BR112020003044A2 - processos de maturação para baterias elétricas - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a um processo de maturação para pelo menos uma célula de bateria elétrica (32). O processo de maturação compreende carregar a pelo menos uma célula de bateria elétrica (32) e sujeitar a pelo menos uma célula de bateria elétrica a um período de maturação de pelo menos um dia em que nenhuma carga elétrica outra que um aparelho de medição (30) está conectada na pelo menos uma célula de bateria elétrica. O processo de maturação também compreende fazer pelo menos uma medição da voltagem de circuito aberto da pelo menos uma célula de bateria elétrica (32) com o aparelho de medição (30) entre o início e o final do período de maturação. O processo de maturação ainda compreende determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica na dependência da pelo menos uma medição.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PRO- CESSOS DE MATURAÇÃO PARA BATERIAS ELÉTRICAS".
[001] A presente invenção refere-se a um processo de maturação para pelo menos uma célula de bateria elétrica e especificamente mas não exclusivamente a um processo de maturação para uma bateria elétrica que compreende pelo menos uma célula de bateria elétrica.
[002] Após a fabricação, as baterias elétricas, tal como baterias de íon-lítio, estão sujeitas a um processo de carregamento de forma- ção. O carregamento de formação constitui o primeiro ciclo de carre- gamento para uma bateria elétrica recentemente fabricada e envolve sujeitar a bateria a ciclos de carga e descarga cuidadosamente contro- lados para preparar a bateria elétrica para serviço. Posteriormente, e antes do serviço, as baterias elétricas são frequentemente sujeitas a um processo de maturação. A maturação é algumas vezes é conheci- da como envelhecimento. Um objeto do processo de maturação é identificar baterias fracas ou defeituosas antes das baterias elétricas serem colocadas em serviço.
[003] Um processo de maturação envolve medir a voltagem de circuito aberto de cada bateria elétrica, armazenar as baterias elétricas por um período de maturação de até diversas semanas e medir a vol- tagem de circuito aberto de cada bateria elétrica após o período de maturação. Se a diminuição em voltagem do circuito aberto da medi- ção feita antes do período de maturação para a medição feita após o período de maturação for maior do que uma voltagem predeterminada, a bateria elétrica é rejeitada como sendo inadequada para serviço. O processo de maturação pretende detectar defeitos similares de taxa de autodescarga indevidamente alta, vazamentos de vedação de eletróli- to, defeitos mecânicos, resistência interna indevidamente alta e cama-
da de Interfase de Eletrólito Sólido (SEI) malformada. Tais defeitos usualmente levam tempo para tornar-se evidentes por isto o compri- mento tipicamente extenso do período de maturação. A maturação é tipicamente executada em baterias elétricas de valor mais alto e pode ser executada em baterias elétricas por si, grupos de células de bate- ria ou células de bateria individuais.
[004] Os presentes inventores reconheceram que os processos de maturação conhecidos têm deficiências. É portanto um objeto da presente invenção prover um processo de maturação aperfeiçoado para pelo menos uma célula de bateria elétrica.
[005] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção está provido um processo de maturação para pelo menos uma célula de bateria elétrica, o processo compreendendo: carregar a pelo menos uma célula de bateria elétrica; sujeitar a pelo menos uma célula de bateria elétrica a um período de maturação de pelo menos um dia em que nenhuma carga elétrica outra que um aparelho de medição está conectada na pelo menos uma célula de bateria elétrica; tomar pelo menos uma medição da voltagem de circuito aberto da pelo menos uma célula de bateria elétrica com o aparelho de medição entre o início e o final do período de maturação; e determinar a integridade da pelo menos uma célula de ba- teria elétrica na dependência da pelo menos uma medição.
[006] O processo de maturação compreender carregar a pelo menos uma célula de bateria elétrica.
[007] A pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser car- regada para um nível de carga predeterminado, tal como 30% da ca- pacidade total. A pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser carregada no final de um processo de formação em prontidão para maturação. Alternativamente, a pelo menos uma célula de bateria elé- trica pode ser carregada em prontidão para maturação como uma eta- pa afastada de etapas envolvidas em um processo de formação. O processo de maturação ainda compreende sujeitar a pelo menos uma célula de bateria elétrica a um período de maturação de pelo menos um dia em que nenhuma carga elétrica outra que um aparelho de me- dição está conectada na pelo menos uma célula de bateria elétrica. A pelo menos uma célula de bateria elétrica por, por exemplo, ser arma- zenada em uma área de armazenamento durante o período de matu- ração. O processo de maturação ainda compreende fazer pelo menos uma medição da voltagem de circuito aberto da pelo menos uma célu- la de bateria elétrica com o aparelho de medição entre o início e o final do período de maturação. Mais especificamente, a pelo menos uma medição da voltagem de circuito aberto pode ser feita após o início do período de maturação e antes do final do período de maturação. O processo de maturação mais ainda compreende determinar a integri- dade da pelo menos uma célula de bateria elétrica na dependência da pelo menos uma medição.
[008] Os processos de maturação conhecidos introduzem um significativo retardo entre o final do processo de formação e o posterior carregamento antes das baterias elétricas serem postas em serviço. Mais ainda, os processos de maturação conhecidos requerem um sig- nificativo espaço de armazenamento para baterias elétricas sujeitas à maturação. Retardo antes dos requisitos de transporte posterior e es- paço de armazenamento têm um significante impacto de aumento em custo. Os presentes inventores apreciaram que as baterias elétricas de integridade comprometida frequentemente tornaram-se evidentes tal como antes do final do período de maturação. A presente invenção portanto envolve fazer pelo menos uma medição de voltagem de cir- cuito aberto entre o início e o final do período de maturação por meio de que uma célula de bateria elétrica defeituosa pode ser identificada antes do final do período de maturação.
[009] A pelo menos uma medição pode ser comparada com um valor de voltagem predeterminado com a etapa de determinar a inte- gridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo em de- pendência na comparação. Uma determinação de integridade com- prometida pode ser feita se a pelo menos uma medição for menor do que o valor de voltagem predeterminado. Uma alta autodescarga in- terna indevida pode assim ser identificada.
[0010] O processo de maturação pode compreender fazer medi- ções plurais entre o início e o final do período de maturação, as medi- ções plurais sendo feitas em tempos espaçados. O processo de matu- ração pode ainda compreender comparar uma diferença de voltagem entre uma primeira e uma segunda das medições plurais da voltagem de circuito aberto com um valor de diferença predeterminado, com a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bate- ria elétrica sendo em dependência na comparação. Uma determinação de integridade comprometida pode ser feita se a diferença de voltagem for maior do que o valor de diferença predeterminado. Uma diferença de tempo entre a primeira e segunda medições pode ser determinada. O processo de maturação pode determinar uma taxa de mudança de voltagem em dependência da diferença de voltagem e da diferença de tempo. Alternativamente ou além disso, pelo menos uma primeira e segunda medições podem ser comparadas com pelo menos a primeira e segunda medições de referência armazenadas. Uma taxa de des- carga pode ser determinada por meio da comparação com medições de referência armazenadas. Altas autodescargas internas indevidas podem assim ser identificadas.
[0011] Mais ainda, onde existem pelo menos três medições toma- das, as diferenças de voltagem entre pares de medições adjacentes podem ser determinadas para por meio disto obter pelo menos uma primeira diferença de voltagem e uma segunda diferença de voltagem. O processo de maturação pode compreender determinar pelo menos uma fase de descarga na dependência de diferenças de voltagem. Por exemplo, uma primeira diferença de voltagem pode ser indicativa de uma fase de relaxamento e uma segunda diferença de voltagem pode ser indicativa de uma fase de estado estável. Uma curva de descarga para células de bateria elétrica pode ser provida fazendo suficientes medições de circuito aberto durante o período de maturação. Por exemplo, a curva de descarga pode ser suficientemente caracterizada fazendo medições em intervalos horários durante o período de matu- ração. A etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode estar em dependência da determinação de pelo menos uma fase de descarga. Mais especificamente, a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode estar na dependência de pelo menos uma voltagem medição fei- ta após uma fase de relaxamento.
[0012] Uma primeira medição pode ser feita próxima do início do período de maturação. Em contraste, e de acordo com processos de maturação conhecidos, a primeira medição é feita antes do período de maturação e tipicamente no final do período de formação. As células de bateria elétrica são submetidas a um período de relaxamento ime- diatamente seguinte ao carregamento por meio de que uma medição de voltagem de circuito aberto feita imediatamente seguinte ao carre- gamento, de modo que no final de um processo de formação, pode prover uma primeira medição enganada mente alta. Uma trajetória de medições de voltagem de circuito aberto ao longo do tempo pode ser comparada com uma trajetória predeterminada para determinar o final do período de relaxamento. A etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode estar em dependência de medições de voltagem de circuito aberto feitas após o final do perí- odo de relaxamento.
[0013] O processo de maturação pode ainda compreender fazer pelo menos uma medição de voltagem de medição de resistência quando uma resistência conhecida está conectada entre um terminal positivo e um terminal negativo da pelo menos uma célula de bateria elétrica. Uma resistência interna da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser determinada na dependência de: uma medição da voltagem de circuito aberto da pelo menos uma célula de bateria elé- trica (isto é, quando a resistência conhecida não está conectada entre o terminal positivo e o terminal negativo); uma medição de voltagem de medição de resistência quando a resistência conhecida está conec- tada; e a resistência conhecida. Alternativamente ou além disso, o processo de maturação pode compreender conectar uma carga, tal como um FET, entre um terminal positivo e um terminal negativo da pelo menos uma célula de bateria elétrica. A resistência interna da pe- lo menos uma célula de bateria elétrica pode ser determinada na de- pendência de medição de corrente consumida e voltagem através dos terminais quando a cargas está conectada. O processo de maturação pode ainda compreender comparar a resistência interna com um valor de resistência predeterminado com a etapa de determinar a integrida- de da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo em dependên- cia na comparação. Uma determinação de integridade comprometida pode ser feita se a resistência interna for maior do que o valor de resis- tência predeterminado. Uma alta resistência interna indevida pode ser causada por preenchimento insuficiente ou vazamento de eletrólito, más soldas de eletrodo ou imprópria formação de SEI.
[0014] Tais resistências internas plurais podem ser determinadas em tempos espaçados com base em medições feitas em respectivos tempos. O processo de maturação pode compreender comparar uma diferença entre duas resistências internas com um valor de diferença de resistência interna predeterminado, com a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica estando em dependência na comparação. Uma determinação de integridade com- prometida pode ser feita se a diferença entre as duas resistências in- ternas for maior do que o valor de diferença de resistência interna pre- determinado. Mais especificamente, uma determinação de integridade comprometida pode ser feita se uma taxa de mudança de resistência interna for maior do que uma taxa predeterminada de mudança de re- sistência interna. Uma alta taxa de mudança indevida de resistência interna pode ser causada por vazamento de eletrólito.
[0015] O processo de maturação pode ainda compreender uma temperatura da pelo menos uma célula de bateria elétrica. A etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode estar em dependência de pelo menos uma medição de tempera- tura. Mais especificamente, uma temperatura medida pode ser compa- rada com uma temperatura predeterminada. Uma determinação de integridade comprometida pode ser feita se a temperatura medida for maior do que a temperatura predeterminada. Alternativamente ou além disso, uma primeira medição de temperatura e uma segunda medição de temperatura podem ser feitas em tempos espaçados, uma diferen- ça de temperatura entre a primeira e segunda medições de temperatu- ra pode ser determinada, e uma diferença de temperatura comparada com uma diferença de temperatura limite. Se a diferença de tempera- tura for maior do que a diferença de temperatura limite a pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser determinada ser de integridade comprometida. Uma temperatura indevidamente alta pode ser causada por um curto interno.
[0016] O processo de maturação pode ainda compreender deter- minar uma segunda derivada com o tempo de pelo menos uma de vol-
tagem de circuito aberto, resistência interna e temperatura. Uma de- terminação de integridade comprometida pode ser feita na dependên- cia de análise da segunda derivada. Mais especificamente, uma de- terminação de integridade comprometida pode ser feita se a segunda derivada estiver fora de um limite predeterminado. Mais ainda, uma determinação de integridade comprometida pode ser feita se a segun- da derivada for pelo menos uma de: menor do que uma primeira se- gunda derivada predeterminada; e maior do que uma segunda, segun- da derivada predeterminada.
[0017] A etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser executada no aparelho de medição. Um resultado da etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser conduzido para uma localiza- ção remota e mais especificamente para um aparelho de computação central na localização remota.
[0018] O resultado pode compreender a identificação da pelo me- nos uma célula de bateria elétrica como sendo de integridade com- prometida. Alternativamente ou além disso, a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser executada em uma localização remota do aparelho de medição e mais especificamente no aparelho de computação central na localização remota. Um resultado da etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica pode compreender a identifica- ção da pelo menos uma célula de bateria elétrica como sendo de inte- gridade comprometida.
[0019] Na prática, o processo de maturação pode ser executado ao mesmo tempo sobre cada uma de unidades de célula de bateria elétrica plurais. Pode portanto existir uma comunicação de cada uma das unidades de célula de bateria elétrica plurais para a localização remota.
[0020] O processo de maturação pode ainda compreender prover um sinal de remoção de célula na dependência da etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica e mais es- pecificamente quando a pelo menos uma célula de bateria elétrica foi determinada ser de integridade comprometida. O sinal de remoção de célula pode ser provido pelo aparelho de medição ou pelo aparelho de computação central em uma localização remota. A provisão do sinal de remoção de célula pode compreender prover uma saída perceptível de operador, tal como por meio de um display compreendido no apare- lho de computação central. O operador pode assim ser notificado da necessidade de remover a pelo menos uma célula de bateria elétrica do processo de maturação.
[0021] O processo de maturação pode ainda compreender condu- zir um resultado da etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica para uma localização remota e mais es- pecificamente para um aparelho de computação central na localização remota. O resultado da etapa de determinar a integridade da pelo me- nos uma célula de bateria elétrica pode ser conduzido sem fio para a localização remota. O aparelho de medição pode ser configurado con- sequentemente como adicionalmente abaixo descrito. O resultado po- de compreender a identificação da pelo menos uma célula de bateria elétrica como sendo de integridade comprometida.
[0022] O período de maturação pode ser de duração de dias plu- rais. Mais especificamente, o período de maturação pode ser pelo me- nos uma semana, pelo menos duas semanas ou pelo menos três se- manas. Durante o período de maturação e mais especificamente atra- vés de todo o período de maturação a pelo menos célula de bateria elétrica pode estar sujeita a uma temperatura acima da temperatura ambiente e mais especificamente acima de 25°C, 30°C ou 35°C. A pe- lo menos uma célula de bateria elétrica pode ser armazenada durante o período de maturação em um ambiente de temperatura controlada. O período de maturação pode compreender pelo menos uma parte do período de transporte. A pelo menos célula de bateria elétrica pode não está sujeita a um ambiente de temperatura controlada durante a parte de transporte do período de maturação. Alternativamente, e onde as circunstâncias permitem, a pelo menos célula de bateria elétrica pode estar sujeita a um ambiente de temperatura controlada durante a parte de transporte do período de maturação.
[0023] O processo de maturação pode ser executado sobre célula de bateria elétrica plurais, as células de bateria elétrica plurais sendo constituídas como um grupo de células de bateria elétrica. O grupo de células de bateria elétrica podem estar eletricamente conectadas para prover um nível de voltagem ou corrente desejado e podem, após o processo de maturação, ser trazidas em utilização em uma bateria elé- trica e talvez com outros grupos de células de bateria elétrica.
[0024] O aparelho de medição pode compreender um aparelho de medição de voltagem. O aparelho de medição de voltagem pode com- preender um resistor através dos terminais da pelo menos uma célula de bateria elétrica, o resistor formando uma parte de uma disposição de divisor de voltagem. O aparelho de medição pode ainda compreen- der um conversor analógico para digital que é operativo para converter uma saída analógica da disposição de divisor de voltagem para a for- ma digital. O aparelho de medição pode ainda compreender um pro- cessador configurado para executar os processos descritos neste do- cumento. O processador pode ser um microcontrolador. Alternativa- mente ou além disso, o processador pode compreender um circuito eletrônico além de ou ao invés de um microcontrolador, o circuito ele- trônico sendo configurado para executar os processos descritos neste documento. O aparelho de medição pode, portanto, compreender cir- cuitos que têm estruturas e/ou memória não transitória que tem instru-
ções programadas para executar estes processos.
[0025] O aparelho de medição pode ainda compreender um sen- sor de temperatura o qual detecta a temperatura da pelo menos célula de bateria elétrica. Uma saída do sensor de temperatura pode ser convertida para forma digital como acima descrito.
[0026] O aparelho de medição pode ainda compreender uma car- ga, tal como um FET ou um resistor de valor conhecido, e um comuta- dor operativo para conectar a carga através dos terminais positivo e negativo da pelo menos célula de bateria elétrica.
[0027] O aparelho de medição pode ainda compreender um apare- lho de comunicação e mais especificamente um aparelho de comuni- cação sem fio. O aparelho de comunicação sem fio pode estar configu- rado para prover uma comunicação de frequência de rádio. O aparelho de comunicação pode prover a comunicação com o aparelho de com- putação em uma localização remota.
[0028] O aparelho de medição pode estar incorporado na pelo menos célula de bateria elétrica. Mais especificamente, o aparelho de medição pode estar incorporado na pelo menos célula de bateria elé- trica durante um estágio anterior de um processo de fabricação, tal como antes de um processo de formação. O aparelho de medição po- de estar incorporado na estrutura da pelo menos célula de bateria elé- trica por meio de que o aparelho de medição é uma parte integral da pelo menos célula de bateria elétrica.
[0029] O aparelho de medição pode ser utilizado durante outra parte do processo de fabricação, tal como durante o processo de car- regamento de formação, ou durante o serviço.
[0030] A pelo menos uma célula de bateria elétrica pode compre- ender uma disposição eletroquímica de íon-lítio e mais especificamen- te uma disposição eletroquímica de polímero de íon-lítio.
[0031] A pelo menos uma célula de bateria elétrica pode ser com-
preendida em uma bateria elétrica por meio de que o processo de ma- turação é executado na bateria elétrica.
[0032] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, está provido um processo de fabricação para pelo menos uma célula de bateria elétrica, o processo de fabricação compreendendo: um pro- cesso de formação executado sobre a pelo menos célula de bateria elétrica; e um processo de maturação de acordo com o primeiro as- pecto da presente invenção.
[0033] As modalidades do segundo aspecto da presente invenção podem compreender uma ou mais características do primeiro aspecto da presente invenção.
[0034] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção está provido um processo de maturação para pelo menos uma célula de bateria elétrica, o processo compreendendo: carregar a pelo menos célula de bateria elétrica; sujeitar a pelo menos uma célula de bateria elétrica a um período de maturação de pelo menos um dia em que ne- nhuma carga elétrica outra que um aparelho de medição está conec- tada na pelo menos uma célula de bateria elétrica; fazer pelo menos uma medição da voltagem de circuito aberto da pelo menos célula de bateria elétrica com o aparelho de medição; e determinar a integridade da pelo menos célula de bateria elétrica na dependência da pelo me- nos uma medição.
[0035] As modalidades do aspecto adicional da presente invenção podem compreender uma ou mais características do primeiro aspecto da presente invenção.
[0036] Características e vantagens adicionais da presente inven- ção ficarão aparentes da descrição específica seguinte, a qual é dada por meio de exemplo comente e com referência aos desenhos acom- panhantes, nos quais:
[0037] Figura 1 é uma representação de diagrama de blocos de um processo de fabricação de bateria elétrica que compreende um processo de maturação de acordo com uma modalidade da invenção;
[0038] Figura 2 é uma representação de uma bateria elétrica e um aparelho de medição utilizado durante o processo de maturação;
[0039] Figura 3 é uma representação de uma disposição de matu- ração que compreende baterias elétricas plurais;
[0040] Figura 4 é um primeiro gráfico de voltagem de circuito aber- to ao longo do tempo para uma bateria elétrica;
[0041] Figura 5 é um segundo gráfico de voltagem de circuito aberto ao longo do tempo para uma bateria elétrica;
[0042] Figura 6 é um terceiro gráfico de voltagem de circuito aber- to ao longo do tempo para uma bateria elétrica;
[0043] Figura 7 mostra um gráfico de taxa de descarga o qual é característico de uma bateria elétrica não comprometida e um gráfico de taxa de descarga o qual é característico de uma bateria elétrica comprometida; e
[0044] Figura 8 mostra um gráfico de taxa de mudança de taxa de descarga o qual é característico de uma bateria elétrica não compro- metida.
[0045] Uma representação de diagrama de blocos de um processo de fabricação de bateria elétrica que compreende um processo de ma- turação de acordo com uma modalidade da invenção está mostrada na Figura 1. O processo de fabricação de bateria elétrica 10 inicia com a fabricação dos eletrodos 12, seguido por empilhamento 14 e então a montagem 16. A estrutura montada é então cheia com eletrólito e ve- dada 18. Posteriormente, a bateria elétrica é sujeita a um processo de carregamento de formação 20. O processo de carregamento de for- mação 20 constitui o primeiro ciclo de carregamento da bateria elétrica recentemente fabricada e envolve sujeitar a bateria elétrica a ciclos de carga e descarga cuidadosamente controlados para preparar a bateria elétrica para serviço. Quando o processo de carregamento de forma- ção está completo, a bateria elétrica é sujeita a um processo de matu- ração 22. O processo de maturação 22 está abaixo descrito em deta- lhes. Quando o processo de maturação 22 está completo, a bateria elétrica é embalada e despachada para subsequente utilização 24. Apesar da presente descrição com referência às Figuras 1 a 3 fazer referência a baterias elétricas, a presente descrição é igualmente apli- cável a uma célula de bateria elétrica ou um grupo conectado de célu- las de bateria elétrica.
[0046] Uma representação de uma bateria elétrica e aparelho de medição utilizada durante o processo de maturação 22 está mostrado na Figura 2. O aparelho de medição 30 está conectado através dos terminais positivo e negativo de uma bateria elétrica 32. O aparelho de medição 30 é incorporado na bateria elétrica 32 em um estágio anteri- or do processo de fabricação 10, tal como durante a montagem 16 por meio de que o aparelho de medição é operativo durante o processo de carregamento de formação 20, o processo de maturação 22 e durante a utilização da bateria elétrica após embalagem e despacho 24. O aparelho de medição 30 compreende circuito de medição 34. O circui- to de medição 34 compreende um aparelho de medição de voltagem, um sensor de temperatura, um conversor analógico para digital que é operativo para converter uma saída analógica de cada um da disposi- ção de divisor de voltagem e do sensor de temperatura para forma di- gital, e um processador o qual recebe os sinais digitais do conversor analógico para digital e processa os sinais digitais recebido. O apare- lho de medição de voltagem compreende um primeiro resistor de valor conhecido o qual está conectada através dos terminais da bateria elé- trica com o resistor formando parte de uma disposição de divisor de voltagem. O sensor de temperatura está disposto dentro da bateria elétrica para detectar a temperatura da bateria elétrica.
[0047] O aparelho de medição 30 ainda compreende um segundo resistor 36 de valor conhecido e um comutador eletricamente atuado 38 operativo para conectar o segundo resistor através dos terminais positivo e negativo da bateria elétrica em paralelo com o primeiro re- sistor da disposição de divisor de voltagem. O segundo resistor 36 é conectado e desconectado dos terminais positivo e negativo por meio do comutador 38 com o comutador sendo controlado pelo processa- dor. A conexão e desconexão do segundo resistor 36 provê a medição da resistência interna da bateria elétrica. Uma primeira voltagem é medida por meio do circuito de medição 34 quando o segundo resistor 36 está desconectado e uma segunda voltagem é medida por meio do circuito de medição quando o segundo resistor está conectado. O pro- cessador está operativo para determinar a diferença entre a primeira e segunda voltagens com a resistência interna sendo determinada no mesmo em vista das resistências do primeiro e segundo resistores sendo conhecidas. Em uma proposta alternativa, um FET é utilizado ao invés do segundo resistor com a corrente consumida e voltagem através dos terminais medidas quanto o FET é conectado. O projeto de um circuito de medição de corrente está dentro da capacidade de projeto comum da pessoa versada na técnica. A resistência interna é determinada na dependência da corrente medida e voltagem medida.
[0048] O aparelho de medição 30 ainda compreende um transcep- tor de comunicação de frequência de rádio 40 o qual provê comunica- ção de dados para o e do aparelho de medição. Em uma primeira for- ma, os dados comunicados do aparelho de medição compreendem dados de status de bateria. Os dados de status de bateria compreen- dem um sinal de remoção de célula o qual é gerado pelo processador se a célula de bateria elétrica for determinada durante o processo de maturação ser de integridade comprometida. Uma bateria elétrica é determinada ser de integridade comprometida na dependência das determinações de integridade de bateria elétrica abaixo descritas, as quais são executadas no processador. Em uma segunda forma e onde a determinação de integridade da bateria é executada em outro local, os dados comunicados do aparelho de medição compreendem medi- ções de voltagem periódica, temperatura e resistência interna.
[0049] Uma representação de uma disposição de maturação 50 está mostrada na Figura 3. A disposição de maturação 50 compreende baterias elétricas plurais 52 armazenadas em um ambiente de tempe- ratura controlada durante o processo de maturação. O ambiente de temperatura controlada mantém uma temperatura de 40°C durante o processo de maturação. O processo de maturação tem uma duração entre diversos dias e um mês dependendo do tipo de baterias elétricas 52 sendo sujeitas à maturação. Cada uma das baterias elétricas 52 é como acima descrito com referência à Figuras 2. Mais ainda, os termi- nais positivo e negativo de cada uma das baterias elétricas 52 são ele- tricamente desconectados do aparelho externo por meio de que o apa- relho de medição 30 aplica a única carga elétrica na bateria elétrica. Uma antena de frequência de rádio 54 de forma de fita está disposta de modo que esta estende adjacente ao transceptor de comunicação de frequência de rádio 40 de cada uma das baterias elétricas plurais
52. A antena de frequência de rádio 54 está eletricamente acoplada a um módulo de interface de comunicações 56 instalado dentro do am- biente de temperatura controlada. As baterias elétricas plurais 52 es- tão, portanto, eletricamente isoladas umas das outras.
[0050] O módulo de interface de comunicações 56 está em comuni- cação de dados com o aparelho de computação remoto 58. O aparelho de computação remoto 58 é operativo para prover um controle supervi- sório do aparelho de medição 30 compreendido em cada uma das bate-
rias elétricas plurais 52. O aparelho de computação remoto 58 é operati- vo para receber dados do aparelho de medição 30 compreendido em cada uma das baterias elétricas plurais 52. De acordo com a primeira forma acima descrita, o aparelho de computação remoto 58 recebe da- dos de status de bateria os quais compreende um sinal de remoção de célula se a bateria elétrica for determinada ser de integridade compro- metida. O aparelho de computação remoto 58 provê um operador com uma saída perceptível, tal como por meio de um display compreendido no aparelho de computação central, na dependência do recebimento do sinal de remoção de célula. O operador é assim informado da necessi- dade de remover a bateria elétrica em questão do processo de matura- ção. De acordo com a segunda forma acima descrita, o aparelho de computação remoto 58 recebe dados comunicados do aparelho de me- dição que compreendem medições de voltagem periódica, temperatura e resistência interna. As medições de voltagem periódica, temperatura e resistência interna são processadas no aparelho de computação remoto 58 para fazer as determinações de integridade de bateria elétrica abaixo descritas. Quando da identificação de uma bateria elétrica de integridade comprometida, o aparelho de computação remoto 58 é operativo para prover um operador uma saída perceptível por meio de que o operador é informado da necessidade de remover a bateria elétrica em questão do processo de maturação.
[0051] As determinações de integridade de bateria elétrica feitas durante o processo de maturação 20 serão agora descritas com refe- rências às Figuras 4 a 6. Um primeiro gráfico de voltagem de circuito aberto ao longo do tempo para uma bateria elétrica está mostrado na Figura 4. A voltagem de circuito aberto de uma bateria elétrica é medi- da em intervalos regulares, como indicado pelos círculos na Figura 4, com o aparelho de medição 30 iniciando em t0 e terminando em tend. As baterias elétricas são submetidas a um período de relaxamento imediatamente seguinte ao carregamento por meio de que as medi- ções de voltagem de circuito aberto feitas após o carregamento são prováveis de prover altas medições enganadoras levando a falsas de- terminações de integridade comprometida. Medição de voltagem de circuito aberto em intervalos regulares provê a determinação da traje- tória ao longo do tempo da voltagem de circuito aberto. A parte inicial da trajetória é analisada para determinar o final do período de relaxa- mento. O final do período de relaxamento está indicado na Figura 4 pela linha pontilhada horizontal 72. A determinação do final do período de relaxamento está abaixo descrita com referência à Figura 5. A taxa de autodescarga é então determinada com base em medições de vol- tagem de circuito aberto feitas após o final do período de relaxamento por meio de que a probabilidade de uma queda em voltagem do circui- to aberto V é determinada entre o final do período de relaxamento e tend o qual é indicado pela linha pontilhada vertical 74. Além disto, a trajetória da voltagem de circuito aberto após o final do período de re- laxamento é comparada com trajetórias pré-determinadas para identi- ficar uma trajetória anormal a qual pode ser indicativa de aumento de resistência interna, formação de SEI imprópria, subpreenchimento ou vazamento de eletrólitos, e curto-circuito interno. A comparação de tra- jetória pode prover a identificação de baterias elétricas de integridade comprometida antes do final do período de maturação.
[0052] Um segundo gráfico de voltagem de circuito aberto ao lon- go do tempo para uma bateria elétrica está mostrado na Figura 5. A Figura 5 serve para ilustrar o período de relaxamento. O tempo entre t0 e ts constitui a última parte do período de relaxamento. Como pode ser apreciado da Figura 5, a queda voltagem de circuito aberto V entre t0 e tend é significativamente mais alta do que a queda de voltagem de circuito aberto entre ts e tend por meio de que V é enganosamente al- to. Como acima descrito, o final do período de relaxamento é determi-
nado como uma base para determinar uma queda de voltagem de cir- cuito aberto mais apropriadamente refletiva. O final do período de rela- xamento é determinado comparando a parte anterior da trajetória de voltagem de circuito aberto com uma trajetória predeterminada que é característica de relaxamento para o tipo de bateria.
[0053] Um terceiro gráfico de voltagem de circuito aberto ao longo do tempo para uma bateria elétrica está mostrado na Figura 6. A Figura 6 serve para ilustrar a identificação de uma bateria elétrica de integrida- de comprometida mais cedo no período de maturação. Aqui as medi- ções de voltagem de circuito aberto são feitas de t0, como indicado pela linha pontilhada mais alta 76 na Figura 6, onde o período de relaxamen- to já terminou por t0. Um limite de voltagem predeterminado utilizado pa- ra determinação de descarga indevidamente alta está indicado pela linha pontilhada inferior 78 na Figura 6. Como pode ser visto da Figura 6, me- dições plurais de voltagem de circuito aberto durante o período de matu- ração proveem a detecção de quando a voltagem de circuito aberto cru- za o limite de voltagem predeterminado no tempo tf o qual é aproxima- damente 20% do percurso através do período de maturação. Em con- traste, um processo de maturação conhecido determinaria uma descar- ga indevidamente alta após o final do período de maturação.
[0054] Cinco diferentes cenários que envolvem integridade com- prometida serão agora descritos. Para os cinco cenários, duas células típicas, célula A e célula B, têm as seguintes características a 25°C: Propriedade Célula A Célula B Capacidade 'C' 50Ah 40Ah Tecnologia LFP NMC Vnom 3,2 V 3,7 V VMax 3,65 V 4,2 V Vmin 2,5 V 2,7 V Rint (resistência inter- 1 mOhm @ 50% SOC 1,5 mOhm em 50% na) SOC
[0055] A autodescarga interna é muito alta por meio de que a vol- tagem de circuito aberto cai mais do que uma voltagem predetermina- da após um período de tempo. Aqui, a voltagem de circuito aberto de uma célula de bateria é medida em tempos espaçados e a mudança em voltagem comparada com uma diferença de voltagem limite: Exemplo de Exemplo de Ação se V me- V de ação maior Célula Limite V nor do que ou do que ou igual ao igual ao limite limite Célula A -100 mV Célula ok Rejeitar célula como defeituosa Célula B -100 mV Célula ok Rejeitar célula como defeituosa
[0056] A autodescarga interna é muito alta por meio de que o gra- diente da mudança em voltagem de circuito aberto ao longo do tempo é muito alta. Rastreando a trajetória, uma determinação é feita quando a célula de bateria está no período de relaxamento, em estado estável ou autodescarregando. A 30% SOC após a célula ter relaxado, os se- guintes limites de taxa de descarga são esperados: Exemplo Exemplo de Limi- Ação se descarga Ação se descarga de Célula te de Taxa de menor do que li- maior do que ou Descarga mite igual a limite Célula A C/40000 (1,25mA) Célula ok Rejeitar célula co- mo defeituosa Célula B C/40000 (1mA) Célula okRejeitar célula co- mo defeituosa
[0057] A descarga não é medida diretamente. Ao invés, a volta- gem de circuito aberto é utilizada como um indicador de descarga. A taxa de descarga é relativa à voltagem de circuito aberto pelos gráficos mostrados na Figura 7. A voltagem de circuito aberto ao longo do tem- po é comparada com curvas predeterminadas de limite superior 80 e limite inferior 82 para determinar se a voltagem de circuito aberto cai entre as curvas de limite superior e inferior. Um primeiro gráfico 84 na Figura 7 cai entre as curvas de limite superior e inferior 80, 82 e é por- tanto determinado não ser de integridade comprometida. Um segundo gráfico 86 na Figura 7 cai abaixo da curva de limite inferior 82 e é por- tanto determinado ser de integridade comprometida. As curvas de limi- te superior e inferior 80, 82, são característicos para um tipo de bateria específico. Além disso, a segunda derivada com tempo de voltagem de circuito aberto é analisada para revelar informações adicionais, tal como uma mudança entre uma taxa de carga positiva e uma taxa de carga negativa que é indicativa de uma célula de bateria comprometi- da. A utilização da segunda derivada está ilustrada na Figura 8. A se- gunda derivada de voltagem de circuito aberto é comparada com cur- vas de limite de taxa superior 90 e limite de taxa inferior 92 predeter- minadas para determinar se a segunda derivada cai entre as curvas de limite de taxa superior e inferior. Como pode ser visto da Figura 8, um gráfico exemplar 94 cai entre as curvas de limite de taxa superior 90 e de limite de taxa inferior 92 por meio de que nenhuma integridade comprometida é determinada neste aspecto.
[0058] A resistência interna é muito alta por meio de que a resis- tência interna está acima de um limite predeterminado. Como acima mencionado, isto poderia ser causado por preenchimento insuficiente / vazamento de eletrólito, más soldas de eletrodo ou imprópria formação de SEI. Para um segundo resistor de 1 Ohm, a voltagem de circuito aberto é medida quando o segundo resistor está desconectado, e a voltagem de circuito aberto é medida novamente quando o segundo resistor está conectado como acima descrito. Sob certas circunstân- cias e onde a corrente de medição é de suficiente significância, outros testes de integridade descritos neste documento são adaptados para levar em conta a corrente de medição. Exemplo OCV Resistor V R Interna Exemplo Resultados Célula Ligado de Limite Célula A 3 2,997 1 mOhm 1,2 mOhm Célula Ok Célula B 3 2,997 1 mOhm 1,7 mOhm Célula Ok Célula A 3 2,990 1,6 mOhm 1,2 mOhm Rejeitar célula como defeituosa Célula B 3 2,990 1,6 mOhm 1,7 mOhm Célula Ok
[0059] O gradiente de mudança em resistência interna ao longo do tempo é muito alto. Isto poderia ser causado por vazamento de eletróli- to. Medições de resistência interna plurais são feitas ao longo do tem- po. Exemplo Exemplo de Ação se resistên- Ação se resistência de Célula Limite cia interna acima interna menor do de limite que ou igual a limite Célula A 0,1 mOhm/24hrs Rejeitar célula como Célula Ok defeituosa Célula B 0,1 mOhm/24hrs Rejeitar célula como Célula Ok defeituosa
[0060] A célula de bateria tem um curto interno por meio de que a mudança em temperatura das células de bateria é maior do que um valor limite. A temperatura é medida como acima descrito em tempos espaçados e comparada com o valor limite. Exemplo de Exemplo de Ação se tempera- Ação se temperatu- Célula Temp tura maior do que ra for menor do que Limite Temp limite ou igual ao limite Célula A 10degC Rejeitar célula co- Célula Ok mo defeituosa Célula B 10degC Rejeitar célula co- Célula Ok mo defeituosa
Claims (27)
1. Processo de maturação para pelo menos uma célula de bateria elétrica, o processo caracterizado pelo fato de compreender: carregar a pelo menos uma célula de bateria elétrica; sujeitar a pelo menos uma célula de bateria elétrica a um período de maturação de pelo menos um dia em que nenhuma carga elétrica outra que um aparelho de medição está conectada na pelo menos uma célula de bateria elétrica; fazer pelo menos uma medição da voltagem de circuito aberto da pelo menos uma célula de bateria elétrica com o aparelho de medição entre o início e o final do período de maturação; e determinar a integridade da pelo menos uma célula de ba- teria elétrica na dependência da pelo menos uma medição.
2. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma medição da volta- gem de circuito aberto é feita após o início do período de maturação e antes do final do período de maturação.
3. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma medição é comparada com um valor de voltagem predeterminado com a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo na dependência da comparação com o valor de voltagem pre- determinado.
4. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de compreen- der fazer medições plurais entre o início e o final do período de matu- ração, as medições plurais sendo feitas em tempos espaçados.
5. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 4 caracterizado pelo fato de ainda compreender comparar uma diferença de voltagem entre uma primeira e uma segunda das medições plurais da voltagem de circuito aberto com um valor de diferença predetermi- nado, com a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo dependência da comparação com o valor de diferença predeterminado.
6. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 4 ou 5 caracterizado pelo fato de ainda compreender: determinar uma diferença de voltagem entre uma primeira e uma segunda das medi- ções plurais da voltagem de circuito aberto; determinar uma diferença de tempo entre a primeira e segunda medições; e determinar uma taxa de mudança de voltagem na dependência da diferença de voltagem e a diferença de tempo, a etapa de determinar a integridade da pelo me- nos uma célula de bateria elétrica sendo na dependência da compara- ção da taxa de mudança de voltagem com uma taxa de mudança pre- determinada.
7. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que exis- tem pelo menos três medições feitas, diferenças de voltagem entre pares adjacente de medições sendo determinadas para, por meio dis- to, obter pelo menos uma primeira diferença de voltagem e uma se- gunda diferença de voltagem, o processo de maturação compreen- dendo determinar pelo menos uma fase de descarga na dependência de pelo menos a primeira diferença de voltagem e a segunda diferença de voltagem, a pelo menos uma fase de descarga compreendendo um período de relaxamento.
8. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica está na dependência de pe- lo menos uma medição de voltagem feita após o período de relaxa- mento.
9. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as me- dições plurais da voltagem de circuito aberto da pelo menos uma célu- la de bateria elétrica são feitas em tempos espaçados para prover uma trajetória de medições de voltagem de circuito aberto ao longo do tem- po, o processo de maturação compreendendo comparar a trajetória com uma trajetória predeterminada para determinar um final do perío- do de relaxamento, a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo na dependência de pelo menos uma medição de voltagem de circuito aberto feita após o final do perí- odo de relaxamento.
10. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de compreen- der fazer pelo menos uma medição de voltagem de medição de resis- tência quando uma carga está conectada entre um terminal positivo e um terminal negativo da pelo menos uma célula de bateria elétrica, uma resistência interna da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo determinada na dependência de: a pelo menos uma medição de voltagem de medição de resistência; e uma de uma corrente medida consumida pela carga e uma resistência da carga.
11. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de ainda compreender comparar a resis- tência interna com um valor de resistência predeterminado, a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo na dependência da comparação com o valor de resistência pre- determinado.
12. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de ainda compreender determinar resistências internas plurais em tempos espaçados com base em me- dições feitas em respectivos tempos, o processo de maturação com- preendendo comparar uma diferença entre duas resistências internas com um valor de diferença de resistência interna predeterminado, com a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de ba- teria elétrica sendo na dependência da comparação com o valor de diferença de resistência interna predeterminado.
13. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pelo fato de que a determi- nação de integridade comprometida é feita se uma taxa de mudança de resistência interna determinada for maior do que uma taxa de mu- dança de resistência interna predeterminada.
14. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de ainda com- preender medir uma temperatura da pelo menos uma célula de bateria elétrica e comparar a temperatura medida com uma temperatura pre- determinada, a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica sendo na dependência da comparação com a temperatura predeterminada.
15. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de ainda com- preender medir uma primeira temperatura e uma segunda temperatura em tempos espaçados, determinar uma diferença de temperatura en- tre a primeira e segunda temperaturas medidas, e comparar a diferen- ça de temperatura com uma diferença de temperatura limite, a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elé- trica sendo na dependência da comparação com a diferença de tem- peratura limite.
16. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de ainda com- preender determinar uma segunda derivada com o tempo de pelo me- nos uma de: voltagem de circuito aberto medida; resistência interna determinada para a pelo menos uma célula de bateria elétrica; e tem-
peratura medida da pelo menos uma célula de bateria elétrica, a etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elé- trica sendo na dependência da análise da segunda derivada.
17. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que uma determinação de integridade comprometida é feita se a segunda derivada estiver fora de um limite predeterminado.
18. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que uma determinação de integri- dade comprometida é feita se a segunda derivada for uma de: menor do que uma primeira segunda derivada predeterminada; e maior do que uma segunda, segunda derivada predeterminada.
19. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a eta- pa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elétrica é executada no aparelho de medição, um resultado da etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bateria elé- trica sendo conduzido para um aparelho de computação central em uma localização remota, o resultado compreendendo a identificação da pelo menos uma célula de bateria elétrica como sendo de integri- dade comprometida.
20. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de ainda com- preender prover um sinal de remoção de célula na dependência da etapa de determinar a integridade da pelo menos uma célula de bate- ria elétrica.
21. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o perí- odo de maturação é de duração de dias plurais, pelo menos uma se- mana, pelo menos duas semanas ou pelo menos três semanas.
22. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma célula de bateria elétrica é sujeita a uma temperatura aci- ma da temperatura ambiente, acima de 25°C, acima de 30°C ou acima de 35°C durante o período de maturação.
23. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o perí- odo de maturação compreende pelo menos uma parte de um período de despacho.
24. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o apa- relho de medição está incorporado na pelo menos uma célula de bate- ria elétrica.
25. Processo de maturação de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que o aparelho de medição está incor- porado na estrutura da pelo menos uma célula de bateria elétrica por meio da qual o aparelho de medição é uma parte integral da pelo me- nos uma célula de bateria elétrica.
26. Processo de maturação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma célula de bateria elétrica compreende uma disposição ele- troquímica de íon-lítio.
27. Processo de fabricação para pelo menos uma célula de bateria elétrica, o processo de fabricação caracterizado pelo fato de compreender: um processo de carregamento de formação executado na pelo menos uma célula de bateria elétrica; e um processo de matu- ração executado na pelo menos uma célula de bateria elétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes.
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