用于估算混合二次電池的狀態(tài)的裝置及其方法
【技術領域】
[0001] 本公開設及用于使用擴展卡爾曼濾波器估算混合二次電池的電壓的裝置和方法。
[0002] 本申請要求2013年10月14日在韓國提交的韓國專利申請No. 10-2013-0122273的 權益，通過引用將其公開內容W其整體并入本文中。另外，本申請要求2014年10月13日在韓 國提交的韓國專利申請No. 10-2014-0137842的權益，并通過引用將其公開內容W其整體并 入本文中。
【背景技術】
[0003] 通過電化學氧化還原生成電能的電池應用領域廣泛。例如，電池被用于逐步擴大 的領域，包括：用戶手中隨身攜帶的裝置，諸如便攜式電話、便攜式計算機、數(shù)碼相機、攝像 機、平板電腦、電動工具等；電驅動裝置諸如電動自行車、電動自行車、電動汽車、混合動力 汽車、電動船、電動飛機等；用于儲存由可再生能源生成的電力或生成的盈余電力的蓄電裝 置;或向包括服務器、通訊用基站等的各種信息通訊裝置穩(wěn)定地供應電力的不間斷電源。
[0004] 電池包含=個基本元件，即：負極，包含在放電期間經(jīng)歷氧化并釋放電子的材料； 正極，包含在放電期間經(jīng)歷還原并接受電子的材料;和電解質，其允許工作離子在負極與正 極之間移動。
[0005] 可W將電池分為：一次電池，其在放電之后不再可用；和二次電池，其具有至少部 分可逆的電化學反應，由此可重復充放電。
[0006] 對于二次電池，已知的有鉛酸電池、儀儒電池、儀鋒電池、儀鐵電池、氧化銀電池、 儀金屬氨化物電池、鋒-氧化儘電池、鋒-漠化物電池、金屬空氣電池、裡二次電池等。
[0007] 其中，考慮到比其它二次電池相對更高的能量密度、更高的電池電壓和更長的膽 存壽命，裡二次電池正受到最大的商業(yè)關注。
[000引關于二次電池，用于正極材料和負極材料的材料對二次電池的性能有關鍵性的影 響。因此，正進行各種努力W提供在高溫下具有穩(wěn)定性且可W提供高能量容量和低制造成 本的正極材料和負極材料。
[0009] 然而，開發(fā)在所有方面均具有優(yōu)異性能的正極材料和負極材料并不容易。因此，近 來嘗試通過并聯(lián)連接彼此包含不同類型的正極材料和負極材料的二次電池來彌補各種二 次電池的缺點。
[0010] 下文中，將會把通過并聯(lián)連接不同類型的二次電池形成的二次電池稱為"混合二 次電池"。
[0011] 同時，當構成電池具有彼此不同的工作電壓范圍時，混合二次電池常常具有包含 拐點的電壓曲線。運是因為，當構成電池具有不同的工作電壓范圍時，在混合二次電池的充 電或放電期間占主導地位的反應動力學將會改變。
[0012] 同時，當混合二次電池的電壓曲線具有拐點時，即使在輕微電壓變化的情況下充 電狀態(tài)也顯著改變。因此，在拐點附近直接使用電壓估算混合二次電池的充電狀態(tài)伴隨有 增大充電狀態(tài)估算誤差的缺點。
[0013] 作為參考，在本領域中充電狀態(tài)被稱為荷電狀態(tài)（SOC)參數(shù)。可W通過利用參數(shù) SOC和Z的定量表示來表示荷電狀態(tài)的值。荷電狀態(tài)可W利用參數(shù)SOC表示為百分比（0~ 100%)，且可W利用參數(shù)Z表示為數(shù)(0~1)。通常，可W利用安培計數(shù)法測量荷電狀態(tài)。
[0014] 因此，本公開的技術領域需求估算混合二次電池的荷電狀態(tài)的新方式。

【發(fā)明內容】

[001引技術問題
[0016]本公開設計用來解決相關領域的問題，因此本公開旨在提供用于使用擴展卡爾曼 濾波器估算混合二次電池的狀態(tài)的裝置和方法，在所述混合二次電池中將具有彼此不同的 電化學特性的二次電池并聯(lián)連接。
[0017]技術方案
[0018] 根據(jù)本公開，提供的為用于使用擴展卡爾曼濾波器估算混合二次電池的狀態(tài)的裝 置，其估算混合二次電池的狀態(tài)，所述混合二次電池包含電化學特性彼此不同且彼此并聯(lián) 連接的第一二次電池和第二二次電池。
[0019] 根據(jù)本公開，混合二次電池的"狀態(tài)"指的是在充電或放電期間周期性改變的參 數(shù)。
[0020] 根據(jù)一個方面，混合二次電池的電壓或荷電狀態(tài)根據(jù)充電和放電在預定范圍內具 有增加且然后減小的周期變化特性。因此，作為指示混合二次電池的狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)包含 電壓和荷電狀態(tài)。
[0021] 根據(jù)另一個方面，也作為指示混合二次電池的狀態(tài)的狀態(tài)參數(shù)包括混合二次電池 中包含的第一二次電池和第二二次電池的荷電狀態(tài)。
[0022] 例如，隨著混合二次電池充電或放電，第一二次電池和第二二次電池的荷電狀態(tài) 也周期性改變。因此，也作為指示混合二次電池的狀態(tài)的參數(shù)包含第一二次電池的荷電狀 態(tài)和第二二次電池的荷電狀態(tài)。
[0023] 根據(jù)本公開，本文中所用的"電化學特性"指的是下述至少一種：電池容量、電池使 用電壓范圍、根據(jù)荷電狀態(tài)的最大/最小電池充電率或最大/最小電池放電率、低速率放電 特性、高速率放電特性、基于溫度的最大/最小充電率或最大/最小放電率、充電或放電曲 線、根據(jù)荷電狀態(tài)變化的電阻曲線、根據(jù)荷電狀態(tài)變化的開路電壓曲線和表明電池的容量 特性相對于電壓的dQ/dV分布。
[0024] 優(yōu)選地，為了具有彼此不同的電化學特性，第一二次電池和第二二次電池在正極 材料、負極材料或電解質方面可W至少有一種不同。
[0025] 優(yōu)選地，第一和第二二次電池可W為其中由裡離子引起電化學反應的裡二次電 池。
[0026] 優(yōu)選地，用于估算混合二次電池的狀態(tài)的裝置可W包含（i)傳感器單元，所述傳感 器單元W-定的時間間隔測量混合二次電池的工作電壓和工作電流，和（ii)控制單元，所 述控制單元與傳感器單元電連接并且通過使用狀態(tài)方程和輸出方程執(zhí)行擴展卡爾曼濾波 算法來估算包括第一二次電池和第二二次電池的至少一者的荷電狀態(tài)的混合二次電池的 狀態(tài)，狀態(tài)方程包含第一二次電池和第二二次電池的至少一者的荷電狀態(tài)作為狀態(tài)參數(shù)， 并且輸出方程包含混合二次電池的電壓作為輸出參數(shù)。
[0027]優(yōu)選地，狀態(tài)方程和輸出方程從電路模型導出，且電路單元可W包含分別對應于 第一二次電池和第二二次電池且彼此并聯(lián)連接的第一電路單元和第二電路單元。
[00%]根據(jù)一個方面，第一電路單元包含第一開路電壓元件和可選的第一阻抗元件，且 通過第一開路電壓元件和第一阻抗元件模擬第一二次電池的電壓變化。
[0029] 在一個實施例中，第一開路電壓元件形成根據(jù)第一二次電池的荷電狀態(tài)的開路電 壓，且第一阻抗元件形成根據(jù)流經(jīng)第一電路單元的電流的阻抗電壓。
[0030] 下文中，第一二次電池的荷電狀態(tài)被稱為"第一荷電狀態(tài)"，由第一開路電壓元件 形成的電壓被稱為"第一開路電壓"，流經(jīng)第一電路單元的電流被稱為"第一電流"，且包含 在第一阻抗電壓元件中的電路元件形成的電壓被稱為"第一阻抗電壓"。
[0031] 根據(jù)另一個方面，第二電路單元包含第二開路電壓元件和可選的第二阻抗元件， 且通過第二開路電壓元件和第二阻抗元件模擬第二二次電池的電壓變化。
[0032] 在一個實施例中，第二開路電壓元件形成根據(jù)第二二次電池的荷電狀態(tài)的開路電 壓，且第二阻抗元件形成根據(jù)流經(jīng)第二電路單元的電流的阻抗電壓。
[0033] 下文中，第二二次電池的荷電狀態(tài)被稱為"第二荷電狀態(tài)"，由第二開路電壓元件 形成的電壓被稱為"第二開路電壓"，流經(jīng)第二電路單元的電流被稱為"第二電流"，且由包 含在第二阻抗電壓元件中的電路元件形成的電壓被稱為"第二阻抗電壓"。
[0034] 優(yōu)選地，基于第一荷電狀態(tài)與第一開路電壓之間預定義的相關性可W確定第一開 路電壓。此外，基于第二荷電狀態(tài)與第二開路電壓之間預定義的相關性可W確定第二開路 電壓。
[0035] 根據(jù)本公開，從第一二次電池和第二二次電池的每一荷電狀態(tài)測得的開路電壓曲 線可W分別獲得所述預定義的相關性。
[0036] 根據(jù)一個方面，預定義的相關性可W是查找表，所述查找表可W映射每一荷電狀 態(tài)對應的開路電壓。
[0037] 通過使用關于第一和第二二次電池的每一荷電狀態(tài)測得的開路電壓數(shù)據(jù)可W獲 得所述查找表。
[0038] 根據(jù)另一個方面，預定義的相關性可W為查找函數(shù)，所述查找函數(shù)可W分別包含 荷電狀態(tài)和開路電壓作為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。
[0039] 通過對構建關于第一和第二二次電池的每一荷電狀態(tài)測得的開路電壓曲線的坐 標數(shù)據(jù)的數(shù)值分析可W獲得所述查找函數(shù)。
[0040] 根據(jù)本公開，狀態(tài)參數(shù)可W包含選自如下中的至少一個：由包含在第一阻抗元件 中的電路元件形成的電壓，和由包含在第二阻抗元件中的電路元件形成的電壓。
[0041] 根據(jù)一個方面，狀態(tài)方程可W包含第一電流和第二電流作為輸入?yún)?shù)。
[0042] 優(yōu)選地，每當經(jīng)過預定的時間時，控制單元可W使用第一電流分布方程和第二電 流分布方程W及通過傳感器單元測得的工作電流定時更新第一電流和第二電流，第一電流 分布方程和第二電流分布方程從電路模型的電流分析導出。
[0043] 根據(jù)另一個方面，輸出方程從電路模型的電壓分析導出，且可W包含多個輸入?yún)?數(shù)。
[0044] 優(yōu)選地，所述多個輸入?yún)?shù)可W包含：（i)由傳感器單元測得的混合二次電池的工 作電流；（ii)第一開路電壓；（iii)第二開路電壓；（iv)可選的第一阻抗電壓;和(V)可選的 第二阻抗電壓。
[0045] 根據(jù)一個方面，可W定義狀態(tài)方程，使得通過合計隨著時間流經(jīng)第一電路單元的 第一電流和流經(jīng)第二電路單元的第二電流而定時更新第一荷電狀態(tài)和第二荷電狀態(tài)。
[0046] 在W上實例中，通過經(jīng)由使用狀態(tài)方程執(zhí)行擴展卡爾曼濾波算法的[狀態(tài)估算定 時更新]，控制單元可W定時更新第一荷電狀態(tài)和第二荷電狀態(tài)。
[0047] 根據(jù)另一個方面，可W定義狀態(tài)方程，使得第一阻抗電壓根據(jù)從第一阻抗元件的 電路分析導出的第一阻抗電壓公式而隨著時間變化。此外，可W定義狀態(tài)方程，使得第二阻 抗電壓根據(jù)從第二阻抗元件的電路分析導出的第二阻抗電壓公式而隨著時間變化。
[0048] 在W上實例中，通過經(jīng)由使用狀態(tài)方程執(zhí)行擴展卡爾曼濾波算法的[狀態(tài)估算定 時更新]，控制單元可W定時更新第一阻抗電壓和第二阻抗電壓。
[0049] 優(yōu)選地，第一阻抗電壓公式和第二阻抗電壓公式可W定時更新由串聯(lián)連接的至少 一個或多個RC電路形成的電壓。
[0050] 優(yōu)選地，通過使用從狀態(tài)方程導出的雅可比矩陣，控制單元可W執(zhí)行擴展卡爾曼 濾波算法的[誤差協(xié)方差定時更新]。
[0051] 此外，通過經(jīng)由使用輸出方程