用于估算包含混合正极材料的二次电池的充电状态的设备和方法技术

本发明专利技术公开了一种用于对二次电池的充电状态(SOC)进行估算的设备，所述二次电池包含：(i)正极，所述正极包含具有第一正极材料和第二正极材料的混合正极材料，其中所述第一正极材料和第二正极材料具有不同的运行电压范围；(ii)包含负极材料的负极；和(iii)隔膜，所述隔膜用于将所述正极与所述负极隔开。所述设备包含：传感器，所述传感器被构造为在所述二次电池的充电期间对所述二次电池的动态电压进行测量；和控制单元，所述控制单元被构造为将所述二次电池的动态电压曲线识别为过渡区域电压图案，计算所述过渡区域电压图案的参数，并通过使用所述参数与SOC之间的预定关系根据计算的参数对所述二次电池的SOC进行估算。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于估算包含混合正极材料的二次电池的充电状态的设备和方法
本专利技术涉及对二次电池的充电状态(SOC)进行估算的方法和设备。本专利技术主张2012年6月13日在韩国提交的韩国专利申请10-2012-0063329号和2013年3月15日在韩国提交的韩国专利申请10-2013-0028297号的优先权，通过参考将其内容并入本文中。
技术介绍
电池通过氧化和还原反应产生电能并以多种方式被广泛应用。例如，电池应用于：便携式装置如移动电话、膝上型电脑、数字照相机、摄像机、台式计算机和电动工具；电动设备如电动自行车、摩托车、电动车辆、混合动力车辆、电动轮船和电动飞机；动力存储装置，所述动力存储装置用于存储由新再生能源产生的电力或发电站的剩余能量；用于向各种信息通信装置如服务器计算机和通信用基站稳定供应电力的不间断电源等。电池包括三种基本部件：负极，所述负极包含在放电期间发射电子同时被氧化的材料；正极，正极包含在放电期间接受电子同时被还原的材料；和电解质，所述电解质使得运行离子在负极与正极之间迁移。电池可以分为：原电池，所述原电池在放电之后不能再使用；和二次电池，所述二次电池允许重复充电和放电，因为其电化学反应至少部分可逆。如同本领域所熟知的，二次电池包含铅酸电池、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-锰氧化物电池、锌-溴化物电池、金属-空气电池、锂二次电池等。其中，锂二次电池由于其比其他二次电池具有更高的能量密度、更高的电池电压和更长的寿命循环而引起了极大关注。在锂二次电池中，用作正极材料的材料大大影响二次电池的性能。因此，为了提供具有高温稳定性、大能量容量、长寿命和低制造成本的正极材料，已经进行了各种尝试。
技术实现思路
技术问题本专利技术涉及提供：混合正极材料，所述混合正极材料可以通过混合至少两种正极材料弥补个体正极材料的不足；和用于对包含所述混合正极材料的二次电池的SOC进行估算的设备和方法。技术方案在本专利技术的一个方面中，提供一种用于对二次电池的充电状态(SOC)进行估算的设备，所述二次电池包含：(i)正极，所述正极包含具有第一正极材料和第二正极材料的混合正极材料，其中所述第一正极材料和第二正极材料具有不同的运行电压范围；(ii)包含负极材料的负极；和(iii)隔膜，所述隔膜用于将所述正极与所述负极隔开，所述设备包含：传感器，所述传感器被构造为在二次电池充电期间对所述二次电池的动态电压进行测量；和控制单元，所述控制单元被构造为将所述二次电池的动态电压曲线识别为过渡区域电压图案、计算所述过渡区域电压图案的参数并通过使用所述参数与所述SOC之间的预定关系根据计算的参数对所述二次电池的SOC进行估算。此处，SOC表示存储在二次电池中的电能的量并认为是充电状态的参数。SOC可以使用参数SOC和z来定量表达。当SOC以百分比表达时，使用SOC参数，且当SOC表达为不大于1的值时，使用z参数。利用安培计可以测量SOC，且不限制于此。另外，过渡区域电压图案指的是具有拐点且形状随拐点而发生曲率变化的电压曲线。例如，曲率从凹入形状变为凸起形状。在其中当二次电池充电的时反应动力学发生变化的SOC区域中产生过渡区域电压图案。在其他情况中，在其中主要与运行离子反应的正极材料的类型变化的SOC区域中产生过渡区域电压图案。下文中，为了方便，将其中产生过渡区域电压图案的SOC区域定义为过渡区域。另外，动态电压指的是在对二次电池进行充电或放电的同时测量的电压。因此，即使二次电池的SOC相同，动态电压仍与在二次电池处于无负载状态时测量的开路电压不同。这种不同是由在二次电池充电或放电时所发生的IR效应、极化效应等造成的。然而，动态电压具有与随SOC变化而变化的开路电压类似的变化图案。例如，如果开路电压的曲线在特定SOC区域内具有曲率变化，则动态电压曲线也在相同SOC区域中具有曲率变化。运行离子指的是在二次电池充电或放电时与第一正极材料和第二正极材料电化学反应的离子。运行离子可以随二次电池的类型变化。例如，在锂二次电池的情况中，运行离子可以为锂离子。所述反应表示二次电池的充电或放电过程所伴随的包括第一正极材料和第二正极材料的氧化和还原反应的电化学反应，且可以随二次电池的运行机理而变化。例如，电化学反应指的是，运行离子嵌入第一正极材料和/或第二正极材料或从其脱嵌。在此情况中，嵌入第一和/或第二正极材料或从其脱嵌的运行离子的浓度可以随二次电池电压的变化而变化。例如，在特定电压范围内，与第二正极材料相比，运行离子可以优先嵌入第一正极材料中，在另一个电压范围内，与第一正极材料相比，运行离子可以优先嵌入第二正极材料中。另外，在特定电压范围内，与第一正极材料相比，运行离子可以优先从第二正极材料脱嵌，在另一个电压范围内，与第二正极材料相比，运行离子可以优先从第一正极材料脱嵌。换言之，当二次电池处于充电或放电模式下时，第一正极材料和第二正极材料可以具有不同的运行电压范围，所述运行电压范围是其被活化的电压范围。此处，第一正极材料和第二正极材料的活化指的是，相应正极材料与运行离子发生电化学反应。在实施方案中，为了满足与第一正极材料和第二正极材料反应的运行离子的浓度随电压而变化的条件，第一正极材料和第二正极材料可以满足如下条件中的至少一个条件。例如，当对各种正极材料的dQ/dV分布进行测量时，第一正极材料和第二正极材料可以在呈现在dQ/dV分布中的主峰的位置和/或强度方面存在不同。此处，dQ/dV分布表示正极材料在各个电压下相对于运行离子的容量特性。所述主峰的位置和/或强度的不同可以随第一正极材料和第二正极材料的类型而变化。在另一个实施方案中，当在各个SOC处对包含第一正极材料和第二正极材料的锂二次电池的放电电阻进行测量时，放电电阻曲线会呈凸起的图案。在另一个实例中，当关于各个SOC对包含第一正极材料和第二正极材料的二次电池的放电电阻进行测量时，放电电阻曲线可以在凸起的图案之前和之后具有至少两个拐点。在另一个实例中，包含第一正极材料和第二正极材料的二次电池的开路电压曲线可以具有至少一个电压平台。此处，电压平台指的是其中存在拐点且在所述拐点之前或之后曲线的曲率发生变化的区域。在另一个实例中，第一正极材料和第二正极材料中至少一者可以具有带有电压平台的电压曲线。在实施方案中，第一正极材料可以为由化学通式A[AxMy]O2+z(A包括选自Li、Na和K中的至少一种；M包括选自如下元素中的至少一种元素：Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、V、Zr、Zn、Cu、Mo、Sc、Zr、Ru和Cr；x≥0，1≤x+y≤2，-0.1≤z≤2；且x、y、z和包括在M中的组分的化学计量系数以化合物保持电中性的方式选择)表示的碱金属化合物。任选地，第一正极材料可以为由xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3表示的碱金属化合物，其中M1包括具有+3平均氧化态的至少一种元素；M2包括具有+4平均氧化态的至少一种元素；且0≤x≤1，其公开在US6,677,082、US6,680,143等中。在另一个实施方案中，第二正极材料可以为由化学通式LiaM1xFe1-xM2yP1-yM3zO4-z(M1是选自如下元素中的至少一种元素：Ti、Si、Mn、C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于估算二次电池的充电状态(SOC)的设备，所述二次电池包含：(i)正极，所述正极包含具有第一正极材料和第二正极材料的混合正极材料，其中所述第一正极材料和第二正极材料具有不同的运行电压范围；(ii)包含负极材料的负极；和(iii)隔膜，所述隔膜用于将所述正极与所述负极隔开，所述设备包含：传感器，所述传感器被构造为在所述二次电池的充电期间对所述二次电池的动态电压进行测量；和控制单元，所述控制单元被构造为将所述二次电池的动态电压曲线识别为过渡区域电压图案，计算所述过渡区域电压图案的参数，并通过使用所述参数与SOC之间的预定关系，根据计算的参数对所述二次电池的SOC进行估算。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.13 KR 10-2012-0063329;2013.03.15 KR 10-2011.一种用于估算二次电池的充电状态的设备，所述二次电池包含：(i)正极，所述正极包含具有第一正极材料和第二正极材料的混合正极材料，其中所述第一正极材料和第二正极材料具有不同的运行电压范围；(ii)包含负极材料的负极；和(iii)隔膜，所述隔膜用于将所述正极与所述负极隔开，所述设备包含：传感器，所述传感器被构造为在所述二次电池的充电期间对所述二次电池的动态电压进行测量；和控制单元，所述控制单元被构造为当所述二次电池的动态电压曲线具有拐点，所述动态电压曲线具有不同曲率，或所述动态电压曲线的一阶微分值具有最大值时，将所述动态电压曲线识别为过渡区域电压图案，计算所述过渡区域电压图案的参数，并通过使用所述参数与充电状态之间的预定关系，根据计算的参数对所述二次电池的充电状态进行估算。2.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述过渡区域电压图案具有至少一个拐点，以及其中计算的参数包括选自如下参数中的至少一个参数：初始充电电压V初始，在所述初始充电电压V初始处在识别的过渡区域电压图案中电压开始升高；最终充电电压V最终，在所述最终充电电压V最终处在识别的过渡区域电压图案中电压停止升高；时间τ，所述时间τ是在识别的过渡区域电压图案中从电压开始升高的时间点直至出现所述拐点所花费的时间；在所述拐点处的dV/dt，其中V＝动态电压；在所述拐点处的dV/dSOC，其中V＝动态电压，SOC＝充电状态；时间△T，所述时间△T是所述二次电池的动态电压从初始充电电压变化到最终充电电压所花费的时间；整个识别的过渡区域电压图案的积分值；以及通过对在所述拐点之前或之后在预定时间范围内的所述过渡区域电压图案进行积分而得到的积分值。3.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述预定关系是其中定义了所述参数与所述充电状态之间的关系的查找表。4.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述预定关系是其中所述参数为输入变量且所述充电状态为输出变量的查找函数。5.根据权利要求3的用于估算二次电池的充电状态的设备，还包含其中存储所述查找表的存储单元。6.根据权利要求4的用于估算二次电池的充电状态的设备，还包含其中存储所述查找函数的存储单元。7.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中在与测量动态电压的充电条件相同的充电条件下预先确定所述关系。8.根据权利要求1或7的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中估算的充电状态为在充电开始之前的充电状态或在充电完成之后的充电状态。9.根据权利要求8的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述传感器测量充电期间所述二次电池的电流，以及其中所述控制单元估算充电开始之前的充电状态，然后将测量的电流积分以计算充电状态的变化量，并将所述充电状态的变化量应用于估算的充电状态以估算充电完成之后的充电状态。10.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述充电是在时间间隔下重复的脉冲充电。11.根据权利要求10的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中每当重复所述脉冲充电时，所述控制单元对所述二次电池的充电状态进行估算。12.根据权利要求10的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中在各次脉冲充电期间，当确立将所述动态电压曲线识别为所述过渡区域电压图案的条件时，所述控制单元对所述二次电池的充电状态进行估算。13.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，还包含用于通过图形界面显示估算的充电状态的显示单元，其中所述控制单元将估算的充电状态输出到所述显示单元。14.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，还包含存储估算的充电状态的存储单元，其中所述控制单元将估算的充电状态存储在所述存储单元中。15.根据权利要求1的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述控制单元将估算的充电状态输出到外部。16.一种用于估算二次电池的充电状态的设备，所述二次电池包含：(i)正极，所述正极包含具有第一正极材料和第二正极材料的混合正极材料，其中所述第一正极材料和第二正极材料具有不同的运行电压范围；(ii)包含负极材料的负极；和(iii)隔膜，所述隔膜用于将所述正极与所述负极隔开，所述设备包含：传感器，所述传感器被构造为在所述二次电池的充电期间对所述二次电池的动态电压进行测量；和控制单元，所述控制单元被构造为计算所述动态电压关于时间的一阶微分值、所述动态电压关于所述二次电池的充电状态的一阶微分值或所述动态电压关于时间的二阶微分值作为拐点标识符，在所述拐点标识符满足如下条件时确定与过渡区域电压图案相对应的参数：所述关于时间的一阶微分值变为最大值，所述关于所述二次电池的充电状态的一阶微分值变为最大值，或所述关于时间的二阶微分值变为零，并通过使用所述参数与所述二次电池的充电状态之间的预定关系，根据计算的参数对所述二次电池的充电状态进行估算。17.根据权利要求16的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中预定的参数包括选自如下参数中的至少一个参数：初始充电电压V初始；最终充电电压V最终；时间τ，所述时间τ是从初始充电点直至满足拐点出现条件所花费的时间；在满足拐点出现条件时的dV/dt，其中V＝动态电压；在满足拐点出现条件时的dV/dSOC，其中V＝动态电压，SOC＝充电状态；时间△T，所述时间△T是所述二次电池的动态电压从所述初始充电电压变化到所述最终充电电压所花费的时间；从所述初始充电电压到所述最终充电电压的积分值；以及在满足拐点出现条件的时间点之前或之后在预定时间范围内所测量的动态电压的积分值。18.根据权利要求16的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中每当测量所述动态电压时，所述控制单元更新所述拐点标识符。19.根据权利要求16的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述预定关系是其中定义了所述参数与所述充电状态之间的关系的查找表。20.根据权利要求16的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述预定关系是其中所述参数为输入变量且所述充电状态为输出变量的查找函数。21.一种用于估算二次电池的充电状态的设备，所述二次电池包含：(i)正极，所述正极包含具有第一正极材料和第二正极材料的混合正极材料，其中所述第一正极材料和第二正极材料具有不同的运行电压范围；(ii)包含负极材料的负极；和(iii)隔膜，所述隔膜用于将所述正极与所述负极隔开，且所述二次电池装载在支持混合电动车辆模式的电动车辆上，所述设备包含：传感器，所述传感器被构造为在所述混合电动车辆模式中在所述二次电池的充电期间对所述二次电池的动态电压进行测量；和控制单元，所述控制单元被构造为当所述二次电池的动态电压曲线具有拐点，所述动态电压曲线具有不同曲率，或所述动态电压曲线的一阶微分值具有最大值时，将所述动态电压曲线识别为过渡区域电压图案，计算所述过渡区域电压图案的参数，并通过使用所述参数与充电状态之间的预定关系，根据计算的参数对所述二次电池的充电状态进行估算。22.根据权利要求21的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中所述过渡区域电压图案具有至少一个拐点，且其中计算的参数包括选自如下参数中的至少一个参数：初始充电电压V初始，在所述初始充电电压V初始处在识别的过渡区域电压图案中电压开始升高；最终充电电压V最终，在所述最终充电电压V最终处在识别的过渡区域电压图案中电压停止升高；时间τ，所述时间τ是在识别的过渡区域电压图案中从电压开始升高的时间点直至出现所述拐点所花费的时间；在所述拐点处的dV/dt，其中V＝动态电压；在所述拐点处的dV/dSOC，其中V＝动态电压，SOC＝充电状态；时间△T，所述时间△T是所述二次电池的动态电压从所述初始充电电压变化到所述最终充电电压所花费的时间；整个识别的过渡区域电压图案的积分值；以及通过对在所述拐点之前或之后在预定时间范围内的所述过渡区域电压图案进行积分而得到的积分值。23.根据权利要求21的用于估算二次电池的充电状态的设备，其中当在所述混合电动车辆模式中重复所述二次电池的充电和放电循环时，所述控制单元对在各次充电循环处的所述充电状态进行估算。24....

【专利技术属性】
技术研发人员：赵源泰，车善英，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR