一正极材料的二次电池的试验结果相同。
<试验示例3>
在这个试验中，测量在使用本公开在试验示例1中制造的二次电池的估计SOC和二次电池的实际上测量的SOC之间的差异。
图12是示意当计算在电流-电压曲线上指示的线性近似方程时使用的两个电流-电压数据(外推数据)的曲线图。一个是当充电电流的幅值从峰值降低到15A时测量的数据，并且另一个是当电流的幅值从峰值降低到5A时测量的数据。构成外推数据的电流-电压数据全部是当充电电流的幅值基于峰值(65安培)降低到1/3(20安培)或者更低时测量的数据。
图13是示意当使用两个电流-电压数据计算线性近似方程时作为二次电池的OCV估计Y截距的概念的曲线图。
图14是示意评价如上在模拟在洛杉矶驾驶的驾驶模式中在二次电池重复放电(行驶)和再生充电(制动以停止)的同时在二次电池的再生充电期间使用本公开估计SOC时的准确度的结果的曲线图。
当估计二次电池的SOC时，通过应用图12所示条件，使用采样数据计算线性近似方程的Y截距作为二次电池的OCV估计Y截距，并且通过参考对于每一个OCV预先定义SOC的查找表将估计OCV映射到相应的SOC而以采样两个电流-电压数据的方式估计二次电池的SOC。
在图14中，水平轴线代表时间(分)，并且竖直轴线代表DOD。因为DOD对应于(1-SOC)，所以可以认为图14示出测量SOC的结果。
图14示出在“DoD误差图表”上的两条曲线；由三角形指示的曲线示出在本公开中估计SOC的改变，并且由圆圈指示的曲线示出实际SOC的改变。
在图14中，示意了四条时间线(竖直虚线)，并且二次电池在此时示意每一条时间线的点处静止1个小时，而无放电和再生充电。
参考图14的“DoD误差图表”，能够看到由本公开估计的二次电池的SOC良好地遵循实际SOC，并且误差小于或者等于5％。
当通过安培计数估计二次电池的SOC时，电流计数中的误差随着时间积累，而发现本公开无误差积累地非常准确地在5％的误差范围内估计二次电池的SOC。
<试验示例4>
通过试验发现当在二次电池110的电极上极化积累时对于线性近似方程的Y截距发生误差。
在这个试验中，使用包括以上试验示例2的混合正极材料的二次电池，并且在混合动力车辆中使用二次电池的假设下，二次电池根据模拟如上在洛杉矶的驾驶模式的充电/放电电流曲线充电和放电。在此情形中，放电被设定为超过充电以引起二次电池的SOC随着时间降低。
图15是示意二次电池的充电/放电电流和电压曲线随着时间的曲线图。在图15中，其中电流为正的区段代表二次电池的充电周期，并且作为对照，其中电流为负的区段代表二次电池的放电周期。而且，由虚框指示的区段D和E模拟其中二次电池再生充电的情况并且对应于对此根据本公开使用线性近似方程计算Y截距的区段。
图16示意从图15的区段D采样的电流和电压曲线和绘制它们的I-V图表，并且在左侧处的曲线图示出电流和电压曲线并且在右侧处的曲线图示出电流-电压曲线。
在I-V图表中，三角形曲线对应于在电压曲线和电流曲线中由实线指示的区段(再生充电周期)。而且，正方形曲线对应于在电压曲线和电流曲线中由虚线指示的区段。
参考图16，可用看到能够从电流-电压曲线计算的线性近似方程的Y截距几乎与二次电池的实际OCV一致(见圆圈的指示)。这个试验结果支持当二次电池在区段D中操作时在二次电池的电极上的极化积累不是严重的。相应地，在时间区段诸如区段D中，可以直接地使用线性近似方程的Y截距估计二次电池的OCV。
图17示意从图15的区段E采样的电流和电压曲线和绘制它们的I-V图表，并且在左侧处的曲线图示出电流和电压曲线并且在右侧处的曲线图示出电流-电压曲线。
类似于图16，在I-V图表中，三角形曲线对应于在电压曲线和电流曲线中由实线指示的区段(再生充电周期)。而且，正方形曲线对应于在电压曲线和电流曲线中由虚线指示的区段。
参考图17，可用看到在能够从二次电池的电流-电压曲线计算的线性近似方程的Y截距和二次电池的实际OCV(见圆圈的指示)之间存在差异。这个试验结果支持优选的是通过校正线性近似方程的Y截距估计二次电池的OCV，因为当二次电池在区段E中操作时在二次电池的电极上的极化积累是严重的。
图18是示意如上在模拟在洛杉矶驾驶的驾驶模式中在30分钟里在包括混合正极材料的二次电池的充电和放电期间使用根据本公开估计的OCV从查找表映射DoD的结果的曲线图。这里，DoD对应于(1-SOC)。
在这个试验中，当估计OCV时，每次具有峰值的充电电流施加到二次电池以再生充电时，在试验示例3中应用的条件下测量多个电流-电压数据，并且然后线性近似方程得以确定。随后，在作为OCV暂时地估计线性近似方程的Y截距之后(在校正之前)，应用图2所示RC电路模型，并且通过在暂时估计的OCV上反映由极化积累引起的电压误差而校正OCV。在此情形中，通过试错法将RC电路的时间常数调谐为100秒。
图18示出在“DoD误差图表”上的三条曲线；由圆圈指示的曲线示出实际DoD，由正方形指示的曲线示出从未校正OCV估计的DoD，并且由三角形指示的曲线示出从校正OCV估计的DoD。而且，在图18的“DoD误差图表”中，当从未校正OCV估计DoD时的误差由正方形指示，并且当从校正的OCV估计DoD时的误差由三角形指示。
参考图18，可用看到在充电/放电时间中，从未校正OCV估计的DoD的误差逐渐地增加，而从校正OCV估计的DoD的误差维持显著地低的状态。
相应地，从这个试验，可用看到当通过本公开估计OCV并且由此估计SOC时，可以准确地估计SOC，即便极化在二次电池的电极上积累。
以上试验结果支持根据本公开用于估计二次电池的参数的设备和方法即使在二次电池的动态充电和放电状况中仍然可以方便地并且准确地估计二次电池的OCV和/或SOC。
在上文中，已经详细描述了本公开。然而，应该理解，在示意本公开的优选实施例时，详细说明和具体示例是仅仅通过示意给出的，因为根据该详细说明，在本公开的精神和范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员而言将变得清楚。

Claims (25)

1.一种用于估计二次电池的参数的设备，包括：
传感器装置，所述传感器装置配置为当二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电时在充电电流降低的同时测量多个电流-电压数据；以及
控制装置，所述控制装置配置为
从所述传感器装置接收所述多个电流-电压数据的输入，
根据所述多个电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程，并且
通过在所述线性近似方程的Y截距上反映通过电阻器-电容器(RC)电路量化的所述二次电池的极化电压，估计所述二次电池的开路电压(OCV)。
2.根据权利要求1所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述控制装置配置为根据所估计的OCV来估计所述二次电池的充电状态(SOC)。
3.根据权利要求1所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为在所述充电电流的幅值基于所述峰值降低到1/3或者更低之后测量所述多个电流-电压数据。
4.根据权利要求3所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为在所述充电电流的幅值基于所述峰值降低到1/6或者更低之后测量所述多个电流-电压数据。
5.根据权利要求2所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述控制装置配置为使用定义了OCV和SOC之间的关系的查找表或者查找函数来估计对应于所估计的OCV的SOC。
6.根据权利要求2所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为测量所述二次电池的温度并且向所述控制装置提供所测量的温度，并且
所述控制装置配置为使用定义了OCV和温度和SOC之间的关系的查找表或者查找函数来估计对应于所述二次电池的温度和所估计的OCV的SOC。
7.根据权利要求1所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为当所述二次电池以充电电流从零增加到峰值并且然后降低到零的充电电流曲线再生充电时在所述充电电流从峰值降低到零的同时测量所述多个电流-电压数据。
8.根据权利要求7所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为当所述二次电池在所述二次电池的放电电流逐渐地降低到零之后以所述充电电流曲线再生充电时测量所述多个电流-电压数据。
9.根据权利要求1所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述二次电池包括其中至少两种正极材料混合的混合正极材料。
10.一种用于估计二次电池的参数的设备，包括：
传感器装置，所述传感器装置配置为在二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电的同时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据；以及
控制装置，所述控制装置配置为
从所述传感器装置接收电流-电压数据的输入，
识别在所述充电电流从峰值降低的同时所测量的多个电流-电压数据，
根据所述多个电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程，并且
通过在所述线性近似方程的Y截距上反映通过电阻器-电容器(RC)电路量化的所述二次电池的极化电压，估计所述二次电池的开路电压(OCV)。
11.根据权利要求10所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述控制装置配置为根据估计的OCV来估计所述二次电池的充电状态(SOC)。
12.根据权利要求10所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述控制装置配置为在所述充电电流的幅值基于所述峰值降低到1/3或者更低之后测量的电流-电压数据中识别所述多个电流-电压数据。
13.根据权利要求10所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述控制装置配置为在所述充电电流的幅值基于所述峰值降低到1/6或者更低之后测量的电流-电压数据中识别所述多个电流-电压数据。
14.根据权利要求11所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述控制装置配置为使用定义了OCV和SOC之间的关系的查找表或者查找函数估计对应于所估计的OCV的SOC。
15.根据权利要求11所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为测量所述二次电池的温度并且向所述控制装置提供所测量的温度，并且
所述控制装置配置为使用定义了OCV和温度和SOC之间的关系的查找表或者查找函数估计对应于所述二次电池的温度和所估计的OCV的SOC。
16.根据权利要求10所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为当所述二次电池以充电电流从零增加到峰值并且然后降低到零的这种模式再生充电时在所述充电电流从峰值降低到零的同时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据。
17.根据权利要求16所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述传感器装置配置为当在所述二次电池的放电电流逐渐地降低到零之后所述二次电池再生充电时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据。
18.根据权利要求10所述的用于估计二次电池的参数的设备，其中所述二次电池包括其中至少两种正极材料混合的混合正极材料。
19.一种电动装置，包括根据权利要求1所述的设备。
20.一种用于估计二次电池的参数的方法，包括：
当二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电时在充电电流降低的同时测量多个电流-电压数据；
根据所测量的多个电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程；并且
通过在所述线性近似方程的Y截距上反映通过电阻器-电容器(RC)电路量化的所述二次电池的极化电压，估计所述二次电池的开路电压(OCV)。
21.根据权利要求20所述的用于估计二次电池的参数的方法，进一步包括：
根据估计的OCV来估计所述二次电池的充电状态(SOC)。
22.根据权利要求20或者21所述的用于估计二次电池的参数的方法，进一步包括：
显示、存储或者输出所估计的OCV或所估计的SOC。
23.一种用于估计二次电池的参数的方法，包括：
在二次电池以充电电流增加到峰值并且然后降低的这种模式充电的同时以一定时间间隔反复地测量电流-电压数据；
在所测量的电流-电压数据中识别在所述充电电流从所述峰值降低的同时测量的多个电流-电压数据；
根据所识别的多个电流-电压数据计算表示电流和电压之间的关系的线性近似方程；并且
通过在所述线性近似方程的Y截距上反映通过电阻器-电容器(RC)电路量化的所述二次电池的极化电压，估计所述二次电池的开路电压(OCV)。
24.根据权利要求23所述的用于估计二次电池的参数的方法，进一步包括：
根据估计的OCV来估计所述二次电池的充电状态(SOC)。
25.根据权利要求23或者24所述的用于估计二次电池的参数的方法，进一步包括：
显示、存储或者输出所估计的OCV或所估计的SOC。
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