CN105637380B - 用于估算混合二次电池的电压的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开估算混合二次电池的电压的装置和方法，所述混合二次电池包含电化学特性彼此不同且彼此并联连接的第一二次电池和第二二次电池。根据本发明的装置包含：传感器单元，其用于按时间间隔测量所述混合二次电池的工作电压和工作电流；和控制单元，其用于使用工作电流和从电路模型导出的电压方程估算所述混合二次电池的电压，所述电路模型包含：第一电路单元，其用于通过第一开路电压元件和可选的第一阻抗元件模拟所述第一二次电池的电压变化；和第二电路单元，其用于通过第二开路电压元件和可选的第二阻抗元件模拟所述第二二次电池的电压变化，所述第二电路单元与所述第一电路单元并联连接。

Description

用于估算混合二次电池的电压的装置及其方法
技术领域
本公开涉及用于估算混合二次电池的电压的装置和方法。
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
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(electricauto-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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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”。
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。
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。
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
技术问题
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。
技术方案
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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此并联连接的第一二次电池和第二二次电池，并且所述方法可以包括：测量混合二次电池的工作电流；基于从电路模型导出的第一和第二电流分配方程确定分别流经第一电路单元和第二电路单元的第一电流和第二电流；通过合计第一电流和第二电流定时更新第一二次电池的第一荷电状态和第二二次电池的第二荷电状态；确定分别对应于第一荷电状态和第二荷电状态的第一开路电压和第二开路电压，通过使用第一电流定时更新由包含在第一电路单元中的第一阻抗元件形成的第一阻抗电压，通过使用第二电流定时更新由包含在第二电路单元中的第二阻抗元件形成的第二阻抗电压；和通过使用确定的第一和第二开路电压和定时更新的第一和第二阻抗电压及工作电流估算混合二次电池的电压。
本公开的技术目标也可以由其中记录根据本公开的用于估算混合二次电池的电压的方法的程序代码的计算机可读的记录介质实现。
有益效果
本公开给出以下效果。根据本公开的一个方面，使用从电路模型导出的电压方程和工作电流可以方便地估算混合二次电池的电压。
根据本公开的另一个方面，即使在特别接近拐点的荷电状态范围内，也可以准确地估算具有包含拐点的电压曲线的混合二次电池的电压。
根据本公开的还另一个方面，由于可以可靠地估算混合二次电池的电压，所以可以提供适合于使用目的的具有最佳二次电池组合的混合二次电池。
根据本公开的还另一个方面，可以提供如下的二次电池，所述二次电池可以满足包括电动汽车、蓄电装置等的新兴应用领域所要求的各种规格。
附图说明
附图与前述公开一起说明本公开的优选实施方式，且用来提供对本公开的技术特征的进一步理解。然而，不将本公开解释为限于所述附图。其中
图1为示意性说明根据本公开的实施方式的用于估算混合二次电池的电压的装置的构造的方框图；
图2为说明其中将独立地包装在彼此不同的包装中的第一二次电池和第二二次电池并联连接的实例的示意图；
图3为说明其中将第一二次电池和第二二次电池包装在一个包装中且在其中并联连接的实例的示意图；
图4为说明根据本公开的实施方式的电路模型(circuit model)的电路图；
图5为根据本公开的实施方式的按顺序说明用于估算混合二次电池的电压的方法的流程图；
图6为说明旨在验证根据本公开的实施方式的用于估算混合二次电池的电压的方法的效果的电压估算试验的结果的图。
具体实施方式
下文中，将参照附图对本公开的优选实施方式进行详细说明。在说明前，应理解，在说明书和附属权利要求中使用的术语不应被解释为限于普通和字典的意思，而应在允许发明人为了最好的解释而适当地定义术语的原则的基础上基于对应于本公开的技术方面的意思和概念进行解释。因此，本文中提出的说明只是仅用于说明目的的优选实例，不是为了限制本公开的范围，因此应该理解为在不背离本公开的主旨和范围的条件下可以对其完成其它等价和修改。
图1为示意性说明根据本公开的实施方式的用于估算混合二次电池的电压的装置100的构造的方框图。
如图中所示，装置100包含传感器单元120和控制单元130，且与混合二次电池110电连接，从而估算混合二次电池110的电压。
混合二次电池110至少包含第一二次电池和第二二次电池，它们彼此并联连接且具有彼此不同的电化学特性。
本文中所用的“电化学特性”指的是如下中的至少一个：电池容量、电池使用电压范围、根据荷电状态的最大/最小电池充电速率或最大/最小电池放电速率、低速率放电特性、高速率放电特性、基于温度的最大/最小充电速率或最大/最小放电速率、充电或放电曲线、根据荷电状态变化的电阻曲线、根据荷电状态变化的开路电压曲线和表示电池的容量特性关于电压的dQ/dV分布。
优选地，第一和第二二次电池可以为锂二次电池，其具有经由锂离子的电化学反应。在本实例中，第一和第二二次电池可以在正极材料、负极材料和电解质的至少一个方面是不同的。
根据一个实施方式，第一二次电池可以包含通过如下化学通式表示的碱金属化合物作为正极材料：A[AxMy]O2+z(其中，A包含选自Li、Na和K中的至少一种或多种元素；M包含选自Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、V、Zr、Zn、Cu、Al、Mo、Sc、Zr、Ru和Cr中的至少一种或多种元素；x≥0，1≤x+y≤2，-0.1≤z≤2；且以使得所述化合物保持电中性的方式选择x、y、z和包含在M中的成分的化学计量系数)。
或者，第一二次电池可以包含碱金属化合物xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(其中，M1包含平均氧化态为3的至少一种或多种元素；M2包含平均氧化态为4的至少一种或多种元素；且0≤x≤1)作为正极材料，如US 6,677,082、US6,680,143等中公开的一样。
此外，第二二次电池可以包含由如下化学通式表示的锂金属磷酸盐作为正极材料：LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(其中M1包含选自Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Mg和Al中的至少一种或多种元素；M2包含选自Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Mg、Al、As、Sb、Si、Ge、V和S中的至少一种或多种元素；M3包含选自可选地包含F的卤族的一种元素；0<a≤2，0≤x≤1，0≤y<1，0≤z<1；以使得所述化合物保持电中性的方式选择a、x、y、z和包含在M1、M2和M3中的成分的化学计量系数)或Li3M2(PO4)3[其中M包含选自Ti、Si、Mn、Fe、Co、V、Cr、Mo、Ni、Mg和Al中的至少一种或多种元素]。
可选地，包含在第一和/或第二二次电池中的正极材料可以包含涂层。涂层可以包含碳层，或可以包含含有选自如下中的至少一种或多种元素的氧化物层或氟化物层：Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Mg、Al、As、Sb、Si、Ge、V和S。
此外，第一和第二二次电池在负极中可以包含不同类型的负极材料从而具有彼此不同的电化学特性。负极材料可以包含碳质材料、锂金属、硅或锡，或诸如具有小于2V的电势的TiO2、SnO2的金属氧化物。对于碳质材料，可以使用低结晶碳或高结晶碳。低结晶碳的代表性实例包括软碳和硬碳，高结晶碳的代表性实例包括高温烧结碳诸如天然石墨、人造石墨、Kish石墨、热解碳、中间相沥青基碳纤维、中间相碳微球、中间相沥青、源自石油的焦炭、源自焦油沥青的焦炭等。
此外，第一和/或第二二次电池可以包含不同类型的电解质从而具有彼此不同的电化学特性，且电解质可以包含具有诸如A+B-的结构的盐。在上述结构中，A+包含诸如Li+、Na+、K+的碱金属阳离子，或由它们的组合组成的离子。B-包含选自如下中的一种或多种阴离子：F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、AlO4 -、AlCl4 -、PF6 -、SbF6 -、AsF6 -、BF2C2O4 -、BC4O8 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、(CF3SO2)3C-、CF3(CF2)7SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-和(CF3CF2SO2)2N-。
此外，电解质可以包含有机溶剂。对于有机溶剂，可以使用碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、二甲亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸甲乙酯(EMC)、γ-丁内酯或它们的混合物。
根据本公开，只要第一二次电池和第二二次电池具有不同的电化学特性且彼此并联连接，则它们的构造就不限于各二次电池的包装形式和各二次电池的单位电池胞(unitcell)的数目。
此外，必须将第一二次电池和第二二次电池理解为如下概念：还包含多个电池元件的组件，使得第一二次电池和第二二次电池各自包含单位电池胞(unit cell)、包含多个单位电池胞的模块、包含多个模块的电池组(pack)等。
根据一方面，第一二次电池和第二二次电池为如图2中所示的相互独立且可以被包装在不同包装中的电池，或如图3中所示的一起包装在单个包装中的电池。
在一个实例中，第一和第二二次电池可以为独立地包装在不同柔性袋包装膜中的不同类型的锂二次电池。或者，第一和第二二次电池可以为一起包装在一个袋包装膜中的不同类型的锂二次电池。
此外，当在一个包装中将不同类型的第一和第二单位电池胞交替堆叠并并联连接时，可以将交替堆栈中的第一单位电池胞组和第二单位电池胞组分别视为对应于第一二次电池和第二二次电池。
第一单位电池胞和第二单位电池胞各自至少包含正极板和负极板及置于其间的隔膜。第一单位电池胞和第二单位电池胞具有不同的电化学特性。因此，第一单位电池胞和第二单位电池胞的正极板和负极板可以包含彼此不同的活性材料的涂层。
根据另一方面，第一二次电池和第二二次电池各自可以包含作为最小单元的至少一个含有负极/隔膜/正极的单位电池胞，或其中将至少两个或多个单位电池胞串联连接和/或并联连接并且堆叠的单位电池胞的组件。
根据又另一个方面，第一二次电池可以包含二次电池模块，其中将各自具有第一电化学特性且单独包装的多个二次电池串联和/或并联连接。类似地，第二二次电池可以包含二次电池模块，其中将各自具有第二电化学特性且单独包装的多个二次电池串联和/或并联连接。
可以利用负载140电连接二次电池110。负载140包含在各种电驱动装置中，它指的是包含在电驱动装置中且基于二次电池110放电期间供应的电能工作的耗能设备。
电驱动装置可以为例如：电驱动移动装置诸如电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)或电动自行车；手持设备诸如移动电话、智能电话或智能平板；可移动计算机诸如便携式计算机；可移动摄像设备诸如摄像机或数码相机；或用于电网或不间断电源的大容量储能系统(ESS)，但不限于此。
尽管本公开不限于负载的具体类型，但负载可以为旋转动力装置诸如电动机、电力转换装置诸如换流器等而没有限制。
另外，装置100还可以可选地包含存储单元160。存储单元160不限于任何具体类型的存储介质，只要其能够记录和擦除信息即可。在一个实例中，存储单元160可以为RAM、ROM、寄存器、硬盘、光学记录介质或磁记录介质。此外，可以通过例如数据总线等将存储单元160与控制单元130连接以允许控制单元130的访问。存储单元160存储和/或更新和/或擦除和/或传输由控制单元130执行的包含各种控制逻辑的程序和/或在执行控制逻辑时生成的数据。存储单元160逻辑上可分为两个或多个，且包含在控制单元130中而没有限制。
另外，装置100还可以可选地包含显示单元150。显示单元150不限于任何具体的类型，只要其能够作为图形界面显示由控制单元130生成的信息即可。在一个实例中，显示单元150可以为液晶显示器、LED显示器、OLED显示器、E-INK显示器、柔性显示器等。显示单元150可以直接或间接地与控制单元130连接。在后者的情况下，显示单元150可以位于与控制单元130所处的区域物理地隔开的区域。此外，可以将第三方控制单元(未示出)配置在显示单元150与控制单元130之间，在该情况下第三方控制单元可以接受要显示在显示单元150上的来自控制单元130的信息并且将接受的信息显示在显示单元150上。为此，可以通过通讯接口连接第三方控制单元和控制单元130。
在控制单元130的控制下，传感器单元120可以以一定的时间间隔重复地测量混合二次电池110的工作电流I，并且向控制单元130输出测得的工作电流I。本文中所用的“工作电流I”指的是混合二次电池110的充电电流或放电电流。
可选地，在控制单元130的控制下，传感器单元120可以测量混合二次电池110的电压，并且向控制单元130输出测得的电压。进行这一电压测量以设定用于电路模型的一些参数的初始条件，这将在以下进行详细说明。
传感器单元120可以包含电压测量装置和电流测量装置。所述电压测量装置可以被构造为基于参比电势测量混合二次电池110的电压的电路。所述电流测量可以被构造为被安装在充电电流或放电电流所流经的线上的检测电阻。然而，本公开不限于电压测量装置和电流测量装置的具体构造。
电压测量装置和电流测量装置可以包含在一个传感器单元120中，但可以彼此物理地隔开。在这种实例中，必须将传感器单元120理解为包含彼此隔开的电压测量装置和电流测量装置的概念。
控制单元130为能够执行用于估算混合二次电池110的电压所必需的至少一个或多个控制逻辑的组成元件，并且在非限制性实例中，可以使用预定义的电路模型估算混合二次电池110的电压。
在优选的实施方式中，电路模型可以包含串联和/或并联连接从而模拟混合二次电池110的电压变化的至少一个或多个电路单元。
图4为说明根据本公开的实施方式的电路模型200的电路图。
参照图4，为了模拟混合二次电池110的电压变化，电路模型200包含并联连接的第一电路单元210和第二电路单元220。
提供第一电路单元210以模拟第一二次电池的电压变化，且第一电路单元210包含均为串联连接的第一开路电压元件210a和可选的第一阻抗元件210b。
类似地，提供第二电路单元220以模拟第二二次电池的电压变化，且第二电路单元220包含均为串联连接的第二开路电压元件220a和可选的第二阻抗元件220b。
在混合二次电池110充电或放电期间，在第一开路电压元件210a的两端处形成按照第一二次电池的第一荷电状态zc1的量值变化的第一开路电压OCVc1(zc1)，且在第二开路电压元件220a的两端处形成按照第二二次电池的第二荷电状态zc2的量值变化的第二开路电压OCVc2(zc2)。
优选地，基于第一二次电池的第一荷电状态zc1与相应的开路电压之间预定义的相关性可以确定第一开路电压OCVc1(zc1)。
类似地，基于第二二次电池的第二荷电状态zc2与相应的开路电压之间预定义的相关性可以确定第二开路电压OCVc2(zc2)。
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。
根据一个实施方式，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。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这种查找表。在本实例中，可以通过试验获得开路电压数据。
根据另一个实施方式，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。通过对包含在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中的坐标数据的数值分析可以获得这种查找函数。
优选地，第一阻抗元件210b和第二阻抗元件220b可以各自包含至少一个电路元件以模拟在第一二次电池和第二二次电池的工作期间生成的IR电压和/或极化电压。
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。
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，且在二次电池的放电期间低于开路电压。
包含在第一阻抗元件210b和第二阻抗元件220b中的电路元件的数目和类型以及电路元件间的连接关系可以根据第一二次电池和第二二次电池的电化学性质而确定，优选可以通过关于AC阻抗测量试验的试错法进行确定。此外，通过如下可以将各电路元件的电学特性值调节至最佳值：利用AC阻抗测量试验设定合适的值，然后通过调整使根据本公开的电压估算与在准确试验条件下获得的电压测量之间的误差减到最小。
根据一个方面，第一阻抗元件210b和/或第二阻抗元件220b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选择性组合。当第一阻抗元件210b和/或第二阻抗元件220b包含多个电路元件时，各电路元件可以彼此串联和/或并联连接。
在具体实施方式中，第一阻抗元件210b可以包含至少一个由并联连接的电阻器和电容器构成的RC电路RCn,c1，和与其串联连接的电阻器R0,c1。如本文中所用的，n为表示第n个RC电路的序号。
类似地，第二阻抗元件220b可以包含至少一个由并联连接的电阻器和电容器构成的RC电路RCm,c2，和与其串联连接的电阻器R0,c2。如本文中所用的，m为表示第m个RC电路的序号。
RC电路RCn,c1、RCm,c2对应于提供用来模拟在第一二次电池和第二二次电池的工作期间生成的极化电压的电路元件。包含在RC电路RCn,c1、RCm,c2中的电阻器和电容器的元件的电学特性值和数目以及RC电路RCn,c1、RCm,c2的数目可以根据第一二次电池和第二二次电池的极化电压特性而变化。此外，当第一二次电池和第二二次电池的极化电压小至可省略不计时，可以省略RC电路RCn,c1、RCm,c2。
串联电阻器R0,c1、R0,c2对应于提供用来模拟在第一二次电池和第二二次电池的工作期间生成的IR电压的电路元件。串联电阻器R0,c1、R0,c2的电学特性值可以根据IR电压特性而变化。此外，根据需要，串联电阻器R0,c1、R0,c2的数目可以为两个或更多。当第一二次电池和第二二次电池的IR电压小至可省略不计时，可以省略串联电阻器R0,c1、R0,c2。
优选地，通过使用从第一阻抗元件210b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130可以确定由第一阻抗元件210b形成的第一阻抗电压Vi,c1。类似地，通过使用第二阻抗元件220b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130可以确定由第二阻抗元件220b形成的第二阻抗电压Vi,c2。如本文中所用的，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。
基于通过包含在第一阻抗元件210b中串联连接的电路元件形成的电压的总和可以确定第一阻抗电压Vi,c1，且基于通过包含在第二阻抗元件220b中串联连接的电路元件形成的电压的总和可以确定第二阻抗电压Vi,c2。
优选地，当第一阻抗元件210b和第二阻抗元件220b包含串联电阻器时，在确定第一阻抗电压Vi,c1和第二阻抗电压Vi,c2时可能不会将由串联电阻器形成的电压考虑在内。
当第一阻抗元件210b和/或第二阻抗元件220b包含至少一个或多个RC电路时，可以基于如下方程(1)的时间离散方程确定由各RC电路形成的电压。由于以下时间离散方程是公知的，所以在此不再详细说明该方程的推导方法。
在方程(1)中，k表示时间序号，Δt表示时间序号k与时间序号k+1之间的时间间隔，R和C分别表示包含在RC电路中的电阻器的电阻值和电容器的电容值，IRC[k]表示流经RC电路的电流。
同时，工作电流I等于流经第一电路单元210的第一电流Ic1和流经第二电路单元220的第二电流Ic2的总和。因此，工作电流I和第一电流Ic1及第二电流Ic2之间的关系可以由如以下方程(2)的时间离散方程表示。
I[k]＝Ic1[k]+Ic2[k] (2)
在方程(2)中，在混合二次电池110充电期间，I[k]、Ic1[k]和Ic2[k]具有正值。相反，在混合二次电池110放电期间，I[k]、Ic1[k]和Ic2[k]具有负值。
通过使用从电路模型200导出的第一电流分配方程和第二电流分配方程，控制单元130可以确定第一电流Ic1[k]和第二电流Ic2[k]。
下面将说明推导时间离散方程形式的第一电流分配方程和第二电流分配方程的过程。
首先，在时间序号k处，可以由以下方程(3)和(4)表示第一电流和第二电流。
在上述方程中，V[k]表示混合二次电池的电压。表示由包含在第一电路单元210中的至少一个或多个RC电路RCn,c1形成的电压的总和，其中Vn RC,c1表示在第n个RC电路处形成的电压。n为1与p之间的自然数，且p的最小值为1。类似地，表示由包含在第二电路单元220中的至少一个或多个RC电路RCm,c2形成的电压的总和，其中Vm RC,c2表示在第m个RC电路处形成的电压。m为1与q之间的自然数，且q的最小值为1。zc1[k]和zc2[k]分别表示第一二次电池和第二二次电池的荷电状态。R0,c1和R0,c2分别表示包含在第一电路单元210和第二电路单元220中的串联电阻器的电阻值。
通过将方程(3)和(4)代入方程(2)并关于混合二次电池的电压V[k]进行重排，可以获得如下方程(5)的电压方程。
接下来，通过将方程(5)分别代入方程(3)和(4)，可以获得如下的第一电流分配方程(6)和第二电流分配方程(7)。
方程(6)和(7)可以用于定量确定当混合二次电池的工作电流I流动时被分开并流向第一二次电池和第二二次电池的电流的大小。
此外，方程(6)和(7)还可以用于通过使用方程(8)和(9)根据安培计数法定时更新第一二次电池的荷电状态zc1[k]和第二二次电池的荷电状态zc2[k]。
在方程(8)和(9)中，Qc1和Qc2分别表示第一二次电池和第二二次电池的容量。Δt表示时间序号k与k+1之间的时间间隔。
在方程(6)和(7)中，通过使用第一二次电池和第二二次电池的开路电压曲线可以确定OCVc1(zc1[k])和OCVc2(zc2[k])，且通过使用方程(1)和第一电流Ic1[k]及第二电流Ic2[k]可以确定和
同时，为了使控制单元130通过使用上述表示为时间离散方程形式的方程估算混合二次电池的电压，期望对以下设定初始条件：第一二次电池的荷电状态zc1[k]，第二二次电池的荷电状态zc2[k]，由包含在第一电路单元210中的至少一个或多个RC电路形成的电压和由包含在第二电路单元220中的至少一个或多个RC电路形成的电压
在一个实施方式中，控制单元130可以如由以下方程(10)所表示的那样设定初始条件，但本公开不必限于此。
参照初始条件，V[0]为在混合二次电池开始充电或放电时通过传感器单元120初始测定的混合二次电池的工作初始电压，且近似地，对应于在二次电池开始充电或放电时的开路电压。运算符OCVc1 -1为OCVc1(zc1[k])的逆变换运算符，所述OCVc1(zc1[k])为将第一二次电池的荷电状态转换为其对应的开路电压的运算符，且运算符OCVc2 -1为OCVc2(zc2[k])的逆变换运算符，所述OCVc2(zc2[k])为将第二二次电池的荷电状态转换为其对应的开路电压的运算符。通过使用可通过试验预先获得的第一二次电池和第二二次电池的开路电压曲线可以确定运算符OCVc1 -1和OCVc2 -1的计算结果。
下文中，参照图5，将会对如下方法进行详细说明：在混合二次电池充电或放电开始之后，控制单元130立即以一定的时间间隔Δt估算混合二次电池的电压。
首先，在S10处，通过经由使用传感器单元120监控流经混合二次电池110的工作电流的方向和量值，控制单元130确定混合二次电池110的工作(即充电或放电)是否已经开始。
当确定二次电池110的工作已经开始了时，在S20处，控制单元130把时间序号k初始化为0。
接下来，在S30处，控制单元130通过传感器单元120测量对应于二次电池110的工作初始电压的V[0]和对应于工作初始电流的I[0]，并将它们存储在存储单元160中。
在测量和存储V[0]和I[0]后，在S40处，通过使用从电路模型导出的方程，控制单元130如下设定初始条件以估算混合二次电池的电压。
(n为RC电路的序号)
(m为RC电路的序号)
在初始条件设定期间，控制单元130可以参考包含在第一电路单元210和第二电路单元220中的各电路元件的电学特性值。为此，可以优选预先将所述电学特性值存储在存储单元160处。各电路元件的电学特性值可以存储为固定值或者可变值。当电学特性值存储为可变值时，电学特性值可以根据混合二次电池的荷电状态、温度、容量衰减率等而变化。
接下来，在S50处，通过使用第一电流分配方程(6)和第二电流分配方程(7)，控制单元130如下确定第一电流Ic1[0]和第二电流Ic2[0]。同时，使用在S40处设定的初始条件、第一二次电池和第二二次电池预定义的开路电压曲线OCVc1[zc1]和OCVc2[zc2]和包含在第一电路单元210及第二电路单元220中的各电路元件的电学特性值。
接下来，在S60处，控制单元130将时间序号k递增1。接下来，在S70处，通过使用在S50处确定的第一电流Ic1[0]和第二电流Ic2[0]以及方程(1)、(8)和(9)，控制单元130进行如下各项的定时更新：第一二次电池的荷电状态zc1，第二二次电池的荷电状态zc2，和由包含在第一电路单元及第二电路单元中的各RC电路形成的电压，如下所述。下文中，将会把定时更新的这四个参数称为“输入参数”。
在上述方程中，Rn,c1和Cn,c1分别表示包含在第一电路单元中的第n个RC电路的电阻值和电容值。类似地，Rm,c2和Cm,c2分别表示包含在第二电路单元中的第m个RC电路的电阻值和电容值。n和m可以为等于或大于1的自然数。当第一电路单元和/或第二电路单元不包含RC电路时，可以省略由RC电路形成的电压的定时更新。
接下来，在S80处，通过经由传感器单元120测量混合二次电池的工作电流，控制单元130进行工作电流的测量更新。
在S90处，控制单元130将如下估算混合二次电池的电压：将定时更新的输入参数和测量更新的工作电流代入对应于电压方程的方程(5)中，如下所述。
在上述方程中，通过使用第一二次电池和第二二次电池预定义的开路电压曲线可以确定OCVc1(zc1[1])和OCVc2(zc2[1])。此外，通过使用定时更新的RC电路电压可以确定和I[1]为通过传感器单元120测量更新的工作电流。第一和第二电路单元的串联电阻值R0,c1、R0,c2为通过试验预定义的固定值或可变值。
在使用方程(5)的电压估算完成时，在S100处，控制单元130确定是否已经流逝了输入参数的定时更新间隔即Δt。
当确定已经经过了时间Δt时，在S110处，控制单元130通过传感器单元120监控二次电池的工作电流并确定是否继续二次电池的充电或放电。
当确定继续对二次电池进行充电或放电时，控制单元130使过程进行至S50，且因此将从第一电流和第二电流定时更新至混合二次电池电压估算的步骤再迭代一次。
只要二次电池充电或放电继续，则每当流逝输入参数的时间更新周期Δt时，就重复上述迭代算法。
同时，在S110处，当确定二次电池充电或放电基本结束时，在S120处，控制单元130确定自充电或放电结束后是否已经经过了足够的时间。
本文中所用的“足够的时间”指的是直至混合二次电池的电压稳定至对应于开路电压的电压水平所耗费的时间。
当确定自充电或放电结束后已经经过了足够的时间时，控制单元130结束使用电路模型的混合二次电池的电压估算过程。
控制单元130可以将在各个步骤处确定的结果存储在存储单元160中，传输至另外的外部控制单元或通过显示单元150显示为图形界面。本文中所用的“图形界面”包括文字、图片、图表或它们的组合。
此外，控制单元130可以使用通过使用电路模型估算的混合二次电池的电压控制混合二次电池的充电或放电。此外，当确定二次电池的荷电状态或容量衰减时，控制单元130可以参考估算的混合二次电池的电压。在这种情况下，可以作为控制二次电池的整体工作的电池管理系统的一部分而包含控制单元130。
或者，控制单元130可以将估算的二次电池的电压传输至负责控制二次电池的控制单元。例如，对于安装于电动汽车或混合动力汽车的混合二次电池，控制单元130可以将估算的混合二次电池的电压传输至汽车的中央控制单元。
为了执行包含上述的那些的各种控制逻辑，控制单元130可以可选地包含已知处理器、特定用途集成电路(ASIC)、其它芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器、数据处理器等。此外，当作为软件执行控制逻辑时，可以作为一组程序模块执行控制单元130。在这种情况下，可以将程序模块存储在存储器中并由处理器执行。存储器可以在处理器的内部或外部且可以利用各种已知计算机部件与处理器连接。此外，存储器可以包含在本公开的存储单元160中。此外，“存储器”通指其中存储信息的任何类型的设备，并且不是要指任何具体的存储设备。
此外，很明显控制单元130的控制逻辑可以构建根据本公开的实施方式的用于估算混合二次电池的电压的方法的过程。
此外，可以将控制单元130的至少一个或多个控制逻辑组合并且组合的控制逻辑可以由计算机可读的代码系统编写且记录在计算机可读的记录介质上。记录介质不限于任何具体类型，只要它可以被包含在计算机中的处理器访问即可。在一个实施例中，记录介质可以包含选自ROM、RAM、寄存器、CD-ROM、磁带、硬盘、软盘和光学数据记录设备中的至少一种或多种。此外，代码系统可以被调制成载波信号并在特定的时间点被包含在通讯载体中，并且在分布式网络计算机中存储和执行。此外，与本公开相关的技术领域中的程序员将能够容易想到执行组合的控制逻辑的功能程序、代码和代码段。
例子
首先，制造了在正极和负极中分别包含Li[NixMnyCoz]O2和碳材料的30Ah袋型第一锂二次电池，和在正极和负极中分别包含LiFePO4和碳材料的5Ah袋型第二锂二次电池。
接下来，将第一锂二次电池和第二锂二次电池并联连接以构建之后将被装进充放电测试仪的恒温箱中的混合二次电池。接下来，在温度维持在25℃下的条件下将混合二次电池放电至其开路电压变为3.7V，之后静置足够时间。接下来，在200A高速率放电条件下对混合二次电池进行数个10秒的短时间脉冲放电。
图6为表示随着时间经过在根据本公开的脉冲放电试验期间估算的混合二次电池的电压的图。
参照图6，在混合二次电池脉冲放电期间，注意到估算的电压曲线与在实际脉冲放电期间观察到的电压曲线基本上相同。此外，注意到在脉冲放电结束后立即获得的电压估算的变化图案正以与在混合二次电池的实际电压中观察到的变化图案基本相同的图案趋向开路电压。此外，观察到根据实施例制造的混合二次电池的实际电压变化具有在脉冲放电结束后出现的拐点，且观察到估算的电压曲线也具有拐点。这些试验结果表明根据本公开的电路模型可以可靠地模拟混合二次电池的电压，特别地，即使当电压变化曲线具有拐点时，也可以可靠且有效地模拟混合二次电池的电压。
已经对本公开进行了详细说明。然而，应该理解，仅通过说明的方式给出表明公开的优选实施方式的详细说明和具体实例，且由这一详细说明，在公开的范围内的各种改变和修改对本领域的技术人员而言将会变得显而易见。
附图标记
100：用于估算混合二次电池的电压的装置
110：混合二次电池 120：传感器单元
130：控制单元 140：负载
150：显示单元 160：存储单元

Claims (15)

1.一种用于估算混合二次电池的电压的装置，其中，所述混合二次电池包含电化学特性彼此不同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，其被构造为测量所述混合二次电池的工作电流；和
控制单元，其被构造为使用所述工作电流和从电路模型导出的电压方程估算所述混合二次电池的电压，所述电路模型包含：第一电路单元，其被构造为利用第一开路电压元件和第一阻抗元件模拟所述第一二次电池的电压变化；和第二电路单元，其与所述第一电路单元并联连接，且被构造为利用第二开路电压元件和第二阻抗元件模拟所述第二二次电池的电压变化，
其中，所述第一开路电压元件被配置为根据所述第一二次电池的荷电状态形成第一开路电压；
其中，所述第二开路电压元件被配置为根据所述第二二次电池的荷电状态形成第二开路电压；
其中，所述控制单元
根据所述电路模型确定分别流经所述第一电路单元和所述第二电路单元的第一电流和第二电流，
通过分别合计所述第一电流和所述第二电流定时更新所述第一二次电池的第一荷电状态和所述第二二次电池的第二荷电状态，
通过使用所述定时更新的第一荷电状态和所述定时更新的第二荷电状态以及所述第一电流和所述第二电流，定时更新由所述第一阻抗元件形成的第一阻抗电压和由所述第二阻抗元件形成的第二阻抗电压，
确定分别对应于所述定时更新的第一荷电状态和所述定时更新的第二荷电状态的所述第一二次电池的所述第一开路电压和所述第二二次电池的所述第二开路电压，和
通过把所确定的第一开路电压和所确定的第二开路电压、所述定时更新的第一阻抗电压和所述定时更新的第二阻抗电压以及所测得的工作电流代入所述电压方程来估算所述混合二次电池的电压。
2.权利要求1所述的装置，其中，所述第一二次电池和所述第二二次电池被作为独立的电池包装在彼此不同的包装中，或被一起包装在单个包装中。
3.权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一二次电池和所述第二二次电池的至少一者包含多个单位电池胞或多个电池模块。
4.权利要求1所述的装置，其中，所述控制单元
基于所述第一二次电池的第一荷电状态与所述第一开路电压之间预定义的第一相关性确定由所述第一开路电压元件形成的所述第一开路电压，且
基于所述第二二次电池的第二荷电状态与所述第二开路电压之间预定义的第二相关性确定由所述第二开路电压元件形成的所述第二开路电压。
5.权利要求4所述的装置，其中，
所述第一相关性是从根据所述第一二次电池的荷电状态变化的开路电压曲线获得的查找表或查找函数，且
所述第二相关性是从根据所述第二二次电池的荷电状态变化的开路电压曲线获得的查找表或查找函数。
6.权利要求1所述的装置，其中，所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件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。
7.权利要求6所述的装置，其中，所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件中的每一个包含至少一个RC电路，和与所述RC电路串联连接的电阻器，在所述RC电路中电阻器和电容器并联连接。
8.权利要求1所述的装置，其中，所述第一开路电压元件和所述第一阻抗元件彼此串联连接，并且所述第二开路电压元件和所述第二阻抗元件彼此串联连接。
9.权利要求1所述的装置，其中，所述控制单元
通过使用第一阻抗电压方程确定由所述第一阻抗元件形成的第一阻抗电压，所述第一阻抗电压方程从所述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，且
通过使用第二阻抗电压方程确定由所述第二阻抗元件形成的第二阻抗电压，所述第二阻抗电压方程从所述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。
10.一种使用电路模型估算混合二次电池的电压的方法，所述混合二次电池包含电化学特性彼此不同且彼此并联连接的第一二次电池和第二二次电池，所述电路模型包含：第一电路单元，其被构造为利用第一开路电压元件和第一阻抗元件模拟所述第一二次电池的电压变化；和第二电路单元，其与所述第一电路单元并联连接，且被构造为利用第二开路电压元件和第二阻抗元件模拟所述第二二次电池的电压变化，所述方法包括：
测量所述混合二次电池的工作电流；
根据所述电路模型确定分别流经所述第一电路单元和所述第二电路单元的第一电流和第二电流，
通过分别合计所确定的第一电流和所确定的第二电流定时更新所述第一二次电池的第一荷电状态和所述第二二次电池的第二荷电状态，
通过使用所述定时更新的第一荷电状态和所述定时更新的第二荷电状态以及所述第一电流和所述第二电流，定时更新由所述第一阻抗元件形成的第一阻抗电压和由所述第二阻抗元件形成的第二阻抗电压，
确定分别对应于所述定时更新的第一荷电状态和所述定时更新的第二荷电状态的所述第一二次电池的第一开路电压和所述第二二次电池的第二开路电压，和
通过把所确定的第一开路电压和所确定的第二开路电压、所述定时更新的第一阻抗电压和所述定时更新的第二阻抗电压以及所测得的工作电流代入从所述电路模型导出的电压方程中来估算所述混合二次电池的电压，
其中，所述第一开路电压元件被配置为根据所述第一二次电池的荷电状态形成第一开路电压；
其中，所述第二开路电压元件被配置为根据所述第二二次电池的荷电状态形成第二开路电压。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括测量所述混合二次电池的工作初始电压；和
基于对应于所述工作初始电压的荷电状态确定用于所述第一二次电池的荷电状态和所述第二二次电池的荷电状态的初始条件。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括确定用于所述第一阻抗电压和所述第二阻抗电压的初始条件。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，基于第一电流分配方程和第二电流分配方程分别确定所述第一电流和所述第二电流，其中，所述第一电流分配方程和所述第二电流分配方程包含输入参数，所述输入参数包含所述第一开路电压和所述第二开路电压、所述第一阻抗电压和所述第二阻抗电压及所述工作电流。
14.一种电驱动装置，包含如权利要求1中所限定的所述装置。
15.一种计算机可读的记录介质，其中，记录用于执行如权利要求10中所限定的所述方法的程序。
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