ES3038946T3 - Method for determining charging profile of battery and battery charging system using same - Google Patents

Method for determining charging profile of battery and battery charging system using same

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ES3038946T3 ES22878986T ES22878986T ES3038946T3 ES 3038946 T3 ES3038946 T3 ES 3038946T3 ES 22878986 T ES22878986 T ES 22878986T ES 22878986 T ES22878986 T ES 22878986T ES 3038946 T3 ES3038946 T3 ES 3038946T3
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Hyeong-Seok Kim
Guang-Ri Lee
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Abstract

Un método para determinar el perfil de carga de una batería, según la presente invención, comprende los pasos de: determinar un estado de carga de referencia (SOC) correspondiente a un potencial límite de precipitación de litio, mediante el uso de una celda de prueba; determinar un primer perfil de carga realizando, en la celda de prueba, una carga CC hasta el SOC de referencia y realizando una carga CV para mantener voltajes constantes de los terminales de electrodo positivo y negativo en una sección de SOC posterior; determinar un segundo perfil de carga realizando, en la celda de prueba, una carga CC hasta el SOC de referencia y realizando una carga CV para mantener un voltaje constante entre una superficie de electrodo negativo y el terminal de electrodo positivo después del SOC de referencia; y corregir un tercer perfil de carga obtenido de una batería que incluye una pluralidad de celdas, utilizando una diferencia entre el primer y el segundo perfil de carga. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para determinar perfil de carga de batería y sistema de carga de batería que usa el mismo
Sector de la invención
La presente descripción se refiere a un método para determinar un perfil de carga de una batería y a un sistema de carga de batería que usa el mismo y, más en particular, a un método para determinar un perfil de carga de una batería en base a un potencial superficial de electrodo negativo y a un sistema de carga de batería que usa el mismo.
La presente solicitud reivindica prioridad con respecto a la Solicitud de Patente Coreana n.° 10-2021-0133409 presentada el 7 de octubre de 2021 en la República de Corea.
Antecedentes de la invención
De manera reciente, a medida que el problema de la contaminación ambiental de combustibles fósiles se convierte cada vez en más grave, se presta atención a vehículos eléctricos que usan baterías como fuente de alimentación. Las baterías secundarias de litio se usan ampliamente como baterías para vehículos eléctricos debido a su densidad energética, capacidad y ventajas de potencia.
El tiempo de carga corto es uno de los desafíos en las aplicaciones de vehículos eléctricos. La carga rápida se lleva a cabo suministrando grandes corrientes a baterías durante un corto tiempo. La carga rápida de las baterías secundarias de litio puede provocar el depósito de litio en la superficie del electrodo negativo. El depósito de litio puede provocar reacciones secundarias graves que acompañan al calentamiento entre electrolitos y litio, y esto puede resultar en incendios o explosiones en las baterías.
Para abordar este problema, en general se establece, de manera conservadora, un perfil de carga aplicado durante la carga rápida. Aquí, el perfil de carga define una tasa de corriente (tasa C) de una corriente de carga según el estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés) de las baterías. Normalmente, un perfil de carga escalonada puede ser un ejemplo del perfil de carga.
En el perfil de carga escalonada, a medida que aumenta el SOC de la batería, gradualmente disminuye la tasa C de la corriente de carga. El perfil de carga escalonada es un protocolo de carga que considera que a medida que aumenta el SOC, la cantidad de intercalación de litio en el electrodo negativo aumenta, y en la misma medida aumenta la probabilidad de depósito de litio. Si la tasa C de la corriente de carga disminuye gradualmente, el depósito de litio en la superficie del electrodo negativo puede evitarse asegurando tiempo que permita la difusión de litio en el electrodo negativo.
Los perfiles de carga convencionales han estado dirigidos a evitar el depósito de litio. Por consiguiente, existe un límite en la reducción del tiempo de carga. Es decir, a pesar de la baja probabilidad de depósito de litio en el electrodo negativo, la corriente de carga se reduce con antelación, de modo que los aumentos de SOC por unidad de tiempo se ralentizan de manera notable a medida que se dirige hacia la última etapa de carga.
Por consiguiente, existen muchas necesidades de perfiles de carga para reducir el tiempo de carga en la última etapa de carga sin depósito de litio en el electrodo negativo durante la carga de baterías secundarias de litio en el campo técnico perteneciente a la presente descripción.
El documento US2023/046633 A1 se refiere a la detección de enchapado en litio en el electrodo negativo de una batería.
Explicación de la invención
Problema técnico
La presente descripción está diseñada en virtud de los antecedentes descritos más arriba y, por lo tanto, la presente descripción está dirigida a proveer un método para determinar un perfil de carga en base a un potencial superficial de electrodo negativo para reducir el tiempo de carga requerido para una carga completa aumentando la tasa de carga en la última etapa de carga a través del aumento de una tasa de corriente (tasa C) de una corriente de carga más que la técnica relacionada sin depósito de litio en el electrodo negativo.
La presente descripción está dirigida además a proveer un sistema de carga de batería para cargar baterías usando el perfil de carga basado en el potencial superficial de electrodo negativo según la presente descripción.
Solución técnica
Para resolver el problema técnico descrito más arriba, en un primer aspecto, se provee un método para determinar un perfil de carga de una batería según la reivindicación 1.
Preferiblemente, la celda unitaria de prueba puede ser una celda de 4 polos. La celda de 4 polos puede incluir al menos un electrodo positivo y al menos un electrodo negativo; un electrodo de referencia para proveer un potencial de referencia para el potencial superficial del electrodo negativo; y un electrodo de medición de potencial superficial de electrodo negativo en contacto con la superficie del electrodo negativo.
Preferiblemente, la etapa (a) puede incluir (a1) determinar el perfil de potencial superficial de electrodo negativo según el SOC al medir un potencial superficial de electrodo negativo a través del electrodo de referencia y el electrodo de medición de potencial superficial de electrodo negativo durante la carga CC de la unidad de celda de prueba; (a2) medir una resistencia interna presente en una trayectoria de medición de potencial superficial de electrodo negativo; y (a3) corregir el perfil de potencial superficial de electrodo negativo usando un componente de tensión debido a la resistencia interna.
En una realización, la resistencia interna puede determinarse mediante espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS, por sus siglas en inglés).
Preferiblemente, la etapa (a3) puede incluir corregir el perfil de potencial superficial de electrodo negativo restando el componente de tensión debido a la resistencia interna del perfil de potencial superficial de electrodo negativo.
Preferiblemente, en la etapa (a), el potencial de límite de depósito de litio puede ser de 0 V.
Preferiblemente, el perfil de carga puede determinarse de manera independiente para cada una de múltiples condiciones de tasa C de corriente de carga y temperatura de carga llevando a cabo, de forma repetida, las etapas (a) a (e) con condiciones variables de tasa C de corriente de carga y de temperatura de carga de la carga CC.
Para resolver el problema técnico descrito más arriba, en un segundo aspecto, se provee un sistema de carga de batería según la reivindicación 8.
Preferiblemente, la unidad de control puede configurarse para establecer la temperatura de batería medida a través del sensor de temperatura como la temperatura de carga, establecer la tasa C de corriente de carga de la carga CC, determinar un SOC de referencia correspondiente a un potencial de límite de depósito de litio correspondiente a la temperatura de carga y la tasa C de corriente de carga mediante referencia a información de consulta predefinida, y llevar a cabo una carga CC en la batería usando un dispositivo de carga en la condición de tasa C de corriente de carga en un rango de carga hasta el SOC de referencia, y en el rango de carga después del SOC de referencia, cargar la batería según el perfil de carga predeterminado en una condición en la que una tensión entre el terminal positivo y la superficie de electrodo negativo se mantiene constante.
Preferiblemente, la unidad de control puede configurarse para determinar un SOC de la batería, y determinar la tasa C de corriente de carga correspondiente al SOC mediante referencia al perfil de carga, y aplicar una corriente de carga correspondiente a la tasa C de corriente de carga determinada usando el dispositivo de carga a la batería.Efectos ventajosos
Según la presente descripción, dado que el perfil de carga se determina en base al potencial superficial de electrodo negativo, es posible reducir el tiempo de carga requerido para la carga total en comparación con la técnica relacionada, mediante el aumento de la tasa de carga en la última etapa de carga sin depósito de litio.
Además, cuando la batería se carga usando el perfil de carga de la presente descripción, es posible cargar la batería más rápidamente que la técnica relacionada sin depósito de litio en el electrodo negativo.
Descripción de los dibujos
Los dibujos anexos ilustran una realización a modo de ejemplo de la presente descripción y, junto con la siguiente descripción detallada, sirven para proveer una tasa adicional en el rango de carga después del SOC de referencia, en donde una tasa de disminución de la tasa C de corriente de carga es menor que la de una condición de carga CV en la que la tensión entre el terminal positivo y el terminal negativo se mantiene constante.
Preferiblemente, la tasa de disminución de la tasa C puede determinarse de modo tal que un potencial superficial de electrodo negativo de la batería corresponde al potencial de límite de depósito de litio.
Preferiblemente, la unidad de control puede configurarse para determinar un SOC de la batería, y determinar la tasa C de corriente de carga correspondiente al SOC mediante referencia al perfil de carga, y aplicar una corriente de carga correspondiente a la tasa C de corriente de carga determinada usando el dispositivo de carga a la batería.
Efectos ventajosos
Según la presente descripción, dado que el perfil de carga se determina en base al potencial superficial de electrodo negativo, es posible reducir el tiempo de carga requerido para la carga total en comparación con la técnica relacionada, mediante el aumento de la tasa de carga en la última etapa de carga sin depósito de litio.
Además, cuando la batería se carga usando el perfil de carga de la presente descripción, es posible cargar la batería más rápidamente que la técnica relacionada sin depósito de litio en el electrodo negativo.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos anexos ilustran una realización a modo de ejemplo de la presente descripción y, junto con la siguiente descripción detallada, sirven para proveer una mayor comprensión de los aspectos técnicos de la presente descripción y, por consiguiente, la presente descripción no debe interpretarse como limitada a los dibujos.
La FIG. 1 es un diagrama de flujo de un método para determinar un perfil de carga de una batería en base a un potencial superficial de electrodo negativo según una realización de la presente descripción.
La FIG. 2 es un diagrama que muestra una estructura esquemática de una celda de 4 polos según una realización de la presente descripción.
La FIG. 3 es un gráfico que muestra un perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea continua) según un estado de carga (SOC) determinado en la etapa E40 y un perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea discontinua) después de la corrección del componente de tensión debido a la resistencia interna en la etapa E60 según una realización de la presente descripción.
La FIG. 4 es un gráfico que muestra un ejemplo de un primer perfil de carga (línea discontinua) y un segundo perfil de carga (línea continua) según una realización de la presente descripción.
La FIG. 5 es un gráfico que muestra un perfil de diferencia obtenido restando un primer perfil de carga (línea discontinua en la FIG. 4) de un segundo perfil de carga (línea continua en la FIG. 4) según una realización de la presente descripción.
La FIG. 6 es un gráfico que muestra un perfil de carga de una batería obtenido mediante corrección de un tercer perfil de carga en base al tercer perfil de carga obtenido a través de la carga de corriente constante (CC)-tensión constante (CV, por sus siglas en inglés) de una celda de batería y un perfil de diferencia según una realización de la presente descripción.
La FIG. 7 es un diagrama que muestra la arquitectura de un sistema de carga de batería según una realización de la presente descripción.
Realización preferente de la invención
De aquí en adelante, una realización a modo de ejemplo de la presente descripción se describirá con referencia a los dibujos anexos. Con anterioridad a la descripción, debe comprenderse que los términos o las palabras usadas en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones anexas no deben interpretarse como limitadas a significados generales y de diccionario, sino que, más bien, deben interpretarse según los significados y conceptos correspondientes a aspectos técnicos de la presente descripción según el principio de que el inventor puede definir términos de manera apropiada para una mejor explicación. Por lo tanto, las realizaciones descritas en la presente memoria y las ilustraciones en los dibujos son solo una realización a modo de ejemplo de la presente descripción y no describen completamente los aspectos técnicos de la presente descripción, de modo que debe entenderse que una variedad de otros equivalentes y modificaciones pueden haberse realizado a las mismas al momento de presentación de la solicitud de patente.
La FIG. 1 es un diagrama de flujo de un método para determinar un perfil de carga de una batería en base a un potencial superficial de electrodo negativo según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la FIG. 1, en primer lugar, en la etapa E10, se prepara una unidad de celda de prueba. En un ejemplo, la celda unitaria de prueba puede ser una celda de 4 polos. La celda de 4 polos incluye al menos un electrodo positivo y al menos un electrodo negativo, un separador entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, un electrodo de referencia para proveer un potencial de referencia para el potencial superficial del electrodo negativo; y un electrodo de medición de potencial superficial de electrodo negativo dispuesto en contacto directo con la superficie del electrodo negativo.
La FIG. 2 es un diagrama que muestra una estructura esquemática de la celda 10 de 4 polos según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la FIG. 2, la celda 10 de 4 polos incluye un electrodo 11 positivo, un electrodo 12 negativo, y dos separadores 13.
El electrodo 11 positivo incluye una placa 11a de colector de corriente de electrodo positivo, una capa 11b de material activo de electrodo positivo recubierta sobre la superficie de la placa 11a de colector de corriente de electrodo positivo y una lengüeta 11c de electrodo positivo. El electrodo 12 negativo incluye una placa 12a de colector de corriente de electrodo negativo, una capa 12b de material activo de electrodo negativo recubierta sobre la superficie de la placa 12a de colector de corriente de electrodo negativo y una lengüeta 12c de electrodo negativo. En un ejemplo, la placa 11a de colector de corriente de electrodo positivo puede ser una lámina de aluminio, y la placa 12a de colector de corriente de electrodo negativo puede ser una lámina de cobre. La capa 11b de material activo de electrodo positivo puede ser una capa de recubrimiento de óxido de metal de transición de litio que incluye Ni, Co y Mn, y la capa 12b de material activo de electrodo negativo puede ser una capa de recubrimiento de grafito. El separador 13 puede ser una película de aislamiento porosa. La película de aislamiento puede ser una película de poliolefina, por ejemplo, polietileno, polipropileno o similar. El separador 13 puede tener una capa de recubrimiento inorgánico que incluye partículas inorgánicas como, por ejemplo, alúmina (A<b>O<a>) sobre su superficie.
El separador 13 incluye un primer separador 13a y un segundo separador 13b entre el electrodo 11 positivo y el electrodo 12 negativo. El primer separador 13a se dispone en el lado de electrodo 11 positivo, y el segundo separador 13b se dispone en el lado de electrodo 12 negativo.
Además, la celda 10 de 4 polos incluye un electrodo 14 de referencia entre el primer separador 13a y el segundo separador 13b para proveer el potencial de referencia para el potencial superficial de electrodo negativo y un electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo entre el segundo separador 13b y la capa 12b de material activo de electrodo negativo y colocado en contacto directo con la superficie de electrodo negativo (la capa 12b de material activo de electrodo negativo).
En un ejemplo, el electrodo 14 de referencia incluye un cable 14a poroso hecho de una capa 14b de Cu y LTO (LiTiO<2>) que tiene un espesor predeterminado en el extremo del cable 14a poroso. Además, el electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo incluye un cable 15a poroso hecho de Cu y una capa 15b de Cu que tiene un espesor predeterminado en el extremo del cable 15a poroso.
Después de que los componentes de la celda 10 de 4 polos se reciben en un empaquetado 16, el empaquetado 16 puede sellarse. En un ejemplo, el empaquetado 16 puede ser una película de bolsa. En este caso, el empaquetado 16 puede soldarse con calor a lo largo de los bordes.
La lengüeta 11c de electrodo positivo, la lengüeta 12c de electrodo negativo, el cable 14a poroso del electrodo 14 de referencia y el cable 15a poroso del electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo de la celda 10 de 4 polos pueden exponerse a través del empaquetado 16. Además, un electrolito 17 necesario para el funcionamiento de la celda 10 de 4 polos puede inyectarse en el empaquetado 16.
Mientras tanto, dado que la presente descripción se caracteriza porque determina el perfil de carga, es obvio para las personas con experiencia en la técnica que el tipo de componente o material de la celda 10 de 4 polos puede cambiar dependiendo del tipo de unidad de celda de prueba.
Con referencia, otra vez, a la FIG. 1, después de la etapa E10, se lleva a cabo la etapa E20. En la etapa E20, la unidad de celda de prueba se monta a un probador de carga.
Preferiblemente, el probador de carga incluye una matriz de temperatura constante para mantener la temperatura de la unidad de celda de prueba en una temperatura establecida, y la unidad de celda de prueba puede montarse en la matriz de temperatura constante.
Posteriormente, en la etapa E30, se establecen una tasa C de corriente de carga I<k>y una temperatura de carga T<k>de carga de corriente constante (CC) como las condiciones de carga/descarga de la unidad de celda de prueba. La temperatura de carga T<k>corresponde a la temperatura de la unidad de celda de prueba.
Posteriormente, en la etapa E40, un perfil de potencial superficial de electrodo negativo según el SOC se determina midiendo el potencial superficial de electrodo negativo a través del electrodo 14 de referencia y el electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo durante la carga CC de la unidad de celda de prueba en las condiciones de temperatura de carga T<k>y tasa C de corriente de carga I<k>.
Posteriormente, en la etapa E50, se determina una resistencia interna R<k>presente en la trayectoria de medición de potencial superficial de electrodo negativo. La resistencia interna R<k>incluye una resistencia del cable 14a poroso y la capa 14b LTO del electrodo 14 de referencia y una resistencia del cable 15a poroso y la capa 15b Cu del electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo.
Preferiblemente, la resistencia interna R<k>puede determinarse mediante el uso de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). La resistencia interna R<k>corresponde a una resistencia en un punto en el cual el gráfico EIS (curva) se encuentra con el eje x en los resultados de medición EIS de la unidad de celda de prueba.
Además de la EIS, la resistencia interna R<k>de la unidad de celda de prueba puede determinarse por cualquier otro método conocido. Por consiguiente, la presente descripción no está limitada por el método para medir la resistencia interna R<k>.
Posteriormente, en la etapa E60, el perfil de potencial superficial de electrodo negativo se corrige usando el componente de tensión R<k>*I<k>debido a la resistencia interna R<k>. Preferiblemente, el perfil de potencial superficial de electrodo negativo puede corregirse restando el componente de tensión R<k>*I<k>debido a la resistencia interna R<k>del perfil de potencial superficial de electrodo negativo.
Posteriormente, en la etapa E70, un estado de carga de referencia SOC<refer,k>correspondiente al potencial de límite de depósito de litio se determina en el perfil de potencial superficial de electrodo negativo corregido para el componente de tensión R<k>*I<k>debido a la resistencia interna R<k>. Aquí, el potencial de límite de depósito de litio puede ser de 0 V. En algunos casos, el potencial de límite de depósito de litio puede establecerse para que sea ligeramente mayor que 0 V, teniendo en cuenta el margen de seguridad.
La FIG 3 es un gráfico que muestra el perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea continua) según el SOC determinado en la etapa E40 y el perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea discontinua) después de la corrección del componente de tensión R<k>*I<k>debido a la resistencia interna R<k>en la etapa E60 según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la FIG. 3, el perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea discontinua) corregido para el componente de tensión R<k>*I<k>debido a la resistencia interna R<k>tiene un patrón de desplazamiento hacia abajo desde el perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea continua) antes de la corrección. Esto se debe a que el potencial superficial de electrodo negativo disminuye tanto como el componente de tensión R<k>*I<k>debido a la resistencia interna R<k>.
Además, en el perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea discontinua), el estado de carga de referencia SOC<refer,k>correspondiente al potencial de límite de depósito de litio puede ser un SOC de un punto en el cual el perfil de potencial superficial de electrodo negativo (línea discontinua) y la línea recta V=0 se cruzan.
Después de la etapa E70, se lleva a cabo la etapa E80.
En la etapa E80, después de descargar la unidad de celda de prueba, un primer perfil de carga se determina llevando a cabo la carga CC con la tasa C de corriente de carga I<k>establecida en el rango SOC hasta el estado de carga de referencia SOC<refer,k>y llevando a cabo la carga de tensión constante (CV) manteniendo constantemente una tensión entre el electrodo 11 positivo y el electrodo 12 negativo en el rango SOC después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. Para controlar la carga CV, la lengüeta 11c de electrodo positivo del electrodo 11 positivo y la lengüeta 12c de electrodo negativo del electrodo 12 negativo pueden conectarse a una sonda de detección de tensión del probador de carga. El probador de carga lleva a cabo la carga CV en la condición en la que la tensión aplicada entre la lengüeta 11c de electrodo positivo y la lengüeta 12c de electrodo negativo se mantiene constantemente. Durante la carga CV, la resistencia interna de la unidad de celda de prueba aumenta gradualmente con el aumento de SOC y, por consiguiente, la corriente de carga gradualmente disminuye según la ley de Ohm (I=V/R, V es constante).
Posteriormente, en la etapa E90, después de descargar la unidad de celda de prueba nuevamente, un segundo perfil de carga según SOC se determina llevando a cabo la carga CC en la unidad de celda de prueba en el rango SOC hasta el estado de carga de referencia SOC<refer,k>, y llevando a cabo la carga CV manteniendo constantemente una tensión entre el electrodo 11 positivo y la superficie del electrodo negativo en el rango SOC después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. Para controlar la carga CV, la lengüeta 11c de electrodo positivo del electrodo 11 positivo y el electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo pueden conectarse a la sonda de detección de tensión del probador de carga. De manera alternativa, el electrodo 14 de referencia y el electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo pueden conectarse a la sonda de detección de tensión del probador de carga. El probador de carga lleva a cabo la carga CV en la condición en la que la tensión aplicada entre la lengüeta 11c de electrodo positivo o el electrodo 14 de referencia y el electrodo 15 de medición de potencial superficial de electrodo negativo se mantiene constantemente. Durante la carga CV, la resistencia interna de la unidad de celda de prueba aumenta gradualmente con el aumento de SOC y, por consiguiente, la corriente de carga gradualmente disminuye según la ley de Ohm (I=V/R, V es constante).
La FIG. 4 es un gráfico que muestra un ejemplo de un primer perfil de carga (línea discontinua) y un segundo perfil de carga (línea continua) según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la FIG. 4, el primer perfil de descarga (línea discontinua) y el segundo perfil de descarga (línea continua) son sustancialmente iguales en el rango de carga hasta el estado de carga de referencia SOC<refer,k>. Por consiguiente, en el rango de carga hasta el estado de carga de referencia SOC<refer.k>, la línea discontinua se superpone a la línea continua, de modo que el primer perfil de carga (línea discontinua) y el segundo perfil de carga (línea continua) no pueden distinguirse entre sí. Sin embargo, los dos perfiles muestran diferentes cambios en el rango de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. Es decir, la tasa de disminución de la tasa C de corriente de carga del segundo perfil de carga (línea continua) es más lenta que la tasa de disminución de la tasa C de corriente de carga del primer perfil de carga (línea discontinua). Esto se debe a que el segundo perfil de carga (línea continua) se obtiene a través de la carga CV en la condición en la que la tensión entre el electrodo 11 positivo y la superficie de electrodo negativo (la capa de material activo) se mantiene constantemente.
Después de la etapa E90, se lleva a cabo la etapa E100.
En la etapa E100, se fabrica una batería que incluye múltiples celdas. Las múltiples celdas están hechas del mismo material que la unidad de celda de prueba. Es decir, las múltiples celdas y la unidad de celda de prueba tienen sustancialmente el mismo tipo de placa de colector de corriente de electrodo positivo, la placa de colector de corriente de electrodo negativo, el material activo de electrodo positivo, el material activo de electrodo negativo, el separador y el electrolito. Además, la batería incluye el mismo electrolito que el usado en la unidad de celda de prueba.
La batería puede ser una batería tipo bolsa. Las múltiples celdas se reciben en el empaquetado hecho de la película de bolsa. En otro ejemplo, la batería puede ser una batería prismática o cilíndrica. En la batería, las múltiples celdas pueden conectarse en paralelo.
Cada una de las múltiples celdas tiene una estructura en la cual se laminan el electrodo negativo/el separador/el electrodo positivo. Un conjunto de electrodos tipo pila-plegado puede formarse disponiendo las múltiples celdas en una película de separación a intervalos regulares y enrollando la película de separación de un lado al otro.
Una variedad de modificaciones pueden realizarse en la estructura del conjunto de electrodos. En un ejemplo, el conjunto de electrodos puede ser un conjunto de electrodos de lámina enrollada (tipo bobinado) en el cual un electrodo positivo tipo hoja larga y un electrodo negativo tipo hoja larga se enrollan con un separador interpuesto entre los mismos o un conjunto de electrodos tipo pila en el cual múltiples electrodos positivos y múltiples electrodos negativos cortados en un tamaño predeterminado se apilan en un orden secuencial con separadores interpuestos entre los mismos. Es obvio que cualquier estructura de conjunto de electrodos conocida en el campo técnico perteneciente a la presente descripción puede adoptarse sin limitación alguna.
Después de la etapa E100, se lleva a cabo la etapa E110.
En la etapa E110, un tercer perfil de carga según SOC se determina llevando a cabo la carga CC en la batería que incluye las múltiples celdas hasta el estado de carga de referencia SOC<refer,k>y llevando a cabo la carga CV manteniendo constantemente una tensión entre el electrodo positivo y el electrodo negativo de la batería en el rango SOC después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. La magnitud de la corriente de carga durante la carga CC corresponde a la tasa C de corriente de carga I<k>establecida.
Posteriormente, en la etapa E120, un perfil de carga de la batería se determina corrigiendo el tercer perfil de carga mediante el uso de una diferencia entre el primer perfil de carga y el segundo perfil de carga.
Preferiblemente, en la etapa E120, el perfil de carga de la batería puede determinarse corrigiendo el tercer perfil de carga con la adición de un perfil de diferencia entre el primer perfil de carga y el segundo perfil de carga a una parte del tercer perfil de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>.
La FIG. 5 es un gráfico que muestra el perfil de diferencia obtenido restando el primer perfil de carga (línea discontinua en la FIG. 4) del segundo perfil de carga (línea continua en la FIG. 4) según una realización de la presente descripción. De manera adicional, la FIG. 6 es un gráfico que muestra el tercer perfil de carga obtenido por la carga CC-CV de la batería y el perfil de carga f<k>de la batería obtenido corrigiendo el tercer perfil de carga mediante el uso del perfil de diferencia según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la FIG. 5, el perfil de diferencia se obtiene solo en el rango de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. Esto se debe a que el primer perfil de carga y el segundo perfil de carga son sustancialmente iguales en el rango de carga antes del estado de carga de referencia SOC<refer,k>.
Con referencia a la FIG. 6, el tercer perfil de carga obtenido a través de la carga CC-CV de la batería que incluye las múltiples celdas se representa en la línea continua en el rango de carga hasta el estado de carga de referencia SOC<refer,k>, y en la línea discontinua en el rango de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. El perfil de carga f<k>de la batería se obtiene corrigiendo solo el rango de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>entre todo el rango del tercer perfil de carga. Es decir, el perfil de carga f<k>de la batería puede obtenerse añadiendo el perfil de diferencia de la FIG. 5 a una parte de perfil del tercer perfil de carga (línea discontinua) en el rango de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. Por consiguiente, el perfil de carga f<k>de la batería incluye el perfil de carga hasta el estado de carga de referencia SOC<refer,k>y el perfil de línea continua después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>.
Como se muestra en la FIG. 6, el perfil de carga f<k>de la batería tiene una pendiente de disminución más pequeña de la tasa C de corriente de carga en el rango de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>que la pendiente de disminución de la tasa C de corriente de carga aplicada durante la carga CV ordinaria. Por consiguiente, mientras se evita el depósito de litio en el electrodo negativo en la última etapa de carga, es posible reducir la tasa de disminución de la tasa C de corriente de carga en comparación con la técnica relacionada, y de esta manera reducir el tiempo de carga en la misma medida.
Después de la etapa E120, se lleva a cabo la etapa E130.
En la etapa E130, el índice k aumenta en 1, y la etapa regresa a E30.
Por consiguiente, la tasa C de corriente de carga I<k>y la temperatura de carga T<k>de la carga CC se vuelven a establecer en diferentes condiciones, y se llevan a cabo las etapas E40 a E120.
Cuando la serie de etapas descrita más arriba se lleva a cabo de forma repetida, múltiples perfiles de carga f<k>de la batería pueden determinarse en la condición de tasas C de corriente de carga I<k>diferentes y temperaturas de carga T<k>diferentes.
Cuando pruebas de carga se llevan a cabo de manera repetida usando una unidad de celda de prueba, la precisión del perfil de carga f<k>puede reducirse a medida que se degrada la unidad de celda de prueba.
Por consiguiente, es deseable fabricar múltiples unidades de celda de prueba, y determinar el perfil de carga f<k>de la batería llevando a cabo las etapas descritas más arriba usando una nueva unidad de celda de prueba cada vez que la tasa C de corriente de carga I<k>y la temperatura de carga T<k>de la carga CC se establecen en condiciones diferentes.
El perfil de carga f<k>de la batería correspondiente a la tasa C de corriente de carga I<k>y la temperatura de carga T<k>de carga CC pueden usarse como se describe más abajo en la carga de la batería.
En primer lugar, el perfil de carga f<k>de la batería correspondiente a la tasa C de corriente de carga I<k>y la temperatura de carga T<k>de carga CC pueden almacenarse en un medio de almacenamiento de un sistema de carga de batería como información de consulta.
La FIG 7 es un diagrama de arquitectura que muestra un ejemplo del sistema 20 carga de batería según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la FIG. 7, el sistema 20 de carga de batería es un sistema informático configurado para controlar la carga y descarga de la batería 21, calcular y gestionar el SOC y el estado de salud (SOH, por sus siglas en inglés) de la batería 21, y detectar una condición anormal de la batería 21 como, por ejemplo, sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente o similar.
Preferiblemente, el sistema 20 de carga de batería puede estar incorporado en un sistema de control de una carga en el cual se monta la batería 21, por ejemplo, un sistema de control de un vehículo eléctrico.
El medio 22 de almacenamiento no se limita a un tipo particular, y puede incluir cualquier medio de almacenamiento capaz de grabar y borrar datos y/o información. En un ejemplo, el medio 22 de almacenamiento puede ser RAM, rOm , registro, memoria flash, disco duro o medio de grabación magnética.
El medio 22 de almacenamiento puede conectarse eléctricamente a la unidad 23 de control, por ejemplo, a través de un bus de datos para permitir que la unidad 23 de control tenga acceso.
El medio 22 de almacenamiento almacena y/o actualiza y/o borra y/o transmite programas que incluyen las lógicas de control ejecutadas por la unidad 23 de control y/o datos generados cuando las lógicas de control se ejecutan y/o datos preestablecidos o información/tablas de consulta.
Cuando el dispositivo de carga (por ejemplo, un vehículo eléctrico) en el cual se monta la batería 21 se conecta al dispositivo 30 de carga para cargar la batería, la unidad 23 de control mide la temperatura de la batería 21 a través de un sensor 24 de temperatura y establece la temperatura medida como la temperatura de carga T<k>.
Además, la unidad 23 de control puede seleccionar la tasa C de corriente de carga I<k>para su aplicación durante la carga CC de la batería 21. En un ejemplo, la unidad 23 de control puede seleccionar la tasa C de corriente de carga I<k>de carga CC correspondiente al SOH actual de la batería 21 mediante referencia a la información de consulta que define la tasa C de corriente de carga I<k>de carga CC para cada SOH de la batería 21. Cuando un grado de deterioro del SOH es alto, la tasa C de corriente de carga I<k>es baja, y cuando el grado de deterioro del SOH es bajo, la tasa C de corriente de carga I<k>es alta. El SOH de la batería 21 puede precalcularse y registrarse en el medio 22 de almacenamiento para referencia.
En otro ejemplo, la unidad 23 de control puede seleccionar la tasa C de corriente de carga I<k>de carga CC dependiendo de si el tipo de dispositivo 30 de carga es un cargador rápido o un cargador normal.
Cuando el dispositivo 30 de carga es un cargador rápido, la unidad 23 de control puede seleccionar una tasa C de corriente de carga I<k>alta. Por el contrario, cuando el dispositivo 30 de carga es un cargador normal, la unidad 23 de control puede seleccionar una tasa C de corriente de carga I<k>baja.
Cuando la tasa C de corriente de carga I<k>y la temperatura de carga T<k>de carga CC se determinan, la unidad 23 de control identifica el estado de carga de referencia SOC<refer,k>y el perfil de carga f<k>de la batería 21 correspondiente a la temperatura de carga T<k>y la tasa C de corriente de carga I<k>mediante referencia a la información de consulta prealmacenada en el medio 22 de almacenamiento.
El estado de carga de referencia SOC<refer,k>y el perfil de carga f<k>establecidos para cada temperatura de carga T<k>y cada tasa C de corriente de carga I<k>de carga<c>C pueden prealmacenarse en el medio 22 de almacenamiento como la información de consulta.
El perfil de carga f<k>incluye un rango de carga CC en el cual la tasa C de corriente de carga es constante en el rango de carga hasta el estado de carga de referencia SOC<refer,k>, y un rango de disminución de tasa C en el cual la tasa C de corriente de carga disminuye gradualmente en el rango de carga después del estado de carga de referencia SOC<refer,k>. El rango de disminución de tasa C es el rango de carga en el cual la tensión entre la superficie de electrodo negativo y el electrodo positivo se mantiene constantemente.
Cuando el estado de carga de referencia SOC<refer,k>y el perfil de carga f<k>se determinan, la unidad 23 de control puede cargar la batería 21 según el rango de carga CC y el rango de disminución de tasa C del perfil de carga f<k>mediante el uso del dispositivo 30 de carga.
Con tal fin, la unidad 23 de control puede transmitir un mensaje de carga CC que incluye la magnitud de la corriente de carga correspondiente a la tasa C de corriente de carga I<k>al dispositivo 30 de carga. El mensaje de carga CC puede transmitirse a través de una línea de comunicación incluida en un cable de carga. Cuando el dispositivo 30 de carga recibe el mensaje de carga CC, el dispositivo 30 de carga puede aplicar la corriente de carga correspondiente a la tasa C de corriente de carga I<k>a la batería 21.
Cuando la carga CC se inicia, la unidad 23 de control puede determinar la magnitud de la corriente de carga usando un sensor 25 de corriente y determinar el SOC actual de la batería 21 acumulando la corriente de carga mediante conteo de amperios. Además, la unidad 23 de control periódicamente transmite el mensaje de carga CC al dispositivo 30 de carga hasta que el SOC de la batería 21 alcance el estado de carga de referencia SOC<refer,k>. El dispositivo 30 de carga mantiene continuamente el modo de carga CC mientras el dispositivo 30 de carga recibe el mensaje de carga CC.
Mientras tanto, cuando el SOC de la batería 21 alcanza el estado de carga de referencia SOC<refer,k>, la unidad 23 de control cambia del modo de carga CC a un modo de disminución de tasa C, determina la tasa C de corriente de carga correspondiente al SOC actual mediante referencia al perfil de carga f<k>, y transmite el mensaje de carga CV que incluye la magnitud de la corriente de carga correspondiente a la tasa C de corriente de carga determinada al dispositivo 30 de carga. Cuando el mensaje de carga CV se transmite, el dispositivo 30 de carga identifica la magnitud de la corriente de carga incluida en el mensaje y aplica la corriente de carga correspondiente a la magnitud identificada de la corriente de carga a la batería 21.
La unidad 23 de control actualiza el SOC actual nuevamente acumulando de forma continua la corriente de carga durante la carga de la batería 21 en el rango de disminución de tasa C, determina la tasa C de corriente de carga correspondiente al SOC actual nuevamente mediante referencia al perfil de carga f<k>, y transmite el mensaje de carga CV que incluye la magnitud de la corriente de carga correspondiente a la tasa C de corriente de carga determinada al dispositivo 30 de carga.
Cuando el mensaje de carga CV se transmite, el dispositivo 30 de carga identifica la magnitud de la corriente de carga incluida en el mensaje y aplica la corriente de carga correspondiente a la magnitud identificada de la corriente de carga a la batería 21.
Cuando se lleva a cabo repetidamente el proceso de carga, el SOC de la batería 21 aumenta continuamente y la tasa C de corriente de carga disminuye gradualmente. Cuando la tasa C de corriente de carga determinada mediante referencia al perfil de carga f<k>se reduce a un valor preestablecido, la unidad 23 de control transmite un mensaje de terminación de carga al dispositivo 30 de carga. Cuando el dispositivo 30 de carga recibe el mensaje de terminación de carga, el dispositivo 30 de carga ya no aplica la corriente de carga a la batería 21.
En un ejemplo, cuando la tasa C de corriente de carga correspondiente al SOC actual se reduce a una tasa C preestablecida como la condición de terminación de carga, la unidad 23 de control puede terminar la carga.
En otro ejemplo, la unidad 23 de control puede medir la tensión de la batería 21 usando un sensor 26 de tensión, y terminar la carga cuando la tensión de la batería 21 alcanza la tensión de carga total.
En incluso otro ejemplo, cuando el SOC de la batería 21 alcanza un nivel preestablecido, la unidad 23 de control puede terminar la carga.
La unidad 23 de control puede incluir, de manera selectiva, un procesador, un circuito integrado para aplicaciones específicas (ASIC, por sus siglas en inglés), un conjunto de chips, un circuito lógico, registro, un módem de comunicación, un dispositivo de procesamiento de datos o similar conocido en el campo técnico correspondiente para ejecutar las lógicas de control descritas más arriba. Además, cuando las lógicas de control se implementan en software, la unidad 23 de control puede diseñarse como un conjunto de módulos de programa. En este momento, los módulos de programa pueden almacenarse en una memoria y ejecutarse por el procesador. La memoria puede ubicarse dentro o fuera del procesador, y puede conectarse al procesador con una variedad de componentes informáticos conocidos. Además, la memoria puede incluirse en el medio 22 de almacenamiento de la presente descripción. Además, la memoria se refiere, de manera conjunta, a dispositivos que almacenan información independientemente del tipo de dispositivo y no se refiere a un dispositivo de memoria particular.
Al menos una de las lógicas de control de la unidad 23 de control puede combinarse junto a otra, y las lógicas de control combinadas pueden escribirse en un código legible por ordenador y registrarse en medios de grabación legibles por ordenador. Los medios de grabación no están limitados a un tipo particular y pueden incluir cualquier medio al que pueda accederse por el procesador incluido en el ordenador. Por ejemplo, los medios de grabación incluyen al menos uno seleccionado del grupo que consiste en ROM, RAM, registro, CD-ROM, cinta magnética, disco duro, disco flexible y dispositivo de grabación de datos ópticos. Además, el código puede almacenarse y ejecutarse en ordenadores distribuidos conectados a través de una red. Además, los programas, códigos y segmentos de códigos funcionales para implementar las lógicas de control combinadas pueden verse inferidos fácilmente por programadores en el campo técnico al que pertenece la presente descripción.
En la descripción de las varias realizaciones de la presente descripción, los componentes denominados '-unidad' deben comprenderse como componentes que se dividen funcionalmente antes que físicamente. Por consiguiente, cada componente puede combinarse, de manera selectiva, con otro componente o dividirse en subcomponentes para la ejecución eficaz de las lógicas de control. Sin embargo, es obvio para las personas con experiencia en la técnica que aunque los componentes se combinen o dividan, los componentes combinados o divididos deben interpretarse como unos que caen dentro del alcance de la presente descripción en caso de que se reconozca la identidad de función.
Aunque la presente descripción se ha descrito en la presente memoria más arriba con respecto a un número limitado de realizaciones y dibujos, la presente descripción no está limitada a ello y es obvio para las personas con experiencia en la técnica que varias modificaciones y cambios pueden realizarse en los mismos dentro de los aspectos técnicos de la presente descripción y de las reivindicaciones anexas y equivalentes de los mismos.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un método para determinar un perfil de corriente de carga de una batería, que comprende:
(a) determinar (E70) un estado de carga, SOC, de referencia, correspondiente a un potencial de límite de depósito de litio en un perfil de potencial superficial de electrodo negativo según SOC obtenido a través de la carga de corriente constante, CC, de una unidad de celda de prueba;
(b) determinar (E80) un primer perfil de corriente de carga según SOC llevando a cabo la carga CC en la unidad de celda de prueba en el rango s Oc hasta el SOC de referencia, y llevando a cabo la carga de tensión constante, CV, manteniendo constantemente una tensión entre un terminal negativo y un terminal positivo en el rango SOC después del SOC de referencia;
(c) determinar (E90) un segundo perfil de corriente de carga según SOC llevando a cabo la carga CC en la unidad de celda de prueba en el rango SOC hasta el SOC de referencia, y llevando a cabo la carga CV manteniendo constantemente una tensión entre la superficie de electrodo negativo y el terminal positivo en el rango SOC después del SOC de referencia;
(d) determinar (E110) un tercer perfil de corriente de carga según SOC llevando a cabo la carga CC en una batería que incluye múltiples celdas hasta el SOC de referencia y llevando a cabo la carga CV manteniendo constantemente una tensión entre el terminal negativo y el terminal positivo después del SOC de referencia; y
(e) determinar (E120) un perfil de corriente de carga de la batería corrigiendo el tercer perfil de carga añadiendo un perfil de diferencia entre el primer y segundo perfiles de carga a una parte del tercer perfil de carga después del SOC de referencia.
2. El método para determinar el perfil de corriente de carga de la batería según la reivindicación 1, en donde la unidad de celda de prueba es una celda de 4 polos, y
en donde la celda de 4 polos incluye:
al menos un electrodo positivo y al menos un electrodo negativo;
un electrodo de referencia para proveer un potencial de referencia para el potencial superficial del electrodo negativo; y
un electrodo de medición de potencial superficial de electrodo negativo en contacto con la superficie del electrodo negativo.
3. El método para determinar el perfil de corriente de carga de la batería según la reivindicación 2, en donde la etapa (a) comprende:
(a1) determinar (E40) el perfil de potencial superficial de electrodo negativo según SOC midiendo un potencial superficial de electrodo negativo a través del electrodo de referencia y el electrodo de medición de potencial superficial de electrodo negativo durante la carga CC de la unidad de celda de prueba;
(a2) medir (E50) una resistencia interna presente en una trayectoria de medición de potencial superficial de electrodo negativo; y
(a3) corregir (E60) el perfil de potencial superficial de electrodo negativo usando un componente de tensión debido a la resistencia interna.
4. El método para determinar el perfil de corriente de carga de la batería según la reivindicación 3, en donde la resistencia interna se determina mediante espectroscopía de impedancia electroquímica, EIS.
5. El método para determinar el perfil de corriente de carga de la batería según la reivindicación 3, en donde la etapa (a3) comprende corregir el perfil de potencial superficial de electrodo negativo restando el componente de tensión debido a la resistencia interna del perfil de potencial superficial de electrodo negativo.
6. El método para determinar el perfil de corriente de carga de la batería según la reivindicación 1, en donde en la etapa (a), el potencial de límite de depósito de litio es de 0 V.
7. El método para determinar el perfil de corriente de carga de la batería según la reivindicación 1, en donde el perfil de carga se determina de manera independiente para cada una de múltiples condiciones de tasa C de corriente de carga y temperatura de carga llevando a cabo, de forma repetida, las etapas (a) a (e) con condiciones variables de tasa C de corriente de carga y de temperatura de carga de la carga CC.
8. Un sistema (20) de carga de batería, que comprende:
un medio (22) de almacenamiento para almacenar un perfil de corriente de carga de una batería (21) según una tasa C de corriente de carga; y
una unidad (23) de control acoplada, de manera utilizable, al medio (22) de almacenamiento,
en donde la unidad (23) de control se configura para:
establecer la tasa C de corriente de carga de la carga CC, y
determinar:
(a) un estado de carga, SOC, de referencia, correspondiente a un potencial de límite de depósito de litio en un perfil de potencial superficial de electrodo negativo según el SOC obtenido a través de la carga de corriente constante, CC, de una unidad de celda de prueba;
(b) un primer perfil de corriente de carga según el SOC llevando a cabo la carga CC en la unidad de celda de prueba en el rango SOC hasta el SOC de referencia, y llevando a cabo la carga de tensión constante, CV, manteniendo constantemente una tensión entre un terminal negativo y un terminal positivo en el rango SOC después del SOC de referencia;
(c) un segundo perfil de corriente de carga según SOC llevando a cabo la carga CC en la unidad de celda de prueba en el rango SOC hasta el SOC de referencia, y llevando a cabo la carga CV manteniendo constantemente una tensión entre la superficie de electrodo negativo y el terminal positivo en el rango SOC después del SOC de referencia;
(d) un tercer perfil de corriente de carga según el SOC llevando a cabo la carga CC en una batería que incluye múltiples celdas hasta el SOC de referencia y llevando a cabo la carga CV manteniendo constantemente una tensión entre el terminal negativo y el terminal positivo después del SOC de referencia; y
(e) un perfil de corriente de carga de la batería (21) corrigiendo el tercer perfil de carga añadiendo un perfil de diferencia entre el primer y segundo perfiles de carga a una parte del tercer perfil de carga después del SOC de referencia.
9. El sistema (20) según la reivindicación 8, que además comprende
un sensor (24) de temperatura para medir la temperatura de la batería (21);
en donde el medio (22) de almacenamiento se configura además para almacenar una temperatura de carga de carga de corriente constante, CC; y en donde
la unidad (23) de control se acopla además al sensor (24) de temperatura y se configura además para establecer la temperatura de la batería medida a través del sensor (24) de temperatura como la temperatura de carga.
10. El sistema (20) de carga de batería según la reivindicación 9, en donde la unidad (23) de control se configura además para:
determinar un SOC de la batería (21), y
determinar la tasa C de corriente de carga correspondiente al SOC mediante referencia al perfil de carga, y aplicar una corriente de carga correspondiente a la tasa C de corriente de carga determinada mediante el uso de un dispositivo (30) de carga a la batería (21).
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