用于估計二次電池放電深度的方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及用于估計二次電池放電深度(DOD)的裝置和方法。
[0002]本申請要求于2012年12月4日提交的韓國專利申請N0.10-2012-0139750和于2013年12月4日提交的韓國專利申請N0.10-2013-0149795的優(yōu)先權，其公開內容通過參考并入本文。
【背景技術】
[0003]電池是通過電化學氧化和還原反應產生電能的一種設備，并且具有廣泛的各種應用。例如，電池的應用逐漸擴展到:例如移動電話，筆記本電腦，數(shù)碼相機，攝像機，和電動工具的手持便攜式設備的電源；各種類型的電動設備，例如電動自行車，電動摩托車，電動汽車，混合動力汽車，電動船，電動飛機；能量存儲系統(tǒng)，用于存儲通過在發(fā)電廠中的新的可再生能源或多余的能量產生的能量；和不間斷電源，用于向各種信息和包括服務器計算機和無線通信基站的通信設備供應穩(wěn)定的電源。
[0004]電池包括三個基本元件；一個是負極，其包括在放電期間發(fā)射電子的同時氧化的材料；另一個是正極，其包括在放電期間接受電子的同時還原的材料；還有一個是電解質，其允許離子在負極和正極之間移動。
[0005]電池可分為，放電后不能再使用的一次電池，和由于至少部分可逆的電化學反應而能夠反復充電和放電的二次電池。
[0006]作為二次電池，眾所周知的是鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳鋅電池，鎳鐵電池，氧化銀電池，鎳氫電池，鋅錳電池，鋅溴電池，金屬空氣電池，以及鋰二次電池。在它們之中，鋰二次電池具有更高的能量密度，更高的電池電壓，和比其他二次電池更長的壽命，由于這些原因，它在商業(yè)方面吸引了最大的關注。
[0007]鋰二次電池有一個特點，即在正極和負極會發(fā)生鋰離子的嵌入和脫嵌反應。也就是，在放電期間，從負極中包含的負極材料中脫嵌的鋰離子通過電解質移動到正極，并且嵌入到正極中包含的正極材料，在充電期間反之亦然。
[0008]在鋰二次電池中，由于用作正極材料的材料顯著影響二次電池的性能，所以已進行了各種嘗試，試圖提供一種具有高能容量、同時在高溫時維持穩(wěn)定性、以及具有低制造成本的正極材料。然而，僅使用一種正極材料在滿足所有工業(yè)性能要求上有所限制。
[0009]近年來，隨著對化石燃料枯竭和空氣污染的關注，對環(huán)保能源的需求大幅增加。在這樣的背景下，由二次電池提供的電能供電和運行的、諸如電動汽車或混合動力汽車等的電動車輛在發(fā)達國家加速商品化。
[0010]在電動車輛運行時，二次電池的放電深度(DOD)是需要用于估計電動車輛的剩余行駛距離、和用于控制二次電池開始和結束充電或放電的參數(shù)。
[0011]DOD是表示放電到當前的容量與完全充電狀態(tài)的二次電池的容量相比的相對比率的參數(shù)，并且DOD可以通過測量二次電池的開路電壓而正確地估計。這是因為二次電池的DOD與二次電池的開路電壓具有一對一的關系。然而，在二次電池充電或放電期間，準確測量二次電池的開路電壓電池是不容易的。
[0012]因此，傳統(tǒng)地，復雜數(shù)學模型或能夠將二次電池的溫度和電壓與開路電壓映射的實驗得到的查找表被用來估計二次電池的開路電壓。
[0013]然而，前一方法存在需要復雜計算的缺點，后一方法存在在動態(tài)條件下在二次電池充電或放電期間應用時精度降低的缺點。特別是，在電動汽車和混合動力車的情況下，當駕駛員驅動加速器踏板時，二次電池以迅速變化的放電速率(C速率)放電，當駕駛員驅動制動踏板時，二次電池進行再生充電，并重復這個過程。因此，需要用于在二次電池的動態(tài)使用環(huán)境下，方便且正確地估計二次電池的DOD的方法。
[0014]公開內容
[0015]技術問題
[0016]本發(fā)明用來解決現(xiàn)有技術的問題，因此，本公開旨在提供用于在二次電池的動態(tài)使用期間，方便和正確地估計二次電池放電深度(DOD)的裝置和方法。
[0017]另外，考慮到市場上二次電池所需的改進的性能，本公開旨在提供方便和正確地估計由于包括至少兩種正極材料的混合正極材料而表現(xiàn)出獨特的電化學行為的二次電池的DOD的裝置和方法。
[0018]技術解決方案
[0019]在本公開的一個方面，提供一種用于估計二次電池的放電深度(DOD)的裝置，包括:傳感器單元，被配置為以一定時間間隔重復地測量包括混合正極材料的二次電池的電壓，該混合正極材料包含至少第一和第二正極材料；和控制單元，被配置為從所述傳感器單元接收重復測量的多個電壓，在對應于多個電壓的電壓變化曲線中識別拐點，并且通過使用在拐點被識別之后測量的電壓作為參考電壓，估計所述二次電池的D0D。
[0020]優(yōu)選地，控制單元可以通過使用在自拐點被識別以后的預定時間之后測量的電壓作為參考電壓，來估計D0D。在此，預定時間可以是5至60秒，優(yōu)選為20至40秒，更優(yōu)選為40至60秒。預定時間可以根據(jù)二次電池的種類而改變。
[0021]在一方面，所述控制單元可以使用預先限定所述參考電壓和所述DOD之間的相關性的查找表或查找函數(shù)，估計所述DOD。
[0022]在另一方面，所述控制單元可以在電壓變化曲線中相對于時間的電壓變化率(dV/dt)為最大時，識別所述拐點。
[0023]在一實施例中，所述控制單元可以在二次電池停止充電或放電之后測量的電壓變化曲線中，識別所述拐點。
[0024]在另一實施例中，所述控制單元可以在二次電池正在充電時測量的電壓變化曲線中，識別所述拐點。
[0025]優(yōu)選地，所述二次電池可以具有包括至少一個拐點的開路電壓曲線，或包括凸型圖案的放電電阻曲線。
[0026]在另一方面，還提供一種用于估計二次電池的DOD的裝置，包括:傳感器單元，用于以一定時間間隔重復地測量包括混合正極材料的二次電池的電壓，該混合正極材料包含至少第一和第二正極材料；和控制單元，用于從所述傳感器單元接收重復測量的多個電壓，在對應于多個電壓的電壓變化曲線中識別拐點，利用根據(jù)識別拐點之后測量的多個電壓的外插(extrapolat1n)來估計參考電壓，該參考電壓用于估計所述二次電池的D0D，以及通過使用該參考電壓估計所述DOD。
[0027]優(yōu)選地，所述控制單元可以確定逼近函數(shù)，該函數(shù)用于逼近與所述拐點被識別之后測量的多個電壓對應的電壓變化曲線，并且通過使用該逼近函數(shù)估計與預定時間對應的電壓作為參考電壓。
[0028]在一方面中，通過使用該逼近函數(shù)，可以估計與在自拐點被識別的20秒或以上、優(yōu)選30秒或以上、更優(yōu)選40秒或以上之后的時間對應的電壓作為參考電壓。
[0029]在一方面中，所述控制單元可以通過使用預先限定所述參考電壓和所述DOD之間的相關性的查找表或查找函數(shù)，估計所述DOD。
[0030]在另一方面中，所述控制單元可以在電壓變化曲線中相對于時間的電壓變化率(dV/dt)為最大時，識別所述拐點。
[0031 ] 在另一方面中，所述控制單元可以在二次電池停止充電或放電之后測量的電壓變化曲線中、或在二次電池正在充電時測量的電壓變化曲線中，識別所述拐點。
[0032]優(yōu)選地，所述二次電池具有包括至少一個拐點的開路電壓曲線，或包括凸型圖案的放電電阻曲線。
[0033]在一方面，所述控制單元可以耦合到存儲單元，并且所述控制單元可以將所述估計的DOD存儲和維持在所述存儲單元中。
[0034]在另一方面，所述控制單元可以耦合到顯示單元，并且所述控制單元可以使用圖形化界面(字母，數(shù)字，圖表，等)在顯示單元中顯示所述估計的D0D。
[0035]在另一方面，所述控制單元可以耦合到通信接口，并且所述控制單元可以通過該通信接口而將所述估計的DOD發(fā)送到外部控制單元。
[0036]在本公開的另一方面中，還提供一種電動設備，其包括用于估計二次電池的DOD的上述裝置。
[0037]在本公開的另一方面中，還提供一種用于估計二次電池的DOD的方法，包括:(a)接收以一定時間間隔重復地測量的二次電池的多個電壓，所述二次電池包括混合正極材料，混合正極材料至少包含第一和第二正極材料；(b)在對應于多個電壓的電壓變化曲線中識別拐點；(C)選擇所述拐點被識別之后測量的電壓，作為參考電壓；和(d)通過使用該參考電壓，估計所述二次電池的DOD。
[0038]在本公開的另一方面中，還提供一種用于估計二次電池的DOD的方法，包括:(a)接收以一定時間間隔重復地測量的二次電池的多個電壓，所述二次電池包括包含至少第一和第二正極材料的混合正極材料；(b)在對應于多個電壓的電壓變化曲線中識別拐點；(C)利用根據(jù)識別拐點之后測量的多個電壓的外插來估計參考電壓，該參考電壓用于估計所述二次電池的D0D;和(d)通過使用估計的參考電壓估計所述D0D。
[0039]根據(jù)本公開所述的用于估計二次電池的DOD的方法還可以包括:存儲估計的D0D、和/或顯示估計的DOD和/或發(fā)送估計的DOD。
[0040]在本公開中，第一正極材料可以是由化學式A[AxMy]02+z(A包括Li，Na和K中的至少一個；M 包括選自 Ni，Co，Mn，Ca，Mg，Al，Ti，Si，F(xiàn)e，Mo，V，Zr，Zn，Cu，Mo，Sc，Zr，Ru 和 Cr中的至少一個元素；x彡0，I < x+y ^ 2,-0.1 ^ z ^ 2 ;并且，選擇x、y、z和包括在M中的成分的化學計量系數(shù)，以使得該化合物保持電中性)表示的堿金屬化合物，或在US6677082和US6680143中公開的堿金屬化合物XLiM1O2-(l_x) Li2M2O3 (M1包括具有等于3的平均氧化狀態(tài)的至少一個元素；M2包括具有等于4的平均氧化狀態(tài)的至少一個元素；0 < X < I)。[0041 ] 第二正極材料可以是由化學式LiaM1xFehM2yPpyM3zCVz表示的鋰金屬磷酸鹽，其中，M1是從由Ti, Si, Mn, Co, V, Cr, Mo, Fe, Ni, Nd, Mg和Al構成的組中選擇的至少一個元素；M2是從由 Ti, Si, Mn, Co, V, Cr, Mo, Fe, Ni, Nd, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 和 S 構成的組中選擇的至少一個元素；M3是從包含F(xiàn)的鹵族元素構成的組中選擇的至少一個；0〈a彡2，O彡X彡1，O彡y<l, O ( z〈l ;并且，選擇a、x、y、z和包括在M1、M2、和M3中的成分的化學計量系數(shù)，以使得鋰金屬磷酸鹽保持電中性，或Li具(PO4)3，其中M是選自Ti，Si，Mn，Co，V，Cr，Mo，Ni, Mg和Al構成的組中的至少一個元素。
[0042]二次電池可以進一步包括具有工作離子的電解質，和將正極與負極電隔離、并且允許工作離子移動的隔板。電解質不限于特定類型，只要它包括工作離子且可以使用工作離子在正極和負極上引起電化學氧化或還原反應。
[0043]二次電池可以進一步包括殼體，以密封正極、負極、和隔板。殼體的材料沒有特定限制，只要其具有化學安全性。
[0044]二次電池的外觀由殼體的結構決定。殼體的結構可以是本領域已知的各種結構，典型地，可以具有圓柱形，棱形，袋形，硬幣形，等。
[0045]根據(jù)本公開，可以在二次電池的動態(tài)使用期間，可靠地估計二次電池放電深度(DOD)。優(yōu)選地，對于包括表現(xiàn)出獨特電壓變化圖案的包括混合正極材料的二次電池，也可以獲得可靠的DOD估計。
【附圖說明】
[0046]附圖示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并且與上述內容一起用于提供對本發(fā)明技術精神的進一步理解，因此，本發(fā)明不應解釋為受限于附圖。
[0047]圖1是示意性地示出根據(jù)本公開示例性實施例的用于估計二次電池的放電深度(D