估计电化学装置的健康状态的制作方法

本公开涉及电化学装置，特别是电池型装置中的能量存储领域，以及此类装置的二次利用。此种电化学能量存储装置可以用于例如智能手机、膝上型计算机等任何电气装置中，或例如电动汽车(ev)或电池能量存储系统(bes)的特别是用于电网的运营商的任何电力系统中。更一般来说，前述类型的电化学装置可以包括一次电池或可充电(二次)电池。可充电电池可以是锂离子电池、镍金属氢化物电池、镍镉电池、铅酸电池、固态锂离子电池，固态锂金属电池、钠离子电池、固态钠离子电池，固态钠金属电池，或钠硫电池。一次电池可以是碱性电池、锂电池、锂空气电池或锌空气电池。因此，本发明可以应用于存在前述类型的电化学能量存储装置的所有装置和系统。在此类存储装置中，需要获得电化学能量存储装置的健康状态(或soh)。已知技术可以利用测量装置的充电/放电容量、测量装置的阻抗，或查看装置的历史数据。

背景技术：

1、soh估计可以根据电化学装置的性质(可充电或一次)而不同。在可充电电池的情况下，大部分电化学反应通常是可逆的，但是可能发生一些不可逆反应(副反应)。由于这些不可逆反应，电池的充电容量减小。然而，在不拆卸和损坏装置的情况下，无法分析电池内部的材料。有特殊技术可用于分析电池内部的材料，例如使用高能量x射线，但是这些技术非常昂贵且在实践中没有使用。

2、大多数情况下，基于充电/放电容量以及电池的工作电压的变化趋势来估计电池的健康状态(soh)。在这些情况下，需要电池的历史数据来估计其soh。当在没有历史的情况下想要知晓电池的soh时，优选方法是多次对相关电池进行充电/放电以估计其soh。当电动汽车(ev)的电池例如被重新用作bes类型的系统中的二次利用电池时，这种类型的估计是必要的。通常，充电和放电花费较长时间。在例如ev和bes的大型电池系统的情况下，需要大量电能并且所述过程花费较长时间。

3、不可逆反应主要归因于电解质消耗。针对此特性，提出将电解质组成的变化作为soh指标。然而，所提出的测量要求相对于环境温度冷却到-40℃。另外，需要精确的线性温度控制，以获取电解质的熔点和/或玻璃化转变温度。受测试的电池仅限于大小较小的电池单元，通常尺寸为40mm x 20mm x3.5mm。如果将所提出的程序应用于ev和bes所使用的大型电池，则将需要一个庞大而昂贵的测量系统。通常将电池单元组装到模块中。因此，用户将必须拆卸模块，以在应用这些测量之前提取电池单元。此类程序是不切实际的。此外，可以将所提出的程序仅应用于含有具有熔融温度和/或玻璃化转变温度的电解质的电池。最近，已经提出用于新一代电池的不具有熔融温度和/或玻璃化转变温度的固体电解质。在这种情况下，此soh估计不可行。

4、在铅酸电池的情况下，通常应用电池阻抗的测量来估计其soh，因为铅酸电池通常在相同的充电状态(soc)下使用。然而，其它可充电电池在不同soc下使用。一般来说，电池阻抗的变化取决于soc。在这种情况下，有必要将所有电池充电或放电到相同的soc，以便比较阻抗值并估计其soh。在所有情况下，需要对电池进行充电或放电。

5、对于一次电池的情况，这些电池中的一些电池展现与其soh成比例的压降。另一方面，例如锌空气电池的电池在大多数放电过程中展现平坦的电压分布。在这种情况下，难以基于其电压来估计可靠的soh。因此，电池电压的变化不允许估计一次电池的soh。

技术实现思路

1、本公开改进了所述情况。

2、提出一种用于估计电化学装置的健康状态(或“soh”)的方法，所述方法包括以下步骤：

3、-记录电化学装置对施加到电化学装置的热量供应的热响应，

4、-在热响应中测量表示电化学装置的热惯性的至少一个参数，以及

5、-从所述参数的测量值推断电化学装置的健康状态的估计。

6、已经观察到，电化学装置的热响应根据装置的年龄，特别是其健康状态进行改变。下文呈现的实例实施例和结果清楚地示出装置的健康状态的影响，特别是对其热惯性的影响。在下文呈现的实例中，装置降级得越多，其热惯性就越大。此观察结果可以通过以下事实来解释：装置在使用过程中经历的不可逆反应(降低其健康状态)会改变装置中存在的材料，这些新相然后具有不同的热惯性。

7、下文呈现的结果示出表征装置的热惯性的参数与其健康状态之间的相关性，因此测量此参数可以推断装置的健康状态，甚至预测其在类似使用条件下的剩余寿命。

8、为此目的，向装置供应热量并测量表征热惯性的此参数就足够了。所供应热量的量可以为“正”(加热装置)或“负”(冷却)，主要思想是测量装置对此热量供应的热响应，并由此推断前述参数的测量值。热量供应可以由装置外部的源(冷或热)产生。或者，热量供应可以简单地由装置的正常操作产生，例如在充电阶段期间，因为装置在这些阶段自然地加热。

9、可以例如通过记录在施加热量供应之后(和/或从施加热量供应开始)装置的温度随时间的变化来获得装置的热响应。或者，可以通过使用包括珀尔帖模块的装置测量热通量来获得热响应。

10、因此，提出测量装置的热响应(可能经由散热器)；此响应可以由其温度表示，或由装置与散热器之间，或仅装置与环境空气之间的热通量表示。这种热响应可以在施加外部热源(热或冷)之后，或在装置的特定操作阶段(例如充电)之后。从对此热响应的分析中推断装置的健康状态。

11、如上文所指示，在下文呈现的示例性实施例中，当装置的健康状态下降时，受测试的电化学装置的热惯性增加。然而，对于一些不同电化学装置，趋势可能相反。

12、如在下文论述的图2的底部图形中所示，前述所测量参数可以包含相对于施加热量供应的开始时间直到电化学装置的热响应开始的延迟(表示为tdelay，即，t延迟)。

13、另外或替代地，热量供应在施加热量供应的开始时间之后被连续地施加，电化学装置的热响应被记录为时间的函数，并且前述所测量参数包含热响应作为时间的函数的变化斜率(dp/dt)。

14、另外或替代地，热量供应在施加热量供应的开始时间之后被连续地施加达所选择持续时间，然后在此所选择持续时间之后停止，所测量参数包含电化学装置的热响应的最大幅度(pmax，即p最大)。

15、另外或替代地，所测量参数可以包含在结束施加热量供应之后电化学装置的热响应返回到预定阈值(p0)的时间长度(τ)，如图2中所示。

16、在一个实施例中，电化学装置在施加热量供应期间处于使用状态。此种实施例对于应用所述方法不是必要的，而是有利的，因为它不需要为了执行前述参数的测量而拆开电化学装置。

17、在一个实施例中，前述参数的测量值可以存储在存储器中，以监测电化学装置的健康状态随时间的变化。例如，可以因此评估对剩余使用寿命的预测。

18、例如，所述方法还可以实现当电化学装置的健康状态低于阈值时生成警报信号。此实施例然后可以预测例如电化学装置的寿命结束。

19、本发明还涉及一种用于估计电化学装置的健康状态的装置，所述装置包括：

20、-至少一个传感器，其用于检测电化学装置对施加到电化学装置的热量供应的热响应，以及

21、-处理电路，其用于在热响应中测量表示电化学装置的热惯性的至少一个参数并且用于从所述参数的测量值推断电化学装置的健康状态的估计。

22、前述传感器可以是例如下文通过实例描述的珀尔帖模块(例如使用塞贝克效应)，或测量电化学装置的热响应的任何其它构件。

23、在一个实施例中，装置可以进一步包括热传递装置，所述热传递装置附接到电化学装置并且被配置成将前述热量供应施加到电化学装置。另外或替代地，热量供应可以由电化学装置自身的操作产生。

24、例如，装置可以进一步包含由电绝缘材料制成的衬垫，传递装置被配置成借助于此衬垫附接到电化学装置的第一主面。传递装置也可以用此种绝缘材料覆盖，并且呈加热电化学装置的垫的形式。

25、装置可以进一步包含附接到电化学装置的散热器。例如，散热器可以附接到电化学装置的与上述第一主面相对的第二主面。

26、例如，散热器可以用于测量热响应。这不是必要的(但对于小型电化学装置有用，以在测量时集中热通量)。

27、在一个实施例中，前述处理电路可以包括用于存储所述参数的至少一些测量值并且用于监测电化学装置的健康状态随时间的变化的存储器。

28、本发明还涉及一种包括指令的计算机程序，当所述指令由处理电路执行时，所述指令用于实施上文呈现的方法的步骤。

29、根据另一方面，提供一种非暂时性计算机可读存储媒体，在所述非暂时性计算机可读存储媒体上存储此种程序。