CN108603918A - 测试电池单体的性能的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于以非破坏性方式测试电池单体的电化学性能的装置和方法。根据本发明的一个实施例的装置包括：存储器，该存储器被配置为存储关于多个参考单体中的每一个通过初步实验事先确定的第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限、以及第一负极下限；感测单元，该感测单元被配置为根据测试单体的充电状态(SOC)的变化测量测试单体的开路电压；以及控制单元，该控制单元与存储器和感测单元电连接。控制单元被配置为基于被存储在存储器中的关于参考单体的数据和通过感测单元测量到的数据以非破坏性方式测试测试单体的性能。

Description

测试电池单体的性能的装置和方法
技术领域
本公开涉及一种测试电池单体性能的装置和方法，并且更具体地，涉及一种以非破坏性方式测试电池单体的电化学性能的装置和方法。
本申请要求于2016年8月26日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2016-0109271的优先权，其公开内容通过引用被合并在此。
背景技术
最近，对诸如膝上型电脑、摄像机、移动电话等便携式电子设备的需求已经迅速增加，并且已经开发电动车辆、能量存储电池、机器人、卫星等。因此，已经积极地进行对可重复再充电的高性能电池的研究。
目前，镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂二次电池等被商品化，并且由于诸如因为当与镍基二次电池相比在锂二次电池中很少发生记忆效应的自由充电/放电、非常低的自放电率、以及能量密度高的优点而突出这些电池当中的锂二次电池。
包括在电池中的电池单体基本上包括正极、负极和电解质。随着电池单体的电化学反应中涉及的操作离子(例如，锂离子)从正极移动到负极或从负极移动到正极，执行电池单体的充电/放电。
通过激活工艺制造电池单体。在激活工艺中，在其中电池单体被连接到充电/放电装置的状态下，在预设条件下执行电池单体的充电/放电预定次数。当使用根据现有技术的性能测试方法时，可以根据在执行激活工艺期间测量的电池单体的充电容量和放电容量之间的比率估计实际可从电池单体提取的最大容量值。最大容量值可以称为完全充电容量(FCC)。
然而，根据现有技术的性能测试方法，存在下述限制，即，仅可以粗略地识别关于在电池单体的相对端处的、包括电压窗口等的使用区域的信息，但是不可以识别关于电池单体的正极和负极中的每一个的使用区域。
此外，因为由于在激活工艺期间锂离子与负极中使用的碳反应而产生的固体电解质界面(SEI)等导致一些锂离子不可逆地损失，所以电池单体的最大容量值变得小于预定设计容量。然而，根据现有技术的性能测试方法不可以提供关于导致激活工艺之后的预定设计容量值与电池单体的最大容量值之间的差的因素的信息。
为了解决上述问题，已经提出一种三电极测试方法。根据三电极测试方法，将电池单体中的正极和负极中的每一个的电势与参考电极的电势进行比较，以测量电池单体中的正极和负极中的每一个的使用面积和最大容量。然而，为了执行三电极测试方法，不得不拆卸包括正极和负极的电池单体以将参考电极附加地附接到电池单体。此外，因为参考电极可能影响电池单体的电化学特性，所以具有参考电极的电池单体的测量结果可能不对应于不具有参考电极的电池单体的实际电化学特性。
发明内容
技术问题
设计本公开以解决相关技术的问题，并且因此本公开旨在提供一种在不拆卸电池单体以附接参考电极等的情况下精确地测试电池单体的性能的装置和方法。
根据下面的描述和本公开的示例性实施例，本公开的其他目的和优点将会显而易见。而且，将容易理解的是，通过在随附的权利要求中提出的装置和其组合实现本公开的目的和优点。
技术方案
实现上述目标的本公开的各种实施例如下。
在本公开的一个方面中，提供一种用于测试电池单体的性能的装置，该装置包括：存储器，该存储器被配置成存储关于多个参考单体中的每一个通过初步实验事先确定的第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限；感测单元，该感测单元被配置成根据测试单体的充电状态(SOC)的变化测量测试单体的开路电压；以及控制器，该控制器被电连接到存储器和感测单元，并且被配置成以非破坏性方式测试测试单体的性能。第一分布曲线数据指示根据存储在参考单体的正极中的锂离子量的变化的参考单体的正极的开路电压的变化，并且第二分布曲线数据指示根据存储在参考单体的负极中的锂离子量的变化的参考单体的负极的开路电压的变化。第一正极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在参考单体的正极中的锂离子量，第一正极下限对应于在预定SOC范围内的下限处的存储在参考单体的正极中的锂离子量，第一负极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在参考单体的负极中的锂离子量，并且第一负极下限对应于在预定SOC范围内的下限处的存储在参考单体的负极中的锂离子量。控制器被配置成，基于第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限，生成指示关于预定SOC范围的多个参考单体中的每一个的开路电压的变化的第三分布曲线数据，并且生成指示由感测单元测量到的关于预定SOC范围的在测试单体的相对端处的开路电压的变化的第四分布曲线数据。控制器被配置成基于第三分布曲线数据和第四分布曲线数据估计测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。第二正极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在测试单体的正极中的锂离子量，第二正极下限对应于在预定SOC范围内的下限处的存储在测试单体的正极中的锂离子量，第二负极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在测试单体的负极中的锂离子量，并且第二负极下限对应于在预定SOC范围的下限处的存储在测试单体的负极中的锂离子量。
控制器可以被配置成声明成本函数，该成本函数指示关于预定SOC范围内的多个样本值的第三分布曲线数据和第四分布曲线数据之间的残差的平方和，并且通过预定概率模型估计使成本函数的值最小化的测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。
控制器可以被配置成，通过使用事先给出的优化算法或贝叶斯估计方法，估计使成本函数的值最小化的测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。
存储器可以被配置成进一步存储测试单体的最大容量值。控制器可以被配置成通过使用下面的等式1计算指示测试单体的正极的最大容量的第一容量值，并且通过使用下面的等式2计算指示测试单体的负极的最大容量的第二容量值。
[等式1]
Qt P＝Qt F/(pf'-pi')
[等式2]
Qt N＝Qt F/(nf'-ni')，
其中Qt F表示最大容量值，pf'表示第二正极上限，pi'表示第二正极下限，nf'表示第二负极上限，ni'表示第二负极下限，Qt P表示第一容量值，并且Qt N表示第二容量值。
控制器可以被配置成通过使用下面的等式3计算测试单体的不可逆容量
[等式3]
Qloss＝(Qt P×pi')-(Qt N×ni')，
其中Qloss表示不可逆容量。
控制器可以被配置成，通过使用下面的等式4计算测试单体的负极的最大容量与测试单体的正极的最大容量之间的比率
[等式4]
RNP＝Qt N/Qt P＝(pf'-pi')/(nf'-ni')，
其中RNP表示测试单体的负极的最大容量与测试单体的正极的最大容量之间的比率。
控制器可以被配置成通过在预定SOC范围内平均在测试单体的充电期间的电压分布曲线和在测试单体的放电期间的电压分布曲线来生成第四分布曲线数据。
控制器可以被配置成，基于在预定SOC范围内的通过电压弛豫方法测量的测试单体的相对端处的电压生成第四分布曲线数据。
在本公开的另一方面中，还提供一种测试电池单体的性能的方法，该方法包括：(a)存储关于多个参考单体中的每一个通过初步实验事先确定的第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限；(b)基于第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限，生成指示预定充电状态(SOC)范围内的多个参考单体中的每一个的开路电压的变化的第三分布曲线数据；(c)根据测试单体的SOC的变化测量测试单体的开路电压；(d)基于测量到的测试单体的开路电压，生成指示关于预定SOC范围的测试单体的相对端处的开路电压的变化的第四分布曲线数据；以及(e)基于第三分布曲线数据和第四分布曲线数据，估计测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。第一分布曲线数据指示根据存储在参考单体的正极中的锂离子量的变化的参考单体的正极的开路电压的变化，并且第二分布曲线数据指示根据被存储在参考单体的负极中的锂离子量的变化的参考单体的负极的开路电压的变化。第一正极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在参考单体的正极中的锂离子量，第一正极下限对应于在预定SOC范围内的下限处的存储在参考单体的正极中的锂离子量，第一负极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在参考单体的负极中的锂离子量，第一负极下限对应于在预定SOC范围内的下限处的存储在参考单体的负极中的锂离子量，第二正极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在测试单体的正极中的锂离子量，并且第二正极下限对应于在预定SOC范围内的下限处的存储在测试单体的正极中的锂离子量，第二负极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在测试单体的负极中的锂离子量，并且第二负极下限对应于在预定SOC范围的下限处的存储在测试单体的负极中的锂离子量。
操作(e)可以包括：(e-1)声明指示关于预定SOC范围的多个样本值的第三分布曲线数据和第四分布曲线数据之间的残差的平方和的成本函数，和(e-2)通过预定概率模型估计使成本函数的值最小化的测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。
操作(e-2)可以包括，通过使用事先给出的优化算法或贝叶斯估计方法，估计使成本函数的值最小化的测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限以及第二负极下限。
有益效果
根据本公开的实施例中的至少一个，可以在不拆卸电池单体以便于附接参考电极等的情况下执行电池单体的性能测试。即，可以以非破坏性方式获得关于电池单体的正极和负极中的每一个的电化学性能的信息。
此外，根据本公开的实施例中的至少一个，可以估计电池单体中的正极和负极中的每一个的使用区域。
此外，根据本公开的至少一个实施例，可以估计每单位面积电池单体中的正极和负极中的每一个的最大容量。
此外，根据本公开的实施例中的至少一个，可以估计电池单体中的正极和负极之间的容量比。
此外，根据本公开的实施例中的至少一个，可以快速地检查制造的电池单体是否有缺陷。
本公开的效果不限于前述的效果，并且通过下述的描述可以理解本公开的其他效果，并且根据本公开的实施例将变得显而易见。
附图说明
附图图示本公开的优选实施例，并且与前述公开一起用作提供对本公开的技术特征的进一步理解，并且因此，本公开不应被解释为限于附图。
图1是图示根据本公开的实施例的测试装置的功能结构的图。
图2和3是示出从参考图1在上面描述的第一分布曲线数据提供的参考单体的正极开路电压分布曲线的图。
图4和5是示出从参考图1在上面描述的第二分布曲线数据提供的参考单体的负极开路电压分布曲线的图。
图6是示出从参考图1在上面描述的第三分布曲线数据提供的参考单体的相对端处的开路电压分布曲线的图。
图7是示出根据本公开的实施例的测试单体的相对端开路电压分布曲线的图。
图8和9是示出测量测试单体的相对端处的开路电压的示例的图。
图10是被用于图示根据本公开的实施例的估计测试单体的使用区域的方法的图。
图11是图示根据本公开的实施例的测试单体的估计性能与实际性能之间的比较结果的表。
图12是示出根据本公开的实施例的测试电池单体的性能的方法的流程图。
具体实施方式
在描述之前，应理解，说明书和所附权利要求中使用的术语不应被解释为限于一般和词典含义，而是基于允许发明人适当地定义术语以获得最佳解释的原则基于对应于本发明的技术方面的含义和概念来解释。
因此，这里提出的描述仅是用于说明目的的优选示例，并非旨在限制本公开的范围，所以应理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下对其进行其他等同和修改。
此外，在本公开的实施例的详细描述中，可以省略对公知的相关功能和配置的详细描述，使得不以多余的细节模糊本公开的技术。
将会进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”指定所陈述的组件的存在，但不排除一个或者多个组件的存在或添加。另外，这里提供的诸如<控制单元>的术语指示执行至少一个功能或操作的单元，并且可以通过硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。
此外，当提及部件与另一部件“连接”时，其不仅意指“直接连接”而且意指与两个部件之间插入的不同元件的“间接连接”。
在下文中，将在下面详细描述根据本公开的实施例的测试装置和方法。在下文中，为了便于描述，将电池单体称为“单体”。此外，稍后将描述的各种电压分布曲线不限于连续格式，而是可以具有离散格式。
图1是示出根据本公开的实施例的测试装置100的功能配置的图。
参考图1，测试装置100包括存储器110、感测单元120和控制器130。
存储器110被配置成存储被预定以指示多个参考单体中的每一个的性能的参考信息。参考信息被用作用于测试稍后将描述的测试单体的性能的比较判据。参考信息包括第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限。通过在寿命起初(beginning of life:BOL)时对参考单体的初步实验获得参考信息。这里，BOL可以表示从制造参考单体的初始时间点到充电/放电循环达到预定次数的时间点的持续时间。
详细地，第一分布曲线数据指示根据存储在参考单体的正极中的锂离子量的变化的参考单体的正极的开路电压的变化。例如，当参考单体的充电进行时，存储在参考单体的正极中的锂离子量逐渐减少，然而参考单体的正极的电势逐渐增加。
第二分布曲线数据指示根据存储在参考单体的负极中的锂离子量的变化的参考单体中的负极的开路电压的变化。例如，当参考单体的充电进行时，存储在参考单体的负极中的锂离子量逐渐增加，然而参考单体的负极的电势逐渐减小。
第一正极上限对应于在预定SOC范围内的上限处存储在参考单体的正极中的锂离子量。详细地，第一正极上限指示表示0至1范围内的值的化学计量值，其中，基于指示可以存储在参考单体的正极中的最大操作离子(例如，锂离子)量的第一临界值，在当参考单体的充电状态(SOC)达到预定SOC范围的上限时的时间点处通过从第一临界值减去指示被存储在参考单体的正极中的操作离子的量的第一实验值获得该值。例如，当参考单体的SOC达到预定SOC范围的上限时存储在参考单体的SOC的正极中的操作离子量是第一临界值的10％时，第一正极上限是(100％-10％)/100％＝0.90。
第一正极下限对应于在预定SOC范围内的下限处存储在参考单体的正极中的锂离子量。详细地，第一正极下限指示表示0至1范围内的值的化学计量值，其中，基于第一临界值，通过在当参考单体的SOC达到预定SOC范围的下限时的时间点处从第一临界值减去指示被存储在参考单体的正极中的操作离子量的第二实验值获得该值。例如，当参考单体的SOC达到预定SOC范围的下限时，存储在参考单体的SOC的正极中的操作离子量是的第一临界值的80％时，第一正极下限是(100％-80％)/100％＝0.20。随着参考单体的SOC减小，存储在参考单体的正极中的操作离子量增加，并且因此，对于本领域普通技术人员来说显然的是，第一正极下限小于第一正极上限。
第一负极上限对应于在预定SOC范围内的上限处存储在参考单体的负极中的锂离子量。详细地，第一负极上限指示表示在0到1的范围内的第三实验值的化学计量值，其中，基于指示可以存储在参考单体的负极中的最大操作离子量的第二临界值，第三实验值指示在当参考单体的SOC达到预定SOC范围的上限时的时间点存储在参考单体的负极中的操作离子量。例如，当参考单体的SOC达到预定SOC范围的上限时，存储在参考单体的负极中的操作离子量是第二临界值的95％时，第一负极上限是95％/100％＝0.95。
第一负极下限对应于在预定SOC范围内的下限处存储在参考单体的负极中的锂离子量。详细地，第一负极下限指示表示0至1范围内的第四实验值的化学计量值，其中，基于第二临界值，第一实验值指示在当参考单体的SOC达到预定SOC范围的下限时的时间点处被存储在参考单体的负极中的操作离子量。例如，当参考单体的SOC达到预定SOC范围的下限时，存储在参考单体的SOC的负极中的操作离子量是第二临界值的5％时，第一负极下限是5％/100％＝0.05。随着参考单体的SOC减小，存储在参考单体的负极中的操作离子量减少，并且因此，对于本领域普通技术人员来说显然的是，第一负极下限小于第一负极上限。
此外，存储器110可以另外存储测试装置100的整体操作中所要求的各种数据、命令和软件。存储器110可以包括与闪存类型、硬盘类型、固态盘(SSD)类型、硅磁盘驱动器(SDD)类型、多媒体卡微型、随机存取存储器(RAM)、静态RAM(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和可编程ROM(PROM)中的至少一种类型相对应的存储介质。
感测单元120可以包括电压传感器121、电流传感器122和温度传感器123中的至少一个。电压传感器121、电流传感器122和温度传感器123中的至少一个分别测量测试单体10的电压、电流和温度中的至少一个，并且响应于从控制器130提供的控制信号，将表示测量值的数据发送到控制器130。
控制器130被配置成通过参考存储在存储器110中的数据和命令或通过驱动软件以非破坏性方式测试测试单体的性能。控制器130可以执行用于执行测试单体的电压、电流和温度的测量、SOC计算、SOH估计和温度管理中的至少一个的软件。
控制器130可以由专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、以及用于执行如硬件的其它功能的电气单元中的至少一个被实现。
控制器130可以基于多个参考单体中的每一个的第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限，生成表示关于预定SOC范围的参考单体中的相对端处的开路电压的变化的第三分布曲线数据。详细地，第三分布曲线数据指示由第一分布曲线数据提供的参考单体的正极开路电压分布曲线与由第二分布曲线数据提供的参考单体的负极开路电压分布曲线之间的差，即参考单体的相对端处的开路电压分布曲线。
另外，控制器130可以生成关于与参考单体分离的测试单体的第四分布曲线数据。这里，可以设计和制造测试单体以具有与参考单体的电化学特性相同的电化学特性。然而，由于诸如处理错误的要素，测试单体和参考单体中的至少一个可能具有彼此不同的性能。
更详细地，基于从感测单元120提供的测试单体的电压数据，控制器130可以生成表示关于预定SOC范围的测试单体的相对端处的开路电压分布曲线的第四分布曲线数据。即，第四分布曲线数据表示关于预定SOC范围的在测试单体的相对端处的开路电压的变化。
当完成第四分布曲线数据的生成时，基于第三分布曲线数据和第四分布曲线数据，控制器130可以估计测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。
这里，第二正极上限对应于当测试单体的SOC是预定SOC范围的上限时估计被存储在测试单体的正极中的操作离子量。详细地，第二正极上限指示表示在0至1范围内的值的化学计量值，其中，基于第一临界值，通过从第一临界值减去指示在当测试单体的SOC达到预定SOC范围的上限时估计被存储在测试单体的正电极中的操作离子量的第一估计值获得该值。例如，当第一估计值是第一临界值的5％时，第二正极上限是(100％-5％)/100％＝0.95。
第二正极下限对应于当测试单体的SOC是预定SOC范围的下限时估计被存储在测试单体的正极中的操作离子量。详细地，第二正极下限指示表示0至1范围内的值的化学计量值，其中，基于第一临界值，通过在当测试单体的SOC达到预定SOC范围的下限的时间点从第一临界值减去指示估计被存储在测试单体的正极中的操作离子量的第二估计值而获得该值。例如，当第二估计值是第一临界值的95％时，第二正极下限是(100％-95％)/100％＝0.05。随着测试单体的SOC减小，存储在测试单体的正极中的操作离子量增加，并且因此，对于本领域普通技术人员来说显然的是，第二正极下限小于第二正极上限。
第二负极上限对应于当测试单体的SOC是预定SOC范围的上限时估计被存储在测试单体的负极中的操作离子量。详细地，第二负极上限指示表示在0到1的范围内的第三估计值的化学计量值，其中，基于第二临界值，第三估计值指示在当测试单体的SOC达到预定SOC范围的上限的时间点估计被存储在测试单体的负极中的操作离子量。例如，当测试单体的SOC达到预定SOC范围的上限时，存储在测试单体的负极中的操作离子量是第二临界值的90％时，第二负极上限是90％/100％＝0.90。
第二负极下限对应于当测试单体的SOC是预定SOC范围的下限时估计被存储在测试单体的负极中的操作离子量。详细地，第二负极上限指示表示在0到1的范围内的第四估计值的化学计量值，其中，基于第二临界值，第三估计值指示当测试单体的SOC达到预定SOC范围的下限的时间点估计被存储在测试单体的负极中的操作离子量。例如，当测试单体的SOC达到预定SOC范围的下限时，存储在测试单体的负极中的操作离子量是第二临界值的5％时，第二负极下限是10％/100％＝0.10。随着测试单体的SOC减小，存储在测试单体的负极中的操作离子量减少，并且因此，对于本领域普通技术人员来说显然的是，第二负极下限小于第二负极上限。
在下文中，将假设参考单体和测试单体中的每一个的正极和负极是LixMeO2和LiyC6，并且在引起参考单体和测试单体的充电/放电的电化学反应中涉及的操作离子是锂离子Li+。这里，x指示表示存储在正极中的锂离子量的化学计量数，并且y是表示存储在负极中的锂离子量的化学计量数。而且，Me可以是金属元素，诸如Ni、Mn、Mg和Al。此外，将假设预定SOC范围是从0到1。本领域的普通技术人员会容易理解，具有值1的单体的SOC表示单体的相对端处的电压达到上限电压和完全充电状态，并且具有值0的单元的SOC表示在单体的相对端处的电压达到下限电压和完全放电状态。
尽管未在图1中未示出，测试装置100还可以包括输出单元。输出单元输出由测试装置处理以可由用户识别的数据。例如，输出单元可以包括用于以视觉格式输出由测试装置100处理的数据的显示器。作为另一示例，输出单元可以包括扬声器，该扬声器用于以可听格式输出由测试装置100处理的数据。用户可以经由输出单元接收测试单体的测试结果。
图2和3是示出从参考图1在上面描述的第一分布曲线数据提供的参考单体的正极开路电压分布曲线的图。
参考图2，可以识别参考单体的正极开路电压分布曲线UP(x)，其是当通过初步实验在从第一实验值x1到第二实验值x2的范围内调节被存储在各个参考单体的正极(LixMeO2)中的锂离子量x时测量的。这里，参考单体的正极开路电压是参考单体的正极电位和参考电位(例如，0V)之间的差。根据参考单体的正极开路电压分布曲线UP(x)，可以识别到随着存储在参考单体的正极中的锂离子量x从第一实验值x1到第二实验值x2增加，参考单体的正极开路电压逐渐减小。锂离子量x可以根据下面的等式1被确定。
[等式1]
x＝Pi+(1-SOC)×(Pf-Pi)
在上面的等式1中，Pf表示第一正极上限，Pi表示第一正极下限，并且SOC表示参考单体的充电状态。这里，因为Pf和Pi是事先确定的常数，所以x取决于SOC的变化。也就是说，当提供x和SOC中的一个时，可以计算另一个。连同图2参考图3，控制器130可以根据参考单体的充电状态将正极开路电压分布曲线UP(x)转换成正极电压分布曲线UP(SOC)。
图4和5是示出从参考图1在上面描述的第二分布曲线数据提供的参考单体的负极开路电压分布曲线的图。
参考图4，可以识别参考单体的负极开路电压分布曲线UN(y)，其是当通过初步实验在第三实验值y1和第四实验值y2之间的范围内调节被存储在参考单体的负极(LiyC6)中的锂离子量y时测量的。这里，参考单体的负极开路电压是参考单体的负极电位和参考电位之间的差。根据参考单体的负极开路电压分布曲线UN(y)，可以识别到随着存储在参考单体的负极中的锂离子量从第三实验值y1增加到第四实验值y2，参考单体的负极开路电压逐渐地减少。可以根据下面的等式2确定锂离子量y。
[等式2]
y＝Ni+SOC×(Nf-Ni)
在上面的等式2中，Nf表示第一负极上限，Ni表示第一负极下限，并且SOC表示参考单体的充电状态。这里，因为Nf和Ni是事先确定的常数，所以y取决于SOC的变化。也就是说，当提供y和SOC中的一个时，可以计算另一个。连同图4参考图5，控制器130可以根据参考单体的充电状态将负极开路电压分布曲线UN(y)转换为负极电压分布曲线UN(SOC)。
图6是示出从参考图1在上面描述的第三分布曲线数据提供的参考单体的相对端的开路电压分布曲线的图。
参考图6，可以识别根据一个参考单体的充电状态在相对端UR(SOC)处的开路电压分布曲线。相对端处的开路电压分布曲线UR(SOC)对应于在例如公共SOC范围的0到1的范围内，在图3中所示的正极电压分布曲线UP(SOC)和图5中示出的负极电压分布曲线UN(SOC)之间的差。如上所述，正极电压分布曲线UP(SOC)与第一分布曲线数据、第一正极上限和第一正极下限有关，并且负极电压分布曲线UN(SOC)与第二分布曲线数据、第一负极上限和第一负极下限有关。因此，控制器130可以基于第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限，生成表示相对端处的开路电压分布曲线UR(SOC)的第三分布曲线数据。
图7示出根据实施例的测试单体的相对端处的开路电压分布曲线，并且图8和9示出测量测试单体的相对端处的开路电压的方法的示例。
参考图7，在0到1的范围即预定SOC范围内，示出测试单体的相对端的开路电压分布曲线UT(SOC)，其中通过感测单元120测量相对端处的开路电压分布曲线。如上所述，控制器130可以基于从感测单元120提供的电压测量值生成第四分布曲线数据。
图8示例性地示出电压求平均方法。参考图8，控制器130可以将电压分布曲线UT,A(SOC)设置为相对端处的开路电压分布曲线UT(SOC)，其中电压分布曲线UT,A(SOC)对应于在以预定恒定电流在完全充电状态到完全放电状态下对测试单体放电期间测量到的电压分布曲线UT,D(SOC)与在以恒定电流在完全放电状态到完全充电状态下对测试单体充电期间测量到的电压分布曲线UT,C(SOC)之间的平均值。
图9示例性地示出电压弛豫方法。电压弛豫方法可以是一种混合脉冲功率特性(HPPC)放电测试方法。当处于完全充电状态的测试单体以预定恒定电流被放电到完全放电状态时，无论何时测试单体的充电状态顺序地达到预定SOC值，电压弛豫方法将测试单体切换到空载状态。本领域的普通技术人员已经理解，在通过根据时间将从测试单体流出的放电电流相加来计算测试单体的剩余容量之后，测试单体的充电状态可以被表示为基于设计容量值或最大容量值指示测试单体的剩余容量的在0到1的范围内的值。而且，测试单体的充电状态可以以百分比(％)表示。
在从切换到无负载状态的每个时间点已经流逝预定弛豫时间(例如，1小时)的时间点(参考图9的虚线圆圈)，通过感测单元120测量在测试单体的相对端处的电压，并且可以将通过使用诸如曲线拟合的近似算法遵循测量到的电压值的电压分布曲线被设置为相对端处的开路电压分布曲线UT(SOC)。
基于从多个电池单体中的每一个获得的第三分布曲线数据，控制器130可以生成从具有任意的使用区域θ＝[pf,pi,nf,ni]的电池单体估计的相对端处的开路电压分布曲线UR(SOC,θ)。详细地，在相对端处的开路电压分布曲线UR(SOC,θ)是当在预定SOC范围内调节任意电池单体的SOC时期望被示出的相对端处的开路电压分布曲线，其中任意电池单体具有正极上限pi、正极下限pi、负极上限nf和负极下限ni。
图10是被用于图示根据本公开的实施例的估计测试单体的使用区域的方法的图。
通过使用在例如预定SOC范围的0到1的范围内的预定样本值作为输入值，控制器130可以声明成本函数，该成本函数表示在相对端处的开路电压分布曲线UT(SOC)与在相对端处的开路电压分布曲线UR(SOC,θ)之间的残差的平方和。成本函数可以通过下述等式4表示。
[等式4]
在上面的等式4中，SOCi是样本值之一，并且S(θ)是成本函数。
假设当给出任意θ时，相对端处的开路电压分布曲线UR(SOC,θ)和相对端处的开路电压分布曲线UT(SOC)彼此完全匹配。在这种情况下，成本函数的输出值显然为0，并且控制器130可以计算测试单体的使用区域等于θ。在这方面，控制器130可以通过预定概率模型估计表示使得成本函数的值最小化的测试单体的使用区域的参数。这里，测试单体的使用区域反映测试单体的性能。
下面的算法可以被用于从成本函数估计测试单体的使用区域：
1)基于梯度优化算法：fmincon、fminsearch等；
2)全局优化算法：模拟退火和遗传算法；和
3)马尔可夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo：MCMC)算法：Metropolis-Hastings、吉布斯采样等等。
当然，可以使用除上述算法之外的其他优化算法或贝叶斯估计方法以估计测试单体的使用区域。
参考图10，可以识别表示关于测试单体的使用区域的四个参数Pf'、Pi'、Nf'和Ni'中的每一个的后验分布的柱状图，其通过使用概率模型从成本函数计算。在每个柱状图中，横轴表示参数，并且纵轴表示概率。
例如，控制器130可以估计对应于预定规则(例如，具有最大概率值)的某些参数值分别是来自于各个后验分布的测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限、以及第二负极下限。
控制器130可以通过使用下面的等式5来计算表示测试单体的正极的最大容量的第一容量值。
[等式5]
Qt P＝Qt F/(pf'-pi')
在上面的等式5中，Qt F表示测试单体的最大容量值，pf'表示估计的第二正极上限，pi'表示估计的第二正极下限，并且Qt P表示第一容量值。可以由控制器130基于从感测单元120提供的数据来计算测试单体的最大容量值。
控制器130可以通过使用下面的等式6来计算表示测试单体的负极的最大容量的第二容量值。
[等式6]
Qt N＝Qt F/(nf'-ni')
在上面的等式6中，nf'表示估计的第二负极上限，ni'表示估计的第二负极下限，并且Qt N表示第二容量值。
在上面的等式5和6中，第一容量值和第二容量值是可以分别存储在测试单体的正极和负极中的最大电荷量，并且显然的是，第一和第二容量值大于可以作为从全单体类型的测试单体中实际提取的电荷量的最大容量值。
控制器130可以通过使用下面的等式7来计算测试单体关于预定SOC范围的不可逆容量。
[等式7]
Qloss＝(Qt P×pi')-(Qt N×ni')
在上面的等式7中，Qloss表示测试单体的不可逆容量。(Qt P×pi')表示测试单体的正极的不可逆容量，并且(Qt N×ni')表示测试单体的负极的不可逆容量。如果值Qloss具有正值，则表示正极的不可逆容量相对大于负极的不可逆容量。相反地，如果Qloss的值具有负值，则表示正极的不可逆容量相对小于负极的不可逆容量。
通过使用下面的等式8，控制器130可以计算测试单体的负极的最大容量与测试单体的正极的最大容量之间的比率。
[等式8]
RNP＝Qt N/Qt P＝(pf'-pi')/(nf'-ni')
在上面的等式8中，RNP表示测试单体的负极的最大容量与测试单体的正极的最大容量之间的比率。
可以经由输出单元将上述计算结果提供给用户。
图11是图示根据本公开的实施例的测试单体的估计性能与实际性能之间的比较结果的表1100。为了便于描述，表1100中的数值被表达为两位小数。
参考图11，表1100的第一行示出，在关于具有4.22mAh/cm2的最大容量的测试单体估计的第二正极上限pf'、第二正极下限pi'、第二负极上限nf'和第二负极下限ni'分别为0.8927、0.0053126、0.9265和0.068582的情况下测试单体的正极和负极的最大容量值。控制器130通过使用等式5获得正极的最大容量值4.76mAh/cm2，并且通过使用等式6获得负极的最大容量值4.92mAh/cm2。
接下来，表1100的第二行示出通过对分别对应于测试单体的正极和负极的两个半单体的实际测量获得的正极的最大容量值4.73mAh/cm2和负极的最大容量值4.94mAh/cm2。
另外，表1100的第三行示出第一行中示出的测量值与第二行中示出的测量值之间的误差率。如图11中所示，关于正极的最大容量值误差率为+0.63％，并且关于负极的最大容量值误差率为-0.40％，并且这些是非常小的值。也就是说，表1100强烈支持当使用根据本公开的实施例的性能测试装置100时，可以在不拆卸测试单体的情况下获得与测试单体的实际性能对应的性能测试结果。
图12是图示根据本公开的实施例的测试电池单体的性能的方法的流程图。图12中图示的过程由上述性能测试装置执行。
在步骤1210处，存储通过关于多个参考单体中的每一个的初步实验事先确定的第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限。
在步骤1220处，基于第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限生成表示预定SOC范围内的参考单体的开路电压的变化的第三分布曲线数据。
在步骤1230处，测量根据测试单体的SOC的变化的测试单体的开路电压。
在步骤1240处，基于测量到的测试单体的开路电压，生成指示关于预定SOC范围的测试单体的相对端处的开路电压的变化的第四分布曲线数据。
在步骤1250处，基于第三分布曲线数据和第四分布曲线数据估计测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。详细地，在步骤1250处，声明指示关于预定SOC范围内的多个样本值的第三分布曲线数据和第四分布曲线数据之间的残差的平方和的成本函数，并且然后，通过预定概率模型估计通过使用MCMC算法等使得成本函数的值最小化的测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。
本公开的上述实施例不仅由装置和/或方法具体化。替选地，上述实施例可以通过执行对应于本公开的示例性实施例的配置的功能的程序，或者在其上记录程序的记录介质来具体化，并且本发明所属领域的普通技术人员可以从上述实施例的描述中容易地设计这些实施例。
已经详细描述了本公开。然而，应理解的是，仅通过说明给出指示本公开的优选实施例的特定示例和详细描述，因此从此详细描述对本领域的技术人员来说本公开的范围内的各种变化和修改将变得更加显而易见。
此外，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以进行修改和变化，并且因此，本公开不限于前述实施例的配置和方法，但是可以选择性地组合实施例的全部或一部分以配置成各种修改。

Claims (11)

1.一种用于测试电池单体的性能的装置，所述装置包括：
存储器，所述存储器被配置成存储关于多个参考单体中的每一个通过初步实验事先确定的第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限；
感测单元，所述感测单元被配置成根据测试单体的充电状态(SOC)的变化测量所述测试单体的开路电压；以及
控制器，所述控制器被电连接到所述存储器和所述感测单元，并且被配置成以非破坏性方式测试所述测试单体的性能，
其中，所述第一分布曲线数据指示根据存储在所述参考单体的正极中的锂离子量的变化的所述参考单体的所述正极的开路电压的变化，
所述第二分布曲线数据指示根据存储在所述参考单体的负极中的锂离子量的变化的所述参考单体的所述负极的开路电压的变化，
所述第一正极上限对应于在预定SOC范围内的上限处的存储在所述参考单体的所述正极中的锂离子量，
所述第一正极下限对应于在所述预定SOC范围内的下限处的存储在所述参考单体的所述正极中的锂离子量，
所述第一负极上限对应于在所述预定SOC范围内的上限处的存储在所述参考单体的所述负极中的锂离子量，并且
所述第一负极下限对应于在所述预定SOC范围内的下限处的存储在所述参考单体的所述负极中的锂离子量，
其中，所述控制器被配置成，基于所述第一分布曲线数据、所述第二分布曲线数据、所述第一正极上限、所述第一正极下限、所述第一负极上限和所述第一负极下限，生成指示关于所述预定SOC范围的所述多个参考单体中的每一个的开路电压的变化的第三分布曲线数据，
生成指示由所述感测单元测量到的关于所述预定SOC范围的在所述测试单体的相对端处的开路电压的变化的第四分布曲线数据，并且
基于所述第三分布曲线数据和所述第四分布曲线数据估计所述测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限，并且
其中，所述第二正极上限对应于在所述预定SOC范围内的上限处的存储在所述测试单体的正极中的锂离子量，
所述第二正极下限对应于在所述预定SOC范围内的下限处的存储在所述测试单体的所述正极中的锂离子量，
所述第二负极上限对应于在所述预定SOC范围内的上限处的存储在所述测试单体的负极中的锂离子量，并且
所述第二负极下限对应于在所述预定SOC范围的下限处的存储在所述测试单体的所述负极中的锂离子量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置成声明成本函数，所述成本函数指示关于所述预定SOC范围内的多个样本值的所述第三分布曲线数据和所述第四分布曲线数据之间的残差的平方和，并且所述控制器被配置成通过预定概率模型估计使所述成本函数的值最小化的所述测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制器被配置成，通过使用事先给出的优化算法或贝叶斯估计方法，估计使所述成本函数的所述值最小化的所述测试单体的所述第二正极上限、所述第二正极下限、所述第二负极上限和所述第二负极下限。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述存储器被配置成进一步存储所述测试单体的最大容量值，并且
所述控制器被配置成通过使用下面的等式1计算指示所述测试单体的所述正极的最大容量的第一容量值，并且通过使用下面的等式2计算指示所述测试单体的所述负极的最大容量的第二容量值。
[等式1]
Qt P＝Qt F/(pf'-pi')
[等式2]
Qt N＝Qt F/(nf'-ni')，
其中Qt F表示所述最大容量值，pf'表示所述第二正极上限，pi'表示所述第二正极下限，nf'表示所述第二负极上限，ni'表示所述第二负极下限，Qt P表示所述第一容量值，并且Qt N表示所述第二容量值。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器被配置成通过使用下面的等式3计算所述测试单体的不可逆容量
[等式3]
Qloss＝(Qt P×pi')-(Qt N×ni')，
其中Qloss表示所述不可逆容量。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器被配置成，通过使用下面的等式4计算所述测试单体的所述负极的所述最大容量与所述测试单体的所述正极的所述最大容量之间的比率
[等式4]
RNP＝Qt N/Qt P＝(pf'-pi')/(nf'-ni')，
其中RNP表示所述测试单体的所述负极的所述最大容量与所述测试单体的所述正极的所述最大容量之间的比率。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置成通过在所述预定SOC范围内平均在所述测试单体的充电期间的电压分布曲线和在所述测试单体的放电期间的电压分布曲线来生成所述第四分布曲线数据。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置成，基于在所述预定SOC范围内的通过电压弛豫方法测量的所述测试单体的相对端处的电压生成所述第四分布曲线数据。
9.一种测试电池单体的性能的方法，所述方法包括：
(a)存储关于多个参考单体中的每一个通过初步实验事先确定的第一分布曲线数据、第二分布曲线数据、第一正极上限、第一正极下限、第一负极上限和第一负极下限；
(b)基于所述第一分布曲线数据、所述第二分布曲线数据、所述第一正极上限、所述第一正极下限、所述第一负极上限和所述第一负极下限，生成指示预定充电状态(SOC)范围内的所述多个参考单体中的每一个的开路电压的变化的第三分布曲线数据；
(c)根据测试单体的SOC的变化，测量所述测试单体的开路电压；
(d)基于所述测试单体的测量到的开路电压，生成指示关于所述预定SOC范围的所述测试单体的相对端处的开路电压的变化的第四分布曲线数据；以及
(e)基于所述第三分布曲线数据和所述第四分布曲线数据，估计所述测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限，
其中，所述第一分布曲线数据指示根据存储在所述参考单体的正极中的锂离子量的变化的所述参考单体的所述正极的开路电压的变化，
所述第二分布曲线数据指示根据被存储在所述参考单体的负极中的锂离子量的变化的所述参考单体的所述负极的开路电压的变化，
所述第一正极上限对应于在所述预定SOC范围内的上限处的存储在所述参考单体的所述正极中的锂离子量，
所述第一正极下限对应于在所述预定SOC范围内的下限处的存储在所述参考单体的所述正极中的锂离子量，
所述第一负极上限对应于在所述预定SOC范围内的上限处的存储在所述参考单体的所述负极中的锂离子量，
所述第一负极下限对应于在所述预定SOC范围内的下限处的存储在所述参考单体的所述负极中的锂离子量，
所述第二正极上限对应于在所述预定SOC范围内的上限处的存储在所述测试单体的正极中的锂离子量，
所述第二正极下限对应于在所述预定SOC范围内的下限处的存储在所述测试单体的所述正极中的锂离子量，
所述第二负极上限对应于在所述预定SOC范围内的上限处的存储在所述测试单体的负极中的锂离子量，并且
所述第二负极下限对应于在所述预定SOC范围内的下限处的存储在所述测试单体的所述负极中的锂离子量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述操作(e)包括：
(e-1)声明指示关于所述预定SOC范围内的多个样本值的所述第三分布曲线数据和所述第四分布曲线数据之间的残差的平方和的成本函数，和
(e-2)通过预定概率模型估计使所述成本函数的值最小化的所述测试单体的第二正极上限、第二正极下限、第二负极上限和第二负极下限。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述操作(e-2)包括，通过使用事先给出的优化算法或贝叶斯估计方法，估计使所述成本函数的所述值最小化的所述测试单体的所述第二正极上限、所述第二正极下限、所述第二负极上限以及所述第二负极下限。
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