用于估計電池容量的劣化的設備和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于估計電池容量劣化的設備和方法。根據本發明的估計電池容量劣化的設備包括：用于在預定充電電壓范圍內測量電池電壓和電流的感測單元；存儲由感測單元所測量的電池電壓和電流值和由實際劣化程度被已知的電池的安培累積試驗而獲得的對每個健康狀態（SOH）的累加電流值的存儲器單元；和用于通過累加存儲器單元中存儲的在充電電壓范圍內所測量的電流值來計算累加電流值以及通過按照存儲器單元中存儲的對每個SOH的累加電流值映射對應于所計算的累加電流值的SOH值來估計SOH值的控制單元。
【專利說明】用于估計電池容量的劣化的設備和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于估計代表電池容量劣化的參數的電池健康狀態(SOH)的設備和方法，并且更加具體地，涉及一種用于通過使用由實際劣化程度被已知的電池的安培累積(ampere counting)試驗所獲得的SOH基安培累積值來估計電池的SOH的設備和方法。
[0002]本申請要求在2011年4月25日在韓國提交的專利申請N0.10-2011-0038545和在2012年I月4日在韓國提交的專利申請N0.10-2012-0000865的優先權，這些專利申請的公開在此通過引用而被并入。
【背景技術】
[0003]通常，使用存儲在電池中的電能在電驅動模式中驅動電動車輛或者混合電動車輛(在下文中，被稱作電驅動車輛)。
[0004]所使用的電池通常是能夠充電和放電的二次電池，且由于重復的充電和放電而導致二次電池劣化及其性能劣化。因此，當使用二次電池時，需要用于定量評價電池容量劣化的程度的技術。
[0005]健康狀態(S0H)是定量地代表由老化效應弓丨起的電池容量特性的改變的參數并且用于示出電池容量劣化的程度。因此，如果SOH已知，則電池能夠在適當的時間得到更換并且能夠通過基于電池使用時間控制用于充電和放電的電池容量而防止其過度充電和過度放電。
[0006]同時，因為電池容量特性的改變在電池內阻的改變上得到反映，所以如在本【技術領域】中眾所周知，能夠根據內阻和電池溫度估計電池的S0H。換言之，通過充電和放電試驗來測量在每一個內阻和每一個電池溫度下的電池容量。然后，將所測量的容量表示為基于電池的初始容量的相對數字值以獲得用于SOH映射的查找表。在這之后，在實際使用情況下測量內阻和電池溫度，并且然后根據查找表映射對應于所測量的內阻和溫度的SOH以估計電池的SOH。
[0007]在以上SOH估計方法中，最重要的事情是如何能夠準確獲得電池的內阻。然而，在電池充電或者放電過程期間直接地測量電池的內阻實際上是不可能的。因此，通常，測量電池電壓和電池充電或者放電電流，并且然后根據歐姆定律間接地計算電池內阻。然而，由于壓降效應，間接計算的電池電壓顯著不同于電池的實際電壓。另外，因為電池電流傾向于存在測量誤差，所以僅僅根據歐姆定律計算的內阻和根據內阻估計的SOH并不確保足夠的可靠性。
[0008]作為參考，壓降效應是指這樣一種現象，當電池通過連接到負載而開始放電時或者當電池通過連接到外部電力而開始充電時，電池電壓快速地改變。換言之，當放電啟動時電池電壓快速地降低，并且當充電啟動時電池電壓快速地增加。
[0009]作為SOH估計方法的其他實例，有完全放電測試、化學測試和歐姆測試。在完全放電測試中，通過完全放電已被完全充電的電池單元并且然后測量電池單元的容量來估計電池的S0H。然而，這種方法中斷連接到電池的系統的操作并且浪費電池單元的能量。在化學測試中，通過測量基板的腐蝕和鉛酸電池的電解質濃度來估計電池的SOH。在歐姆測試中，通過測量電阻、導電率和阻抗來測量電池的SOH。然而，前述方法不利地要求電池的侵入式測量。因此，對于實際上使用二次電池的電驅動車輛，需要一種并不中斷連接的系統并且不浪費電池能量的非侵入式方法。
[0010]作為滿足以上要求的SOH估計方法的其他實例，根據電池的充電或者放電電流估計電池的荷電狀態(SOC)并且通過使用估計的SOC而估計電池的SOH也是可能的。然而，在這種方法中，因為在電流測量進程中產生的測量誤差是連續地積累的，所以被用作估計電池的SOH的基礎的、SOC的準確度隨著時間劣化。因此，難以估計電池的、可靠的S0H。
[0011]作為SOH估計方法的其他實例，還可以通過使用卡爾曼濾波器或者擴展卡爾曼濾波器來估計電池的S0H。然而，因為這種方法使用復雜的數學模型來估計電池的S0H，所以不僅計算程序過于復雜，而且需要高規格的中央處理單元以實現該計算。
【發明內容】
[0012]技術問題
[0013]本發明被設計用于解決現有技術的問題，并且因此本發明的目的在于提供一種用于容易地以高準確度估計電池的健康狀態(SOH)的設備和方法。
[0014]本公開的另一個目的在于提供一種可以容易地通過使用從實際劣化程度被已知的電池的安培累積試驗所獲得的SOH基安培累積值而以高準確度來估計電池的SOH的、用于估計電池的SOH的設備和方法。
[0015]本公開的又一個目的在于提供一種可以通過作為在當前時間的SOH值估計在不同的時間點估計的多個SOH值的算術平均值或者加權平均值而改進SOH估計的準確度的、用于估計電池的SOH的設備和方法。
[0016]技術方案
[0017]為了實現以上目的，本公開的一個方面提供一種用于估計電池的健康狀態(SOH)的設備，該設備包括:用于在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓和電流的感測單元；存儲由感測單元所測量的電池電壓和電流值和由實際劣化程度被已知的電池的安培累積試驗而獲得的SOH基安培累積值的存儲器單元；和用于通過累積存儲器單元中存儲的在充電電壓范圍內所測量的電流值來計算安培累積值以及通過按照存儲器單元中存儲的SOH基安培累積值映射對應于所計算的安培累積值的SOH值來估計SOH值的控制單元。
[0018]根據本公開的一個實施例，控制單元可以通過在存儲器單元中存儲所計算的SOH值并且對所計算的SOH值和存儲在存儲器單元中的以前的SOH值取平均來估計SOH值。
[0019]根據本公開的另一個實施例，控制單元可以通過在存儲器單元中存儲所計算的SOH值并且獲得所計算的SOH值和存儲在存儲器單元中的以前的SOH值的加權平均值(S0H值被越早測量賦予權重越高)來估計SOH值。
[0020]在本公開中，充電電壓范圍可優選包括3.7V到4V的電壓范圍。
[0021]優選地，控制單元可以在存儲器單元中存儲所估計的SOH值。
[0022]為了實現以上目的，本公開的另一個方面提供一種用于估計電池的健康狀態(SOH)的設備，該設備包括:用于在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓、電流和溫度的感測單元；存儲由感測單元所測量的電池電壓、電流和溫度值和根據實際劣化程度被已知的電池的溫度由安培累積試驗而獲得的SOH與溫度基安培累積值的存儲器單元；和用于通過累積存儲在存儲器單元中的在充電電壓范圍內所測量的電流值來計算安培累積值并且通過按照存儲在存儲器單元中的SOH與溫度基安培累積值映射對應于所計算的安培累積值和電池溫度的SOH值來估計SOH值的控制單元。
[0023]根據本公開，控制單元可以通過在存儲器單元中存儲所計算的SOH值并且對所計算的SOH值和存儲在存儲器單元中的以前的SOH值取平均來估計SOH值。
[0024]為了實現以上目的，本公開的一個方面提供一種用于估計電池的健康狀態(SOH)的方法，該方法包括:(a)存儲由實際劣化程度被已知的電池的安培累積試驗而獲得的SOH基安培累積值；(b)存儲通過在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓和電流而獲得的電池電壓和電流值；(C)通過累積所存儲的在充電電壓范圍內的電流值來計算安培累積值；和Cd)通過按照存儲的SOH基安培累積值映射所計算的安培累積值來估計SOH值。
[0025]為了實現以上目的，本公開的另一個方面提供一種用于估計電池的SOH的方法，該方法包括(a)存儲由根據實際劣化程度被已知的電池的溫度的安培累積試驗而獲得的SOH與溫度基安培累積值；(b)存儲通過在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓、電流和溫度而獲得的電池電壓、電流和溫度值；(C)通過累積所存儲的在充電電壓范圍內的電流值來計算安培累積值；和((1)通過按照存儲SOH與溫度基安培累積值映射所計算的安培累積值和電池溫度來估計SOH值。
[0026]有益的效果
[0027]根據本公開，可以估計電池的健康狀態(S0H)，而不使用復雜的計算。此外，通過電池的SOH的準確的估計，本公開可以被應用于各種應用，諸如電池更換時間的估計。進而，準確的SOH估計允許基于電池容量劣化的程度來控制電池充電或者放電容量。因此，可以防止過度充電或者過度放電，并且電池的安全性可以得到改進。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]通過參考附圖，根據實施例的以下說明，本公開的其它目的和方面將變得清楚，其中:
[0029]圖1是示出根據本公開的實施例的用于估計電池的健康狀態(SOH)的設備的示意框圖；
[0030]圖2是示出根據本公開的實施例的在3.7V到4V的充電電壓范圍內測量的累積電流值的廓線的曲線圖；
[0031]圖3是用于示意根據本公開的實施例的用于估計電池的SOH的方法的示意流程圖；并且
[0032]圖4是用于示意根據本公開的另一個實施例的用于估計電池的SOH的方法的示意流程圖。
【具體實施方式】
[0033]在下文中，將參考附圖詳細描述本公開的優選實施例。在描述之前，應該理解在說明書和權利要求中使用的術語不應該被理解成限制于一般的和詞典的含義，而是基于允許本發明人為了最好的解釋而適當地定義術語的原則基于對應于本公開的技術方面的含義和概念予以解釋。因此，在這里提出的描述只是僅僅為了示意的優選實例，而非要限制本公開的范圍，從而應該理解，能夠在不偏離本公開的精神和范圍的情況下對此實現其它等價形式和修改。
[0034]圖1是示出根據本公開的實施例的用于估計電池的健康狀態(SOH)的設備的示意框圖。
[0035]參考圖1，根據本公開的用于估計電池的SOH的設備被連接在電池100和負載107之間并且包括電壓感測單元101、電流感測單元103、感測電阻器104、控制單元105和存儲器單元106。
[0036]電池100包括至少一個電池單元(battery cell)并且電池100的類型不受具體限制。電池100可采用可再充電并且其充電狀態應考慮的鋰離子電池、鋰聚合物電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鎳鋅電池等。
[0037]負載107的種類不受具體限制，并且負載107可以是諸如攝影機、移動電話、便攜式PC (個人計算機)、PMP和MP3播放器的便攜式電子裝置，電動車輛或者混合動力車輛的馬達，DC到DC轉換器等。
[0038]電壓感測單元101周期性測量電池電壓并且向控制單元105輸出所測量的電壓值。電池電壓是電池的輸出電壓并且在電池充電或者放電時被測量。電池電壓值落在最終放電電壓值和最大充電電壓值之間。
[0039]電流感測單元103測量流經感測電阻器104的電流并且向控制單元105輸出該電流。當電池100充電時，充電電流在感測電阻器104處流動，并且反過濾，當電池100放電時，放電電流在感測電阻器104處流動。
[0040]控制單元105接收從電壓感測單元101輸出的所測量的電池電壓值，并且在存儲器單元106中存儲該值。而且，控制單元105接收從電流感測單元103輸出的所測量的電池電流值，并且在存儲器單元106中存儲該值。存儲器單元106可以是能夠記錄和刪除數據的、眾所周知的半導體器件，諸如RAM、ROM、EEPROM等，或者諸如硬盤的大容量存儲介質
坐寸ο
[0041]同時，存儲器單元106預先存儲SOH映射表，這使得通過映射來估計SOH值。以下表1示出SOH映射表的實例。
[0042]表1
[0043]
【權利要求】
1.一種用于估計電池的健康狀態(SOH)的設備，包括: 感測單元，所述感測單元用于在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓和電流； 存儲器單元，所述存儲器單元存儲所述感測單元所測量的電池電壓和電流值以及SOH基安培累積值，所述SOH基安培累積值通過實際劣化程度被已知的電池的安培累積試驗而獲得；和 控制單元，所述控制單元通過累積所述存儲器單元中存儲的在所述充電電壓范圍內被測量的電流值來計算安培累積值，以及通過按照所述存儲器單元中存儲的所述SOH基安培累積值映射對應于所計算的安培累積值的SOH值來估計SOH值。
2.一種用于估計電池的健康狀態(SOH)的設備，包括: 感測單元，所述感測單元用于在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓、電流和溫度； 存儲器單元，所述存儲器單元存儲由所述感測單元所測量的電池電壓、電流和溫度值，和通過根據實際劣化程度被已知的電池的溫度的安培累積試驗而獲得的SOH與溫度基安培累積值；和 控制單元，所述控制單元用于通過累積所述存儲器單元中存儲的在所述充電電壓范圍內所測量的電流值來計算安培累積值，以及通過按照所述存儲器單元中存儲的所述SOH與溫度基安培累積值映射對應于所計算的安培累積值和電池溫度的SOH值來估計SOH值。
3.根據權利要求1或者2的用于估計電池的SOH的設備，其中所述控制單元通過在所述存儲器單元中存儲所計算的SOH值并且對所計算的SOH值和所述存儲器單元中存儲的以前的SOH值取平均來估計SOH值。`
4.根據權利要求1或者2的用于估計電池的SOH的設備，其中所述控制單元通過在所述存儲器單元中存儲所計算的SOH值并且獲得所計算的SOH值和所述存儲器單元中存儲的以前的SOH值的加權平均值(S0H值越早被測量所賦予權重越高)來估計SOH值。
5.根據權利要求1或者2的用于估計電池的SOH的設備，其中所述充電電壓范圍包括3.7V到4V的電壓范圍。
6.根據權利要求1或者2的用于估計電池的SOH的設備，其中所述控制單元在所述存儲器單元中存儲所估計的SOH值。
7.根據權利要求6的用于估計電池的SOH的設備，其中所述控制單元向顯示裝置輸出所述存儲器單元中存儲的所估計的SOH值。
8.根據權利要求2的用于估計電池的SOH的設備，其中所述控制單元通過計算在所述充電電壓范圍內測量的溫度的平均溫度并且按照所述存儲器單元中存儲的SOH與溫度基安培累積值映射對應于所述安培累積值和所述平均溫度的SOH值來估計SOH值。
9.一種用于估計電池的健康狀態(SOH)的方法，包括: (a)存儲SOH基安培累積值，所述SOH基安培累積值通過實際劣化程度被已知的電池的安培累積試驗而獲得； (b)存儲通過在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓和電流而獲得的電池電壓和電流值； (c)通過累積所存儲的所述充電電壓范圍內的電流值來計算安培累積值；和 Cd)通過按照存儲的SOH基安培累積值映射所計算的安培累積值來估計SOH值。
10.一種用于估計電池的健康狀態(SOH)的方法，包括:(a)存儲SOH與溫度基安培累積值，所述SOH與溫度基安培累積值通過根據實際劣化程度被已知的電池的溫度的安培累積試驗而獲得； (b)存儲通過在預定的充電電壓范圍內測量電池電壓、電流和溫度而獲得的電池電壓、電流和溫度值； (c)通過累積所存儲的所述充電電壓范圍內的電流值來計算安培累積值；和 Cd)通過按照存儲的SOH和溫度基安培累積值來映射所計算的安培累積值和電池溫度來估計SOH值。
11.根據權利要求9或者10的用于估計電池的SOH的方法，其中所述步驟(d)進一步包括: 保存所估計的SOH值；和 通過對所計算的SOH值和所述存儲器單元中存儲的以前的SOH值取平均來估計SOH值。
12.根據權利要求9或者10的用于估計電池的SOH的方法，其中所述步驟(d)進一步包括: 存儲所計算的SOH值；和 通過獲得所計算的SOH值和所述存儲器單元中存儲的以前的SOH值的加權平均值(S0H值越早被測量所賦予權重越高)來估計SOH值。
13.根據權利要求9或者10的用于估計電池的SOH的方法，其中所述充電電壓范圍包括3.7V到4V的電壓范圍。
14.根據權利要求9或者10的用于估計電池的SOH的方法，進一步包括:存儲所估計的SOH值。
15.根據權利要求14的用于估計電池的SOH的方法，進一步包括:向顯示裝置輸出所存儲的SOH值。
16.根據權利要求10的用于估計電池的SOH的方法，其中所述步驟(d)進一步包括: 計算在所述充電電壓范圍內測量的溫度值的平均溫度； 和 通過按照SOH和溫度基安培累積值映射所述平均溫度和所述安培累積值來估計SOH值。
17.—種電池組，包括根據權利要求1到8中任何一項的用于估計電池的SOH的設備。
18.—種電池驅動設備，包括根據權利要求1到8中任何一項的用于估計電池的SOH的設備。
【文檔編號】G01R31/36GK103492893SQ201280020353
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年1月4日 優先權日:2011年4月25日
【發明者】樸奎河, 金喆澤 申請人:株式會社Lg化學