EP4674024A1 - Procédé de charge rapide impulsionnelle à paliers de tension d'amplitude regulée - Google Patents

Procédé de charge rapide impulsionnelle à paliers de tension d'amplitude regulée

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EP4674024A1
EP4674024A1 EP24703065.3A EP24703065A EP4674024A1 EP 4674024 A1 EP4674024 A1 EP 4674024A1 EP 24703065 A EP24703065 A EP 24703065A EP 4674024 A1 EP4674024 A1 EP 4674024A1
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EP
European Patent Office
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voltage
charging
storage element
phase
value
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703065.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Francis Roy
Guillaume Mermaz Rollet
Thomas Peuchant
Rakesh KHATOKAR AMARNATH
Anas Lahlou
David HERPE
Pierre Xavier THIVEL
Jean Claude LEPRÊTRE
Yann BULTEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Universite Savoie Mont Blanc
Stellantis Auto SAS
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Universite Savoie Mont Blanc
Stellantis Auto SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut Polytechnique de Grenoble, Universite Grenoble Alpes, Universite Savoie Mont Blanc, Stellantis Auto SAS filed Critical SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Definitions

  • TITLE FAST PULSE CHARGING METHOD WITH REGULATED AMPLITUDE VOLTAGE STEPS
  • the field of the invention relates to a method of pulse charging an electrochemical cell energy storage system.
  • FIG. 1 shows an example of a conventional CC-CV charging protocol where the state of charge SOC (“State of Charge” in English) is represented by the dotted curve.
  • the first phase, referenced PH1 consists of controlling a constant charging current (represented by the CC curve) until the cell voltage (represented by the U curve) reaches a maximum voltage recommended by the manufacturer.
  • these protocols provide for a second phase PH2 at constant voltage equal to the maximum voltage.
  • the maximum voltage serves to avoid the undesirable chemical phenomenon of lithium deposition, commonly referred to by the English term “lithium plating”.
  • This type of charging protocol requires finding a compromise between the charging speed and the temperature increase to limit the aging of the cell. Indeed, the first stage of classic charging PH1 in CC-CV protocol is carried out at constant current which contributes to increasing the temperature of the cell. The potentiostatic stage of the second phase PH2 significantly increases the overall recharge time.
  • Document US-B1-6707272 describes a protocol where the pulses are limited by a voltage which depends on the current state of charge of the cell. When the voltage reaches the voltage limit, the protocol controls a relaxation phase.
  • Document EP-A2- 1396061 describes a protocol controlling pulses in current regulation. The protocol alternates pulses, chopped at the resonance frequency of the battery, of the order of 100 to 10000 Hz, and having a duration of between 200 and 1500 milliseconds, and relaxation and discharge phases of 1500 milliseconds maximum and 50 milliseconds maximum respectively. Also known is document US-A1- 20150028819 describing in figure 4 of this same document a four-stage charging protocol.
  • Document US-A1-20170005497 describes a pulsed charging protocol by controlling constant amplitude voltage pulses followed by a relaxation phase to limit the aging effect. According to this protocol, the duration and amplitude of the charging, discharging and relaxation phases are controlled randomly and make it possible to increase the charging current without damaging the cell.
  • Document WO-A1-2019111226A1 describes a pulsed charging protocol controlled by non-linear voltage regulation aimed at reducing the charging time, where the charging voltage is controlled by keeping the product of the derivative with respect to time of the intensity by that of the voltage constant. It should be noted that the recharge is finalized when the cell voltage reaches a maximum value.
  • the object of the present invention is to overcome the aforementioned problems and to propose a rapid charge control of electrochemical cells.
  • an objective of the invention is to propose a technique for controlling pulsed charge by voltage profile controlled by voltage regulation making it possible to recharge the battery within a given time limit while preserving the life of its operational cycle.
  • the invention relates to a method for pulse charging an energy storage element comprising, during a first phase of a charging cycle, the control of a voltage profile with controlled steps in voltage regulation. determining a current profile in a charge cycle of a predetermined duration, and in which a voltage step is calculated according to the following relation [Math 1]:
  • V(SOCi) is the voltage amplitude of a step calculated at the time of a calculation step i
  • Vocv (SOCi) is the estimate of the no-load voltage as a function of the state of charge of the storage element at step i expressed in Volts
  • Ri is the estimate of the internal resistance of the storage element at step i expressed in milliohms
  • n is the coefficient determining the predetermined charging duration in hours
  • Qnominal is the nominal capacity of the storage element in mAh.
  • the method according to the invention may include the following additional characteristics, alone or in combination:
  • the duration of a voltage profile step is limited by the value of the charging current of the current profile relative to a first minimum current threshold, a new voltage profile step value being recalculated at the times when the charging current reaches the first minimum current threshold;
  • the value of the first minimum current threshold is variable and is specific to each level of the voltage profile
  • the duration of a voltage profile step is limited to a predetermined duration, a new voltage profile step value being recalculated as soon as the duration of the step reaches the predetermined duration;
  • the method comprises a second phase of the charging cycle with voltage pulses, the second phase alternating voltage pulses and relaxation phases, the amplitude of the voltage pulses being calculated according to the relation Math 1;
  • the value of the second voltage threshold is equal to the maximum permitted voltage of the energy storage element in nominal operation; [023] - the second phase ends when the voltage of the storage element reaches a third predetermined voltage threshold corresponding to a maximum authorized state of charge of the storage element;
  • a device for charging an energy storage element comprising a control unit configured for implementing the charging method according to any one of the preceding embodiments.
  • an assembly comprising the device for charging an energy storage element, the energy storage element and a control unit configured to implement the charging method according to any of the preceding embodiments.
  • the invention further relates to an electrified motor vehicle comprising the device for charging an energy storage element, the energy storage element and a control unit configured for implementing the charging method according to any one of the preceding embodiments.
  • the invention provides a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a control unit of a charging device, cause the latter to implement any one of the embodiments of the pulse charging method according to the invention.
  • the method according to the invention improves performance in charging speed, thermal control and limitation of cell aging.
  • FIG. 1 is a graph representing a known charge control technique of the direct current control type and described in the preamble to this description.
  • FIG.2 represents a functional block diagram of a charging system of an energy storage system intended to implement the charging method according to the invention.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a first embodiment of the time-limited voltage step charging method according to the invention during a complete charging cycle of an energy storage system.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a second embodiment of the current-limited voltage step charging method according to the invention during a complete charging cycle of an energy storage system.
  • FIG.5 is a graph describing an alternative embodiment of the voltage profile controlled in the first phase in accordance with the invention.
  • FIG.6A is a graph showing an alternative embodiment of a triangular-shaped voltage profile controlled in the second phase in accordance with the invention.
  • FIG.6B is a graph showing another alternative embodiment of the trapezoidal-shaped voltage profile controlled in the second phase in accordance with the invention.
  • FIG. 1 shows a test scenario of the charging method according to the invention for an NMC/graphite type electrochemical cell.
  • FIG.7B shows the evolution of the state of charge and temperature during the test execution.
  • the invention relates to a technique for controlling pulsed charging with a controlled voltage profile. It is particularly applicable to energy storage systems for electromobility applications, in particular electrified motor vehicles, as well as to stationary energy storage systems, in particular for renewable energy installations and grid regulation.
  • These high-power storage systems are composed of an energy storage element composed of individual sub-elements, called electrochemical cells, electrically interconnected in a particular configuration aimed at meeting the electrical specifications of the system.
  • the cells are electrically connected in series and/or parallel so as to have an electrical capacity and a voltage of operation meeting these specifications.
  • the invention applies to the charging of high-power energy storage systems having at its terminals a voltage of several hundred volts, for example 350 Volts or 1000 Volts, or even a maximum voltage of 1500 Volts or more, in particular for stationary storage systems.
  • the charging method applies to the charging of an individual cell or to low-power systems, for example of the order of a few volts or tens of volts, in particular for portable electronic devices.
  • An energy storage element can therefore be an individual cell or a group of cells.
  • an electrochemical cell is an electrical energy accumulator having two terminals, a positive electrode and a negative electrode, and having a voltage of a few volts, most often between 2.3V and 4.2V, approximately.
  • the cells can be of the Lithium-ion type (for example a lithium Nickel Manganese Cobalt oxide NMC), Nickel Cadmium (Ni-cd), Nickel-Metal-Hydride (Ni-MH) for example. More precisely, a Lithium-ion cell is mainly composed of a porous positive electrode, a porous negative electrode, a separator and an electrolyte.
  • the operating principle of a Lithium-ion cell is based on the reversible exchange of lithium ions between the two porous electrodes.
  • the cells can for example be of the Lithium iron phosphate, Lithium polymer or solid electrolyte type.
  • the charging method according to the invention can be applied to electrochemical battery systems known as multilevel inverter structures.
  • This type of system comprises elementary cell modules interconnected so as to form a multilevel inverter structure distributed in the battery making it possible to connect the battery to an electrical system operating in direct voltage and also in alternating voltage without the intermediary of an inverter.
  • it can connect directly to an extended electrical power supply network operating in alternating voltage and to an electric motor machine. Examples include documents WO-A1-2017/153366, WO-A1-2021/048477 and FR-A1-3121797 which describe this type of architecture.
  • FIG. 2 schematically represents functional blocks of a charging assembly 1 comprising an energy storage system 4 with electrochemical cells.
  • This assembly comprises an energy source 2, which may be a power supply network extended electric system operating in alternating voltage, a charging device 3 provided with an alternating-direct voltage converter for controlling the voltage profile in steps and pulses in accordance with the charging method according to the invention.
  • the storage system 4 is for example an electrified motor vehicle battery or a stationary battery.
  • the charging device 3 may be the on-board charger of a vehicle or the charger of a so-called fast charging station directly delivering a direct voltage adapted to the energy storage system 4.
  • the energy storage system 4 is controlled by a control unit 5 for its operation, designated by the term BMS ("Battery Management System") or BCU (for "Battery Control Unit" in English).
  • the charging device 3 comprises power electronic means capable of controlling a step charging voltage profile or voltage pulse determining a charging current profile of the energy storage system 4.
  • the voltage converter comprises a unit equipped with several MOSFET transistors controlled by its computer. These transistors are arranged and controlled by an opening and closing state scheduling program to convert the input alternating voltage (single-phase or three-phase) into a charging voltage according to the voltage profile.
  • control unit 5 is equipped with an integrated circuit computer and electronic memories, as well as means for acquiring operating parameters of the storage system 4, such as the temperature, the voltage, the value of the charge/discharge current passing through the cells, the state of charge (SOC) and the internal resistance of a cell, in particular.
  • the control unit 5 also comprises models or maps recorded in memory for characterizing the cells obtained experimentally, in particular maps of the no-load voltage as a function of an estimate of the state of charge and the internal resistance of the cells.
  • Data communication means are provided between the storage system 4 and the charging device 3 allowing the exchange of information concerning the electrical parameters of the storage system 4 and the charging device 3 for implementing the charging method according to the invention.
  • State of charge means the level of state of charge of the battery expressed as a ratio between the quantity of energy stored at a given time and the quantity of energy maximum storable at a given time, generally expressed in percent.
  • the state of charge can be estimated at any time from a known initial state of charge and by coulometric measurement between two times of measurement of the charging current according to the following relationship:
  • the open circuit voltage is a measure of the electromotive force of the cell. This measurement depends on the state of charge of the cell.
  • the OCV is the voltage difference between the terminals of a cell when the circuit is open, i.e. in a no-charge condition.
  • Internal resistance is defined as the opposition to the flow of current through the cell.
  • the basic parameters that affect internal resistance are ohmic resistance and ionic resistance which are temperature dependent.
  • Ohmic resistance includes the resistance of the cell components like positive electrode, negative electrode and current collector. While ionic resistance is the resistance shown mainly by the electrolyte to the flow of ions. It is assumed that ionic resistance is negligible compared to ohmic resistance because the polarization effect is slow compared to ohmic resistance.
  • the charge rate ratio or C-rate in English is defined as a charge or discharge current value defining a speed at which a battery or cell is fully charged or discharged. For example, 1 C-rate corresponds to a current value allowing full charge or discharge in 1 hour, 3 C-rate corresponds to a current value allowing charge or discharge in 20 minutes and 0.5 C-rate in 2 hours.
  • a charging cycle is understood to mean a charging sequence, i.e. from 0% to 100% SOC, or more generally in the case of electrified vehicles from 10% to 90% SOC.
  • a charge cycle can also be defined by the moment from when a charge is triggered until the energy source is stopped and disconnected.
  • the characterization of the cells consists in determining by experimental techniques known to those skilled in the art in the field of electrochemical cells the characteristic parameters of the cells in operation, such as the internal resistance and the OCV.
  • the internal resistance can be mapped using the so-called current interrupt technique (CIT) present in the EC-lab software from Biologie ®.
  • CIT current interrupt technique
  • the OCV can be mapped by measuring the voltage at different states of charge under given temperature conditions.
  • the characterization parameters are recorded in the memory of the battery control unit and can be determined at any time.
  • the OCV can be determined at each instant from a map taking as input an estimate of the state of charge and the internal resistance from a map taking as input a measurement of the temperature and an estimate of the state of charge.
  • control functions of the control unit 5 and the charging device 3 can be implemented in the form of software modules (or computer modules (or “software”)), or electronic circuits (or “hardware”), or a combination of electronic circuits and software modules such as for example circuits of the ASIC (“Application Specific Integrated Circuit” in English), or DSP (“Digital Signal Processor” in English) type.
  • software or computer modules (or “software”)
  • electronic circuits or “hardware”
  • a combination of electronic circuits and software modules such as for example circuits of the ASIC (“Application Specific Integrated Circuit” in English), or DSP (“Digital Signal Processor” in English) type.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • DSP Digital Signal Processor
  • the charging device 3 is configured to implement the pulse charging method according to the invention comprising two phases making it possible to ensure a complete charging cycle in a predetermined duration while limiting the effects of aging of the cells.
  • FIGS 3 and 4 describe two embodiments of the charging method for a charging cycle between 10% of the SOC and 90% of the SOC.
  • the first phase E1 with voltage steps and the second phase E2 with voltage pulses consist in controlling a voltage profile with voltage steps or voltage pulses of controlled amplitude according to the following relationship:
  • V(soci) is the voltage amplitude of a step calculated at the time of a calculation step i
  • Vocv (SOCi) is the estimate of the no-load voltage as a function of the state of charge of the storage element at step i expressed in Volts
  • Ri is the estimate of the internal resistance of the storage element at step i expressed in milliohms
  • n is the coefficient determining the predetermined charging duration in hours
  • Qnominai is the nominal capacity of the storage element in mAh.
  • the coefficient n has a value of 1/3 for a desired charging time of 20 minutes for a complete charging cycle of an energy storage element.
  • the value of the voltage amplitude is judiciously controlled over the course of the charging cycle according to a first component dependent on the monitoring of the no-load voltage OCV and the second component aiming on the one hand to compensate for the ohmic losses linked to the variation in the state of charge of a cell and on the other hand to limit the duration of the charging cycle.
  • This voltage control makes it possible to control the charging current profile so that the complete charging cycle takes place in the desired time.
  • the first phase is initiated at the beginning of the charging cycle.
  • the initial state of charge for triggering the first phase may be between 0% and 70% of the SOC of the energy storage element, preferably the first phase is triggered when the SOC is at least equal to or greater than 10%.
  • the first phase with a voltage profile controlled according to the amplitude defined by the Math 3 relationship is therefore applied as soon as a charging cycle is triggered.
  • direct current charge control may be provided due to the high internal resistance in this operating zone of a cell, for example at a charging speed ratio of 0.5 C-rate.
  • the first phase E1 comprises 5 calculation steps or levels, referenced S1, S2, S3, S4 and S5, and the second phase E2 comprises two calculation steps or levels referenced S6 and S7.
  • Other quantities of steps are conceivable for a load cycle, which may be between 5 and 100 for example.
  • the voltage steps evolve in an increasing manner and these steps preferably follow one another without incorporating relaxation phases, thus presenting a staircase-shaped voltage profile.
  • the first phase E1 may further comprise relaxation phases between each step, as shown in FIG. 5.
  • the voltage of the first stage S1 can be between 3.7 Volts and 3.9 Volts.
  • the first phase E1 ends when the amplitude of a voltage stage controlled by the charging device 3 and calculated according to the relation Math 3 becomes equal to or greater than the maximum voltage threshold Smax.
  • Smax corresponds to the maximum authorized voltage value of the cell or battery, designated by the English term “upper cut-off voltage”.
  • This threshold Smax is determined by the manufacturer of the charged energy cell and mainly depends on the chemistry. For an individual cell of the NMC type, this threshold Smax is generally close to 4.2 volts.
  • the voltage pulses alternate with relaxation phases.
  • the voltage pulses have constant voltage values calculated according to the relation Math 3 at each calculation step S6 and S7 of a predetermined duration.
  • the charge cycle ratio can be configured for example according to a pulse duration of 0.8s and 0.2s, thus constituting a charge duration factor (“duty cycle”) of 80%.
  • the amplitude values of the pulses during the second phase E2 are higher than the threshold Smax, for example between 4.2 volts and 4.65 volts. This high voltage makes it possible to reduce the charging time in the last phase between 80% and 90% of SOC.
  • the relaxations which are mandatory unlike the first E1, make it possible to avoid undesirable chemical reactions of lithium deposition and heating of the cells. Consequently, the aging effect is reduced. Relaxations allow time for lithium ions to properly deposit at the receiving site and provide fluidity to the system.
  • FIG. 3 a first embodiment is shown where the levels S1, S2, S3, S4 and S5 of the voltage profile are limited by a predetermined duration during the first phase E1.
  • the charging cycle ranging from 10% to 90% of SOC is conducted by controlling 7 levels of voltage amplitudes. in accordance with the relation Math 3.
  • Each step has an equal duration predetermined by the number of steps sought and the desired charging duration.
  • a new step value is controlled at a higher value to compensate for the ohmic losses.
  • the current profile IC begins at a first maximum value then decreases exponentially due to the progressive increase in the internal resistance.
  • the charging current is increased.
  • Phase E1 is controlled until the value of the voltage step reaches the threshold Smax.
  • the second phase E2 is triggered and the voltage profile is regulated according to a pulse cycle of 80% charging ratio.
  • the relaxation is chosen at a voltage value determining a zero charging current IC during the relaxation. It is observed that the IC current profile resulting from the voltage pulses starts at a maximum value and then declines exponentially.
  • the step durations t1, t2, t3, t4, t5 are of equal value, for example within a range from 5s to 90s.
  • the durations t6 and t7 of the calculation steps of the second phase E2 are in this example of greater value.
  • the number of steps, depending on the chosen duration and the duration of the load cycle, can be within a range from 6 to 90 steps.
  • a variant of this first embodiment provides that the successive durations t1, t2, t3, t4, t5 are set to values that are distinct from each other and evolve in a decreasing manner.
  • Another variant of this first embodiment provides that the parameterized durations are chosen randomly or chosen so as to favor the duration of a level over the other levels. For example, an intermediate level in a SOC zone of the cell where it has been observed that the internal resistance increases less quickly can be maintained for a longer duration.
  • FIG 4 a second embodiment of the charging method is shown where the voltage steps are limited by the charging current value IC relative to a current threshold l_lim n specific to each step Sn.
  • 7 voltage steps S1, S2, S3, S4, S5, S6 and S7 are calculated in accordance with the relation math 3.
  • a new voltage amplitude value is calculated as soon as the current reaches or crosses the minimum limit l_lim n associated with the step Sn.
  • the values of the limits of current I _lim n evolve in a decreasing manner as the recharge progresses. For example, depending on the value of n which is set these values can vary in a speed ratio range from 4 C-Rate to 2 C-Rate allowing a recharge up to 80% of the SOC in 20 minutes.
  • the second phase E2 is triggered and the voltage profile VC is regulated according to a cycle of voltage pulses of 80% load ratio where the duration of each step of calculation of the voltage amplitudes is predetermined.
  • the relaxation is chosen at a voltage value determining a zero load current IC during the relaxation. It is observed that the current profile IC resulting from the voltage pulses starts at a maximum value then decreases exponentially.
  • the voltage profile is a periodic profile of rectangular shape.
  • FIG. 5 a graph is shown describing an alternative embodiment of the first phase E1 where the charging device controls the voltage-regulated voltage profile according to voltage steps Sn calculated in accordance with the relation Math 3 and in which relaxation phases are provided between each step.
  • phase E1 the voltage steps calculated in accordance with relation Math 3 and relaxation phases alternate over a predetermined SOC range and that over another SOC range the charging process only controls the voltage steps.
  • the voltage steps may be limited by a predetermined duration over a first SOC range and that the voltage steps are limited by a current limit over a second SOC range.
  • Figures 6A and 6B are shown two other variants of the voltage profile for the second phase E2. On the abscissa are shown the duration in seconds and on the ordinate the voltage value of the charging voltage profile VC.
  • the voltage profile controlled by the charging device can be triangular in shape, as can be seen in Figure 6A. A voltage pulse then corresponds to the part having a positive slope, the duration t1, and the relaxation phase then corresponds to the part having a negative slope, the duration t2.
  • the voltage peak of the triangular shape is calculated according to the relation Math 3.
  • the voltage profile controlled by the charging device is trapezoidal in shape.
  • a voltage pulse then corresponds to the part having a positive slope, duration t1, and the relaxation phase then corresponds to the part having a negative slope, duration t3.
  • Duration t2 corresponds to the voltage plateau or step of the pulse. The value of the voltage plateau is calculated according to the relation Math 3.
  • the negative slope phases of the voltage profile make it possible to limit the lithium deposition effect and to limit aging. It makes it possible to periodically slow down the lithium ion flow. These profiles are particularly interesting for quickly finalizing the recharge in the 80% to 90% SOC range. Other shapes are possible, such as a sinusoidal shape.
  • FIG. 7A a test scenario is shown for a NMC/graphite cell having the following specifications 3.6 volts and 200mAh.
  • the graphs in the upper part show the voltage profile driven in accordance with the invention and below the current profile resulting from the driven voltage profile.
  • On the abscissa is the duration of the charge cycle which is fully executed in less than 12 minutes.
  • the cell is charged from 0% to 80% of the SOC.
  • the table in the lower part indicates the parameters of the voltage profile and the resulting current profile, in particular the voltage amplitude and the duration of each step, the average charge current as well as the pulse and relaxation duration during the second pulse phase.
  • the charging method has the advantage of reducing the battery recharge time, resulting in a better suitability of the electric vehicle compared to the market.
  • it makes it possible to limit the increase in temperature of the battery during recharging with the consequence that the thermal power to be evacuated by the cooling system is significantly reduced, implying a reduction in the cost of the architecture of the battery cooling system.
  • the method also allows the battery life to be increased, which makes it possible to guarantee the customer a duration equivalent to the vehicle life.
  • due to the improved thermal control it is possible to achieve rapid recharging of the car even in hot climates. More generally, this charging solution contributes to lowering the sale price of electric vehicles.
  • the invention advantageously relates to rechargeable electrified, electric or hybrid vehicles called "Plug-in" comprising a charging device according to the invention and a battery that can be charged according to a fast charging protocol.
  • the improvement in performance in terms of charging speed and temperature control makes it possible to consequently increase the number of fast charges accepted by the vehicles in a vehicle life cycle.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de charge impulsionnelle d'un élément de stockage d'énergie (4) comportant, lors d'une première phase d'un cycle de charge (E1), la commande d'un profil de tension (VC) à paliers (S1, S2, S3, S4, S5) pilotés en régulation de tension déterminant un profil de courant (IC) dans un cycle de charge d'une durée prédéterminée, et dans lequel un palier de tension (S1, S2, S3, S4, S5) est calculé à une amplitude en tension à l'instant d'un pas de calcul i selon une fonction dépendant d'une estimation de la tension à vide et d'une estimation de la résistance interne audit instant, d'un coefficient n déterminant la durée de charge et de la capacité nominale de l'élément de stockage. L'invention s'applique au protocole de charge rapide, notamment pour les applications d'électromobilité.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE CHARGE RAPIDE IMPULSIONNELLE A PALIERS DE TENSION D’AMPLITUDE REGULEE
[001] La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2301779 déposée le 27.02.2023 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[002] Le domaine de l’invention concerne un procédé de charge impulsionnelle d’un système de stockage d’énergie à cellule électrochimique.
[003] Dans l’industrie des systèmes de stockage d’énergie de haute puissance, les fabricants recherchent à développer les protocoles de charge rapides optimaux en vitesse de charge et évitant un vieillissement des cellules.
[004] Des protocoles de charge connus s’exécutent en deux phases successives désignées par l’acronyme anglais CC-CV pour « Constant Current » et « Constant Voltage ». En figure 1 , est représenté un exemple de protocole de charge CC-CV conventionnel où l’état de charge SOC (« State of Charge » en anglais) est représenté par la courbe en pointillé. La première phase, référencée PH1 , consiste à piloter un courant de charge constant (représenté par la courbe CC) jusqu’à ce que la tension de la cellule (représentée par la courbe U) atteigne une tension maximale préconisée par le fabricant. Puis, ces protocoles prévoient une deuxième phase PH2 à tension constante égale à la tension maximale. La tension maximale a pour fonction d’éviter le phénomène chimique indésirable de dépôt de Lithium, couramment désigné par le terme anglais « Lithium Plating ». Ce type de protocole de charge nécessite de trouver un compromis entre la vitesse de charge et l’élévation de la température pour limiter le vieillissement de la cellule. En effet, la première étape de charge classique PH1 en protocole CC-CV s’opère à courant constant ce qui contribue à augmenter la température de la cellule. Le palier potentiostatique de la deuxième phase PH2 augmente significativement le temps de recharge global.
[005] Par ailleurs, le courant maximal de charge en régime CC-CV indiqué par le fabricant de cellule est également déterminé de façon à ne pas générer de réactions parasites pouvant conduire à la dégradation de l’électrolyte et le dépôt de lithium sur l’électrode négative pouvant conduire à la formation de dendrites et donc à l’observation de court-circuit. Au-delà des aspects sécuritaires, ce phénomène engendre une baisse de la capacité de l’élément, une dégradation des éléments de la batterie, notamment l’électrolyte, ainsi qu’une augmentation de sa résistance interne. Ce phénomène accélère donc le vieillissement de la cellule et par conséquent ses performances diminuent.
[006] Du fait de ces contraintes, il est donc difficile d’augmenter la vitesse de charge d’une cellule en protocole CC-CV et conduit en général à des échauffements importants des cellules. Par exemple, pour des dispositifs classiquement utilisés pour une traction électrique de véhicule automobile, en mettant en œuvre ce protocole, il est difficile d’atteindre des vitesses de charge supérieures à 2 C-Rate (Valeur de courant de charge pour une charge complète en une demi-heure).
[007] Pour remédier à cet inconvénient, il est possible d’opter soit pour des grammages d’électrodes qui acceptent des courants de cyclage plus forts, au détriment de la capacité de l’élément, soit d’utiliser d’autres chimies, mais offrant là aussi moins de densité énergétique.
[008] En outre, pour éviter les phénomènes de « Lithium Plating » il est connu de recourir à des protocoles alternatifs de charge à commande impulsionnelle. Une commande impulsionnelle alterne une impulsion de charge et une phase de relaxation à courant nul, ou une phase d’inversion de polarité. Ces deux dernières phases ne laissent pas le temps suffisant au Lithium pour se déposer sous forme métallique au niveau de l’électrode. Ce protocole permet donc d’augmenter la durée de vie de la cellule quand bien même la limite en tension maximale à 4.2V est dépassée. On connaît de l’état de la technique les documents suivants décrivant des protocoles à commande impulsionnelle.
[009] La demanderesse a déposé le document W0-A1 -2021156553 décrivant un procédé de charge impulsionnelle en régulation de tension à palier d’amplitude variable dépendant de la variation de la résistance interne de la cellule. Ce procédé est avantageux en ce qu’il propose une technique de charge améliorant le contrôle thermique des cellules.
[010] Par ailleurs, il a été identifié dans ce document l’état de la technique suivant. Le document US-B1 -6707272 décrit un protocole où les impulsions sont limitées par une tension qui dépend de l’état de charge courant de la cellule. Lorsque la tension atteint la limite de tension, le protocole pilote une phase de relaxation. Le document EP-A2- 1396061 décrit un protocole pilotant des impulsions en régulation de courant. Le protocole alterne des impulsions, hachées à la fréquence de résonance de la batterie, de l’ordre de 100 à 10000 Hz, et ayant une durée comprise entre 200 et 1500 millisecondes, et des phases de relaxation et de décharge respectivement de 1500 millisecondes maximum et 50 millisecondes maximum. On connait également le document US-A1- 20150028819 décrivant en figure 4 de ce même document un protocole de charge en quatre temps. Une pré charge à courant constant (CC mode), une charge principale à courant constant (CC mode), une charge impulsionnelle en régulation de courant à la valeur Isup constante (puise mode) et une phase à tension constante (CV mode). Le document US-A1 -20170005497 décrit un protocole de charge impulsionnelle par pilotage d’impulsions de tension d’amplitude constante suivies d’une phase de relaxation permettant de limiter l’effet de vieillissement. Selon ce protocole, la durée et l’amplitude des phases de charge, de décharge et de relaxation sont pilotées de manière aléatoire et permet d’augmenter le courant de charge sans endommager la cellule. Le document WO-A1-2019111226A1 décrit un protocole de charge impulsionnelle piloté en régulation de tension non linéaire visant à diminuer le temps de charge, où la tension de charge est pilotée en maintenant constant le produit, de la dérivée par rapport au temps, de l’intensité par celle de la tension. On notera que la recharge est finalisée lorsque la tension de la cellule atteint une valeur maximale.
[011] Les résultats de l’état de la technique connu révèlent qu’il n’existe pas de solution universelle pour réduire le temps de charge sans augmenter le vieillissement des cellules. Les algorithmes généralement proposés pour les batteries sont complexes et impliquent de développer une technique de contrôle spécifique à chaque système de batterie du fait de la diversité des chimies et de leur conception.
[012] L’objet de la présente invention est de pallier les problèmes précités et de proposer un contrôle de charge rapide de cellules électrochimiques. En particulier, un objectif de l’invention est de proposer une technique de contrôle de charge impulsionnelle par profil de tension piloté en régulation de tension permettant de recharger la batterie dans une limite de temps donnée tout en préservant la durée de vie de son cycle opérationnel.
[013] Plus précisément, l’invention concerne un procédé de charge impulsionnelle d’un élément de stockage d’énergie comportant, lors d’une première phase d’un cycle de charge, la commande d’un profil de tension à paliers pilotés en régulation de tension déterminant un profil de courant dans un cycle de charge d’une durée prédéterminée, et dans lequel un palier de tension est calculé selon la relation suivante [Math 1] :
[015] Où, V(SOCi) est l’amplitude en tension d’un palier calculée à l’instant d’un pas de calcul i, Vocv (SOCi) est l’estimation de la tension à vide en fonction de l’état de charge de l’élément de stockage au pas i exprimée en Volt, Ri est l’estimation de la résistance interne de l’élément de stockage au pas i exprimée en milliohms, n est le coefficient déterminant la durée prédéterminée de charge en heure, Qnominal est la capacité nominale de l’élément de stockage en mAh.
[016] Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :
[017] - la durée d’un palier du profil de tension est limitée par la valeur du courant de charge du profil de courant par rapport à un premier seuil minimal de courant, une nouvelle valeur de palier du profil de tension étant recalculée aux instants où le courant de charge atteint le premier seuil minimal de courant ;
[018] - la valeur du premier seuil minimal de courant est variable et est spécifique à chaque palier du profil de tension ;
[019] - la valeur du premier seuil minimal de courant varie de manière décroissante durant le cycle de charge entre une première valeur de courant et une deuxième valeur de courant ;
[020] - la durée d’un palier du profil de tension est limitée à une durée prédéterminée, une nouvelle valeur de palier du profil de tension étant recalculée dès que la durée du palier atteint la durée prédéterminée ;
[021] - la première phase du cycle de charge se termine lorsque la valeur d’amplitude d’un palier atteint un deuxième seuil de tension, puis le procédé comporte une deuxième phase du cycle de charge à impulsions de tension, la deuxième phase alternant des impulsions de tensions et des phases de relaxation, l’amplitude des impulsions de tension étant calculée selon la relation Math 1 ;
[022] - la valeur du deuxième seuil de tension est égale à la tension maximale autorisée de l’élément de stockage d’énergie en fonctionnement nominal ; [023] - la deuxième phase se finalise lorsque la tension de l’élément de stockage atteint un troisième seuil de tension prédéterminé correspondant à un état de charge maximum autorisé de l’élément de stockage ;
[024] - les impulsions de tension et les phases de relaxation de la deuxième phase forment un profil de tension périodique de forme rectangulaire, triangulaire, trapézoïdale ou sinusoïdale ;
[025] On envisage selon l’invention un dispositif de charge d’un élément de stockage d’énergie comprenant une unité de commande configurée pour la mise en œuvre du procédé de charge selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
[026] On envisage en outre un ensemble comprenant le dispositif de charge d’un élément de stockage d’énergie, l’élément de stockage d’énergie et une unité de commande configurée pour la mise en œuvre du procédé de charge selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
[027] L’invention concerne en outre un véhicule automobile électrifié comprenant le dispositif de charge d’un élément de stockage d’énergie, l’élément de stockage d’énergie et une unité de commande configurée pour la mise en œuvre du procédé de charge selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
[028] L’invention prévoit un programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande d’un dispositif de charge, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de charge impulsionnelle selon l’invention.
[029] Le procédé selon l’invention améliore les performances en vitesse de charge, en contrôle thermique et en limitation du vieillissement des cellules.
[030] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :
[031] [Fig .1 ] est un graphique représentant une technique de contrôle de charge connue de type à contrôle de courant continu et décrite dans le préambule de cette description. [032] [Fig.2] représente un schéma de bloc fonctionnel d’un système de charge d’un système de stockage d’énergie prévu pour mettre en œuvre le procédé de charge selon l’invention.
[033] [Fig .3] est un graphique illustrant un premier mode de réalisation du procédé de charge à paliers de tension limités en temps selon l’invention durant un cycle de charge complet d’un système de stockage d’énergie.
[034] [Fig .4] est un graphique illustrant un deuxième mode de réalisation du procédé de charge à paliers de tension limités en courant selon l’invention durant un cycle de charge complet d’un système de stockage d’énergie.
[035] [Fig.5] est un graphique décrivant une variante de réalisation du profil de tension commandé dans la première phase conformément à l’invention.
[036] [Fig.6A] est un graphique représentant une variante de réalisation d’un profil de tension de forme triangulaire commandée dans la deuxième phase conformément à l’invention.
[037] [Fig.6B] est un graphique représentant une autre variante de réalisation du profil de tension de forme trapézoïdale commandée dans la deuxième phase conformément à l’invention.
[038] [Fig7A] montre un scénario de test du procédé de charge selon l’invention pour une cellule électrochimique de type NMC/graphite.
[039] [Fig.7B] montre l’évolution de l’état de charge et de la température lors de l’exécution du test.
[040] L’invention concerne une technique de contrôle de charge impulsionnelle à profil de tension contrôlé. Elle s’applique en particulier aux systèmes de stockage d’énergie pour des applications d’électromobilité, notamment les véhicules automobiles électrifiés, ainsi qu’aux systèmes de stockage d'énergie stationnaires, notamment pour les installations d’énergie renouvelable et la régulation de réseau. Ces systèmes de stockage de haute puissance sont composés d’un élément de stockage d’énergie composé de sous-éléments individuels, appelés cellules électrochimiques, interconnectées électriquement selon une configuration particulière visant à répondre aux spécifications électriques du système. Généralement, les cellules sont connectées électriquement en série et/ou parallèle de manière à présenter une capacité électrique et une tension de fonctionnement répondant à ces spécifications. L’invention s’applique pour la charge de système de stockage d’énergie de haute puissance présentant à ses bornes une tension de plusieurs centaines de volts, par exemple 350 Volts ou 1000 Volts, voire à une tension maximale de 1500 Volts ou plus, notamment pour les systèmes de stockage stationnaires. Toutefois, on envisage que le procédé de charge s’applique à la charge d’une cellule individuelle ou aux systèmes de faible puissance, par exemple de l’ordre de quelques volts ou dizaines de volts, notamment pour les dispositifs électroniques portables. Un élément de stockage d’énergie peut être donc une cellule individuelle ou un groupement de cellules.
[041] On rappelle qu’une cellule électrochimique est un accumulateur d’énergie électrique ayant deux bornes, une électrode positive et une électrode négative, et présentant une tension de quelques volts, le plus souvent comprise entre 2,3V et 4,2V, environ. Les cellules peuvent être de type Lithium-ion (par exemple un oxyde de Nickel Manganèse Cobalt lithié NMC), Nickel Cadmium (Ni-cd), Nickel-Métal-Hydrure (Ni-MH) par exemple. Plus précisément, une cellule Lithium-ion est composée principalement d’une électrode positive poreuse, une électrode négative poreuse, un séparateur et un électrolyte. Le principe de fonctionnement d’une cellule Lithium-ion repose sur l’échange réversible d’ions lithium entre les deux électrodes poreuses. Les cellules peuvent par exemple être de type Lithium fer phosphate, Lithium polymère ou à électrolyte solide.
[042] Par ailleurs, le procédé de charge selon l’invention peut s’appliquer aux systèmes de batterie électrochimique dit à structure d’onduleur multiniveaux. Ce type de système comporte des modules élémentaires de cellules interconnectés de manière à former une structure d’onduleur multiniveaux distribuée dans la batterie permettant de connecter la batterie à un système électrique fonctionnant en tension continue et aussi en tension alternative sans l’intermédiaire d’un onduleur. Ainsi, il peut se connecter directement à un réseau d’alimentation électrique étendu fonctionnant en tension alternative et à une machine électrique motrice. On peut citer par exemple les documents W0-A1- 2017/153366, WO-A1 -2021/048477 et FR-A1 -3121797 qui décrivent ce type d’architecture.
[043] La figure 2 représente schématiquement des blocs fonctionnels d’un ensemble de charge 1 comprenant un système de stockage d’énergie 4 à cellules électrochimiques. Cet ensemble comporte une source d’énergie 2, pouvant être un réseau d’alimentation électrique étendu fonctionnant en tension alternative, un dispositif de charge 3 muni d’un convertisseur de tension de type alternatif continu permettant de piloter le profil de tension par paliers et impulsions conformément au procédé de charge selon l’invention. Le système de stockage 4 est par exemple une batterie de véhicule automobile électrifié ou une batterie stationnaire. Le dispositif de charge 3 peut être le chargeur embarqué d’un véhicule ou le chargeur d’une borne de recharge dite rapide délivrant directement une tension continue adaptée au système de stockage d’énergie 4. En outre, le système de stockage d’énergie 4 est piloté par une unité de commande 5 pour son fonctionnement, désignée par le terme BMS (« Battery Management System ») ou BCU (pour « Battery Control Unit » en anglais).
[044] Plus précisément, conformément à l’invention, le dispositif de charge 3 comporte des moyens électroniques de puissance aptes à piloter un profil de tension de charge à palier ou impulsion de tension déterminant un profil de courant de charge du système de stockage d’énergie 4. Le convertisseur de tension comporte une unité munie de plusieurs transistors MOSFET pilotés par son calculateur. Ces transistors sont agencés et pilotés par un programme d’ordonnancement d’état d’ouverture et fermeture pour convertir la tension alternative en entrée (monophasée ou triphasée) en une tension de charge selon le profil de tension.
[045] Plus précisément, l’unité de commande 5 est munie d’un calculateur à circuits intégrés et de mémoires électroniques, ainsi que des moyens d’acquisitions de paramètres de fonctionnement du système de stockage 4, telles la température, la tension, la valeur du courant de charge/décharge traversant les cellules, l’état de charge (SOC) et la résistance interne d'une cellule, notamment. L’unité de commande 5 comporte en outre des modèles ou cartographies enregistrées en mémoire de caractérisation des cellules obtenues par voie expérimentales, notamment des cartographies de la tension à vide en fonction d’une estimation de l’état de charge et la résistance interne des cellules. Des moyens de communications de données sont prévus entre le système de stockage 4 et le dispositif de charge 3 permettant l’échange d’informations concernant les paramètres électriques du système de stockage 4 et du dispositif de charge 3 pour la mise en œuvre du procédé de charge selon l’invention.
[046] L’état de charge désigne le niveau d’état de charge de la batterie exprimé par un rapport entre la quantité d’énergie stockée à un instant donné et la quantité d’énergie maximum stockable à un instant donné, généralement exprimé en pourcents. L’état de charge peut être estimé à tout instant à partir d’un état initial de charge connu et par mesure coulométrique entre deux instants de mesure du courant de charge selon la relation suivante :
[047] [Math 2] :
[049] Où, 7] est le courant moyen au pas de mesure i, Ât[ est le temps moyen estimé entre les deux pas de mesure i et i+1 et So est l’état de charge estimé au pas de mesure i.
[050] La tension à vide (désignée par l'acronyme anglais OCV pour « open circuit Voltage ») est la mesure de la force électromotrice de la cellule. Cette mesure dépend de l’état de charge de la cellule. L’OCV est la différence de tension entre les bornes d’une cellule lorsque le circuit est ouvert, c’est-à-dire en condition de non charge.
[051] La résistance interne est définie comme étant l’opposition au flux de courant traversant la cellule. Les paramètres de base qui affectent la résistance interne sont la résistance ohmique et la résistance ionique qui sont dépendantes de la température. La résistance ohmique comprend la résistance des composants de la cellule comme l’électrode positive, l’électrode négative et le collecteur de courant. Tandis que la résistance ionique est la résistance montrée principalement par l'électrolyte au flux d’ions. On prend l’hypothèse que la résistance ionique est négligeable par rapport à la résistance ohmique du fait que l’effet de polarisation est lent par rapport à la résistance ohmique.
[052] Le ratio de vitesse de charge ou C-rate en anglais est défini comme une valeur de courant de charge ou de décharge définissant une vitesse à laquelle une batterie ou cellule est complètement chargée ou déchargée. Par exemple, 1 C-rate correspond à une valeur de courant permettant la charge ou décharge complète en 1 heure, 3 C-rate correspond à une valeur de courant permettant la charge ou décharge en 20 minutes et 0,5 C-rate en 2 heures.
[053] On entend par cycle de charge une séquence de charge, c’est-à-dire de 0% à 100% de SOC, ou plus généralement dans le cas de véhicules électrifiés de 10% à 90% SOC. Un cycle de charge peut se définir aussi par l’instant de déclenchement d’une charge jusqu’à l’arrêt et débranchement de la source d’énergie.
[054] La caractérisation des cellules consiste à déterminer par des techniques expérimentales connues de l’homme du métier dans le domaine des cellules électrochimiques les paramètres caractéristiques des cellules en fonctionnement, tels la résistance interne et l’OCV. Par exemple, la résistance interne peut être cartographiée grâce à la technique dite d’interruption de courant (« Current interrupt technique », Cl) présente dans le logiciel EC-lab de Biologie ®. L’OCV peut être cartographiée par la mesure de la tension à différent états de charge dans des conditions de température donnée. Les paramètres de caractérisation sont enregistrés en mémoire de l’unité de commande de la batterie et déterminable à chaque instant.
[055] Par exemple, on peut déterminer l’OCV à chaque instant à partir d’une cartographie prenant en entrée une estimation de l’état de charge et la résistance interne à partir d’une cartographie prenant en entrée une mesure de la température et une estimation de l’état de charge.
[056] Les fonctions de contrôle de l’unité de commande 5 et du dispositif de charge 3 peuvent être mises en œuvre sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels comme par exemple des circuits de type ASIC (« Application Specific Integrated Circuit » en anglais), ou DSP (« Digital Signal Processor » en anglais).
[057] Le dispositif de charge 3 est configuré pour la mise en œuvre du procédé de charge impulsionnelle selon l’invention comportant deux phases permettant d’assurer un cycle de charge complet dans une durée prédéterminée tout en limitant les effets de vieillissement des cellules.
[058] Les figures 3 et 4 décrivent deux modes de réalisation du procédé de charge pour un cycle de charge entre 10% du SOC et 90% du SOC. La première phase E1 à paliers de tension et la deuxième phase E2 à impulsions de tension consistent à piloter un profil de tension à paliers de tension ou impulsions de tension d’amplitude contrôlée selon la relation suivante :
[059] [Math 3] :
[061 ] Où, V(soci) est l’amplitude en tension d’un palier calculée à l’instant d’un pas de calcul i, Vocv (SOCi) est l’estimation de la tension à vide en fonction de l’état de charge de l’élément de stockage au pas i exprimée en Volt, Ri est l’estimation de la résistance interne de l’élément de stockage au pas i exprimée en milliohms, n est le coefficient déterminant la durée prédéterminée de charge en heure, Qnominai est la capacité nominale de l’élément de stockage en mAh.
[062] Par exemple, le coefficient n a une valeur de 1/3 pour une durée de charge voulue de 20 minutes pour un cycle de charge complet d’un élément de stockage d’énergie.
[063] La valeur de l’amplitude de tension est judicieusement contrôlée au fil du cycle de charge en fonction d’une première composante dépendante du suivi de la tension à vide OCV et de la deuxième composante visant d’une part à compenser les pertes ohmiques liées à la variation d’état de charge d’une cellule et d’autre part à limiter la durée du cycle de charge. Ce contrôle de tension permet de piloter le profil de courant de charge de sorte que le cycle de charge complet se déroule dans le temps recherché.
[064] Plus précisément, la première phase s’initie dès le début du cycle de charge. L’état de charge initial de déclenchement de la première phase peut être situé entre 0% et 70% du SOC de l’élément de stockage d’énergie, de préférence la première phase se déclenche quand le SOC est au moins égal ou supérieur à 10%. Généralement, en application automobile on interdit la décharge de la batterie sous un SOC de 10%. Par conséquent, la première phase à profil de tension piloté selon l’amplitude définie par la relation Math 3 est donc appliquée dès le déclenchement d’un cycle de charge. Néanmoins, sous 10% de SOC, il peut être prévu un contrôle de charge à courant continu du fait de la résistance interne élevée dans cette zone de fonctionnement d’une cellule, par exemple à un ratio de vitesse de charge de 0,5 C-rate.
[065] En référence aux figures 3 et 4, dans cet exemple du protocole, la première phase E1 comporte 5 pas ou paliers de calcul, référencés S1 , S2, S3, S4 et S5, et la deuxième phase E2 comporte deux pas ou paliers de calcul référencés S6 et S7. D’autres quantités de pas sont envisageables pour un cycle de charge, pouvant être compris entre 5 et 100 par exemple. [066] Dans la première phase E1 , les paliers de tension évoluent de manière croissante et ces paliers se succèdent de préférence sans incorporer des phases de relaxation, présentant donc un profil de tension en forme d’escalier. Toutefois, on envisage que la première phase E1 puisse comprendre en outre des phases de relaxation entre chaque palier, comme cela est montré en figure 5.
[067] La tension du premier palier S1 peut être comprise entre 3,7 Volts et 3,9 Volts. La première phase E1 se finalise lorsque l’amplitude d’un palier de tension pilotée par le dispositif de charge 3 et calculée selon la relation Math 3 devient égale ou supérieure au seuil de tension maximal Smax. Smax correspond à la valeur de tension maximale autorisée de la cellule ou de la batterie, désignée par le terme anglais « upper cutt-off voltage ». Ce seuil Smax est déterminé par le fabricant de la cellule d’énergie chargée et dépend principalement de la chimie. Pour une cellule individuelle de type NMC, ce seuil Smax est généralement proche de 4,2 volts.
[068] Dans la deuxième phase E2, les impulsions de tension s’alternent avec des phases de relaxation. Les impulsions de tension présentent des valeurs de tension constantes calculées selon la relation Math 3 à chaque pas de calcul S6 et S7 d’une durée prédéterminée. Durant la deuxième phase à impulsions de tension, le rapport de cycle de charge peut être configuré par exemple selon une durée d’impulsion de 0,8s et 0,2s constituant alors un facteur de durée de charge (« duty cycle ») de 80%. Les valeurs d’amplitude des impulsions durant la deuxième phase E2 sont supérieures au seuil Smax, par exemple comprises entre 4,2 volts et 4,65 volts. Cette tension élevée permet de diminuer le temps de charge dans la dernière phase entre 80% et 90% de SOC. Les relaxations, qui sont obligatoires à la différence de la première E1 , permettent d’éviter des réactions chimiques indésirables de dépôt de Lithium et d’échauffement des cellules. Par conséquent, on diminue l’effet de vieillissement. Les relaxations laissent le temps aux ions lithium de se déposer correctement sur le site d’accueil et donnent de la fluidité au système.
[069] On décrit maintenant deux modes de réalisation du protocole de charge. En figure 3, on a représenté un premier mode de réalisation où les paliers S1 , S2, S3, S4 et S5 du profil de tension sont limités par une durée prédéterminée durant la première phase E1 . Pour simplifier la représentation graphique, dans cet exemple le cycle de charge allant de 10% à 90% de SOC est mené par le pilotage de 7 paliers d’amplitudes de tension conformément à la relation Math 3. Chaque palier présente une durée égale prédéterminée par le nombre de paliers recherchés et la durée de charge voulue. Selon ce premier mode de réalisation, dès que la durée de palier à atteint la durée prédéterminée, une nouvelle valeur de palier est pilotée à une valeur supérieure permettant de compenser les pertes ohmiques. On observe qu’à l’instant de début de chaque palier, le profil de courant IC commence à une première valeur maximale puis décroit de façon exponentielle de fait de l’augmentation progressive de la résistance interne. Lorsqu’un nouveau palier est piloté à une valeur supérieure, le courant de charge est rehaussé. La phase E1 est commandée jusqu’à ce que la valeur du palier de tension atteint le seuil Smax. A la fin de S5, la deuxième phase E2 est déclenchée et le profil de tension est régulé selon un cycle d’impulsion de ratio 80% de charge. La relaxation est choisie à une valeur de tension déterminant un courant de charge IC nul durant la relaxation. On observe que le profil de courant IC résultant des impulsions de tension commence à une valeur maximale puis baisse exponentiellement.
[070] Les durées de palier t1 , t2, t3, t4, t5 sont de valeur égale, par exemple comprises dans une plage allant de 5s à 90s. Les durées t6 et t7 des pas de calcul de la deuxième phases E2 sont dans cet exemple de valeur supérieure. Le nombre de paliers, dépendant de la durée choisie et de la durée du cycle de charge peut être compris dans une plage allant de 6 à 90 paliers.
[071 ] Une variante de ce premier mode de réalisation prévoit que les durées successives t1 , t2, t3, t4, t5 sont paramétrées à des valeurs distinctes entre elles et évoluant de manière décroissante. Une autre variante de ce premier mode de réalisation prévoit que les durées paramétrées sont choisies de manière aléatoires ou choisies de manière à privilégier la durée d’un palier par rapport aux autres paliers. Par exemple, un palier intermédiaire dans une zone de SOC de la cellule où on a observé que la résistance interne augmente moins rapidement peut être maintenu durant une durée supérieure.
[072] En figure 4, on a représenté un deuxième mode de réalisation du procédé de charge où les paliers de tension sont limités par la valeur de courant de charge IC par rapport à un seuil de courant l_limn spécifique à chaque palier Sn. Dans cet exemple, 7 paliers de tension S1 , S2, S3, S4, S5, S6 et S7 sont calculés conformément à la relation math 3. Une nouvelle valeur d’amplitude de tension est calculée dès que le courant atteint ou franchit la limite minimale l_limn associée au palier Sn. Les valeurs des limites de courant I _limn évoluent de manière décroissante au fur et à mesure de l’avancée de la recharge. Par exemple, en fonction de la valeur de n qui est paramétrée ces valeurs peuvent varier dans une plage de ratio de vitesse de 4 C-Rate à 2 C-Rate permettant une recharge jusqu’à 80% du SOC en 20 minutes.
[073] En référence à la figure 4, par soucis de clarté seules les limites IJ im 1 , IJim3 et IJim5 sont représentées, pour respectivement les paliers de tension S1 , S3 et S5. Les limites de courant IJim2 et IJim4 ne sont pas indiquées mais sont prévues pour déclencher le calcul d’une nouvelle valeur de palier du profil de tension. Comme cela est visible, au premier palier de tension S1 , le profil de courant IC décroit exponentiellement. Dès que le courant IC atteint le seuil IJiml , le procédé calcule une nouvelle valeur de palier S2, de même pour le palier S2, dès que le courant IC atteint la limite IJim2, une nouvelle valeur de palier S3 est calculée, et ainsi de suite jusqu’à ce que l’amplitude de palier atteint le seuil de tension maximal autorisé Smax.
[074] A la fin de S5, la deuxième phase E2 est déclenchée et le profil de tension VC est régulé selon un cycle d’impulsions de tension de ratio 80% de charge où la durée de chaque pas de calcul des amplitudes de tension est prédéterminée. La relaxation est choisie à une valeur de tension déterminant un courant de charge IC nul durant la relaxation. On observe que le profil de courant IC résultant des impulsions de tension commence à une valeur maximale puis baisse exponentiellement. Durant la deuxième phase E2, le profil de tension est un profil périodique de forme rectangulaire.
[075] En figure 5, on a représenté un graphique décrivant une variante de réalisation de la première phase E1 où le dispositif de charge commande le profil de tension régulé en tension selon des paliers de tension Sn calculés conformément à la relation Math 3 et dans lequel des phases de relaxions sont prévues entre chaque palier.
[076] Dans une variante, on prévoit que durant la phase E1 , les paliers de tension calculés conformément à la relation Math 3 et des phases de relaxation s’alternent sur une plage de SOC prédéterminée et que sur une autre plage de SOC le procédé de charge commande uniquement les paliers de tension.
[077] Dans une autre variation, on prévoit que durant la phase E1 dans un même cycle de charge, les paliers de tension peuvent être limités par une durée prédéterminée sur une première plage de SOC et que les paliers de tension sont limités par une limite de courant sur une deuxième plage de SOC. [078] En figures 6A et 6B sont représentées deux autres variantes du profil de tension pour la deuxième phase E2. En abscisse sont représentés la durée en seconde et en ordonnée la valeur de tension du profil de tension de charge VC. Au lieu d'être de forme rectangulaire, le profil de tension commandé par le dispositif de charge peut être de forme triangulaire, comme cela est visible en figure 6A. Une impulsion de tension correspond alors à la partie ayant une pente positive, la durée t1 , et la phase de relaxation correspond alors à la partie ayant une pente négative, la durée t2. La crête de tension de la forme triangulaire est calculée selon la relation Math 3.
[079] En figure 6B, le profil de tension commandé par le dispositif de charge est de forme trapézoïdale. Une impulsion de tension correspond alors à la partie ayant une pente positive, la durée t1 , et la phase de relaxation correspond alors à la partie ayant une pente négative, la durée t3. La durée t2 correspond au plateau ou palier de tension de l’impulsion. La valeur du plateau de tension est calculée selon la relation Math 3.
[080] Les phases de pente négative du profil de tension permettent de limiter l’effet de dépôt de Lithium et de limiter le vieillissement. Il permet de ralentir périodiquement le flux d’ion lithium. Ces profils sont particulièrement intéressant pour finaliser rapidement la recharge dans la plage 80% à 90% du SOC. D’autres forme sont envisageables comme par exemple une forme sinusoïdale.
[081 ] En figure 7A, on montre un scénario de test pour une cellule de type NMC/graphite présentant les spécifications suivantes 3,6 volts et 200mAh. Les graphiques en partie supérieure montrent le profil de tension piloté conformément à l’invention et en dessous le profil de courant résultant du profil de tension piloté. En abscisse se trouve la durée du cycle de charge s’exécutant complètement en moins de 12 minutes. Dans ce scénario la cellule est chargée de 0% à 80% du SOC. Le tableau en partie inférieure indique les paramètres du profil de tension et du profil de courant résultant, notamment l’amplitude de tension et la durée de chaque palier, le courant de charge moyen ainsi que la durée d’impulsion et de relaxation durant la deuxième phase d’impulsions.
[082] En figure 7B, deux graphiques montrent l’évolution du SOC exprimé entre 0 et 1 et la température en degré Celsius de la cellule durant l’exécution du scénario de test.
[083] Le procédé de charge présente l’avantage de diminution du temps de recharge de la batterie avec comme conséquence une meilleure adéquation du véhicule électrique par rapport au marché. En outre, il permet de limiter l’augmentation de température de la batterie lors de la recharge avec comme conséquence que la puissance thermique à évacuer par le système de refroidissement est fortement diminuée, impliquant une réduction du coût de l’architecture du système de refroidissement batterie. Le procédé permet en outre que la durée de vie de la batterie est augmentée, ce qui permet de garantir au client une durée équivalente à la durée de vie véhicule. En outre, du fait du contrôle thermique amélioré, il est possible de réaliser une recharge rapide de la voiture même en climat chaud. Plus généralement, cette solution de charge contribue à faire baisser le prix de vente des véhicules électriques.
[084] L’invention concerne avantageusement les véhicules électrifiés rechargeables, électriques ou hybrides dits « Plug-in » comprenant un dispositif de charge selon l’invention et une batterie pouvant être chargée selon un protocole de charge rapide. L’amélioration des performances en vitesse de charge et de contrôle de température permet d’augmenter en conséquence le nombre de charges rapides acceptées par les véhicules dans un cycle de vie du véhicule. [085] L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que la personne de l’art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de charge impulsionnelle d'un élément de stockage d’énergie (4) caractérisé en ce qu’il comporte, lors d’une première phase d’un cycle de charge (E1 ), la commande d’un profil de tension (VC) à paliers (S1 , S2, S3, S4, S5) pilotés en régulation de tension déterminant un profil de courant (IC) dans un cycle de charge d’une durée prédéterminée, et dans lequel un palier de tension (S1 , S2, S3, S4, S5) est calculé selon la relation suivante [Math 4] : (soct) où, V(SOCi) est l’amplitude en tension d’un palier calculée à l’instant d’un pas de calcul i, Vocv (SOCi) est l’estimation de la tension à vide en fonction de l’état de charge de l’élément de stockage (4) au pas i exprimée en Volt, Ri est l’estimation de la résistance interne de l’élément de stockage (4) au pas i exprimée en milliohms, n est le coefficient déterminant la durée prédéterminée de charge en heure, Qnominal est la capacité nominale de l’élément de stockage (4) en mAh.
2. Procédé de charge selon la revendication 1 dans lequel la durée d’un palier du profil de tension (VC) est limitée par la valeur du courant de charge du profil de courant par rapport à un premier seuil minimal de courant (I _limn), une nouvelle valeur de palier du profil de tension (VC) étant recalculée aux instants où le courant de charge (IC) atteint le premier seuil minimal de courant (l_l imn).
3. Procédé de charge selon la revendication 2 dans lequel la valeur du premier seuil minimal de courant (l_limn) est variable et est spécifique à chaque palier (Sn) du profil de tension.
4. Procédé de charge selon la revendication 3, dans lequel la valeur du premier seuil minimal de courant (l_limn) varie de manière décroissante durant le cycle de charge entre une première valeur de courant et une deuxième valeur de courant.
5. Procédé de charge selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la durée d’un palier du profil de tension (VC) est limitée à une durée prédéterminée (t1 , t2, t3, t4, t5), une nouvelle valeur de palier du profil de tension (VC) étant recalculée dès que la durée du palier atteint la durée prédéterminée (t1 , t2, t3, t4, t5).
6. Procédé de charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la première phase (E1 ) du cycle de charge se termine lorsque la valeur d’amplitude V(SOCi) d’un palier atteint un deuxième seuil de tension (Smax), puis le procédé comporte une deuxième phase (E2) du cycle de charge à impulsions de tension, la deuxième phase alternant des impulsions de tension et des phases de relaxation, l’amplitude des impulsions de tension étant calculée selon la relation Math 4.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la valeur du deuxième seuil de tension (Smax) est égale à la tension maximale autorisée de l’élément de stockage (4) d’énergie en fonctionnement nominal.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 dans lequel la deuxième phase (E2) se finalise lorsque la tension de l’élément de stockage (4) atteint un troisième seuil de tension prédéterminé correspondant à un état de charge maximum autorisé de l’élément de stockage (4).
9. Procédé de charge selon l’une quelconque des revendications 6 à 8 dans lequel les impulsions de tension et les phases de relaxation de la deuxième phase (E2) forment un profil de tension périodique de forme rectangulaire, triangulaire, trapézoïdale ou sinusoïdale.
10. Dispositif de charge (3) d’un élément de stockage d’énergie (4) comprenant une unité de commande configurée pour la mise en œuvre du procédé de charge selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
11. Ensemble comprenant le dispositif de charge (3) d’un élément de stockage d’énergie (4), l’élément de stockage d’énergie (4) et une unité de commande configurée pour la mise en œuvre du procédé de charge selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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