FR3011393A1

FR3011393A1 - Procede et appareil d'evaluation de l'etat de sante d'une batterie lithium

Info

Publication number: FR3011393A1
Application number: FR1359508A
Authority: FR
Inventors: Jean-Michel Vinassa; Akram Eddahech; Olivier Briat
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite des Sciences et Tech (Bordeaux 1); Institut Polytechnique de Bordeaux
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Bordeaux; Institut Polytechnique de Bordeaux
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-04-03
Anticipated expiration: 2033-10-01
Also published as: JP2016539320A; WO2015049300A1; JP6502331B2; US10036781B2; FR3011393B1; EP3052953A1; US20160245876A1

Abstract

Procédé d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium comprenant : a) une première étape de recharge de ladite batterie à courant constant, jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne une valeur limite ; ensuite b) une deuxième étape de recharge de ladite batterie à tension constante et égale à ladite valeur limite, jusqu'à ce que le courant de charge devienne inférieur à une valeur de seuil ; et c) une étape d'estimation de l'état de santé de ladite batterie à partir d'au moins un paramètre caractéristique de ladite deuxième étape de recharge à tension constante, tel que le paramètre de décroissance d'une fonction exponentielle interpolant des mesures de courant de charge, l'énergie fournie à ladite batterie au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante ou la durée de ladite étape de chargement à tension constante. Appareil pour la mise en œuvre d'un tel procédé. Système de gestion de batterie comprenant un tel appareil.

Description

PROCEDE ET APPAREIL D'EVALUATION DE L'ETAT DE SANTE D'UNE BATTERIE LITHIUM L'invention porte sur un procédé pour l'évaluation de l' « état de santé » d'une batterie lithium, et notamment de la perte de capacité 5 provoquée par le vieillissement d'une telle batterie. L'invention porte également sur un appareil pour la mise en oeuvre d'un tel procédé et sur un système de gestion de batterie intégrant un tel appareil. L'invention s'applique notamment, mais pas exclusivement, 10 au domaine des batteries pour l'alimentation de véhicules terrestres électriques ou hybrides. Les batteries ou accumulateurs lithium - dans leurs différentes variantes telles que les batteries « lithium-ion », « lithium-ionpolymère », « lithium-métal-polymère » etc. - sont les batteries présentant la 15 plus grande densité d'énergie et la plus grande énergie spécifique. Il s'agit donc de la technologie de choix pour l'alimentation des véhicules électriques ou hybrides, mais également de nombreux dispositifs portables. Cependant, il est connu que ces batteries présentent une dégradation de leurs performances - et notamment de leur capacité - au cours du temps, et cela 20 même pendant les périodes de non utilisation (on parle alors de « vieillissement calendaire »). Par conséquent, l'estimation de l'état de santé (« State Of Health », ou SOH) de ces batteries - quantifié par exemple par la capacité actuelle rapportée soit à sa valeur affichée (« commerciale »), soit à sa valeur mesurée à l'état neuf - constitue une des tâches les plus 25 importantes des systèmes de gestion des batteries (« Battery Management System », BMS) présents dans tous les véhicules électriques ou hybrides. Cette tâche n'est pas aisée. Plusieurs techniques ont été développées pour l'accomplir, mais aucune ne donne pleine satisfaction. La spectroscopie d'impédance électrochimique est une 30 technique très utile pour étudier le vieillissement des batteries au travers du suivi des paramètres d'un modèle d'impédance. Mais elle est complexe à mettre en oeuvre, couteuse et ne permet pas d'accéder à la capacité. De plus, elle ne peut pas être embarquée au sein d'un BMS. Voir à ce propos : - T. Hang, D. Mukoyama, H. Nara, N. Takami, T. Momma et T. Osaka, « Electrochemical impedance spectroscopy analysis for lithium-ion 5 battery using Li4Ti5012 anode », Journal of Power Sources, vol. 222, pp. 442-447, 2013 ; et - A. Eddahech, O. Briat, H. Henry, J.-Y. Delétage, E. Woirgard et J.-M. Vinassa, « Aging monitoring of lithium-ion cell during power cycling tests », Microelectronics Reliability Journal, vol. 51, N° 9-11, pp. 1968- 10 1971, 2011. D'autres méthodes, mieux adaptées à une utilisation en ligne, exploitent les techniques de l'intelligence artificielle, telles que les réseaux de neurones ou la logique floue. Voir par exemple W.X. Shen, C.C. Chan, E.W.C. Lo et K.T. Chau, « A new battery available capacity indicator for electric 15 vehicles using neural network », Energy Conversion and Management, vol. 43, no. 6, pp. 817-826, 2002. Ces méthodes mettent en oeuvre des algorithmes complexes, qui nécessitent une puissance de calcul importante. En outre, elles nécessitent une longue étape d'apprentissage. 20 D'autres techniques sont basées sur l'identification des paramètres d'un modèle, par exemple par filtrage de Kalman. Voir, par exemple : - S. Wang, M. Verbrugge, J.S. Wang et P. Liu, « Multiparameter battery state estimator based on the adaptive and direct solution of 25 the governing differential equations », Journal of Power Sources, vol. 196, pp.8735-8741, 2011; et A. Eddahech, O. Briat et J.M. Vinassa, « Real-Time SOC and SOH Estimation for EV Li-lon Cell Using Online Parameters Identification" », dans Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition conf., 2012, 30 Raleigh, North Carolina, Etats-Unis.

Ces techniques utilisent des algorithmes d'identification complexes, nécessitant un traitement numérique lourd. En outre, leur mise en oeuvre présuppose qu'un modèle fin et précis de la batterie soit disponible. L'invention vise à surmonter les inconvénients précités et à 5 procurer une méthode d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium qui soit à la fois simple à mettre en oeuvre, fiable et précise sans pour autant rallonger la phase de recharge ni provoquer de vieillissement supplémentaire. Conformément à l'invention, ce but est atteint en estimant l'état de santé d'une batterie à partir de la simple observation de l'étape à 10 tension constante de sa recharge. On entend par « recharge » l'opération consistant à charger de manière complète ou quasi-complète (par exemple, 95% ou plus de la capacité disponible) après une période d'utilisation, par opposition à des « charges » partielles pouvant se produire en cours d'utilisation (par exemple, dans le cas d'un véhicule électrique, lors d'un 15 freinage à récupération d'énergie). Un objet de l'invention est donc un procédé d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium comprenant : a) une première étape de recharge de ladite batterie à courant constant, jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne une valeur 20 limite ; ensuite b) une deuxième étape de recharge de ladite batterie à tension constante et égale à ladite valeur limite, jusqu'à ce que le courant de charge (I) devienne inférieur à une valeur de seuil ; et c) une étape d'estimation de l'état de santé de ladite batterie 25 à partir d'au moins un paramètre caractéristique de ladite deuxième étape de recharge à tension constante. Selon des modes de réalisation particuliers d'un tel procédé : - Le procédé peut comprendre l'acquisition d'une pluralité de mesures du courant de charge au cours de ladite deuxième étape de 30 recharge à tension constante. - Ladite étape c) peut comprendre les sous-étapes suivantes : cl ) estimer la constante de décroissance B d'une fonction exponentielle négative interpolant lesdites mesures du courant de charge ; et c2) estimer ledit état de santé à partir de ladite constante de décroissance B. - Ladite sous-étape c2 peut être mise en oeuvre au moyen d'une fonction linéaire reliant ladite constante de décroissance B à une perte de capacité de ladite batterie. - Ladite étape c) peut comprendre les sous-étapes suivantes : cl ') déterminer, à partir desdites mesures de courant de charge, l'énergie fournie à ladite batterie au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante ; et c2') estimer ledit état de santé à partir de ladite énergie rapportée soit à sa valeur annoncée soit à sa valeur déterminée pour la même batterie à l'état neuf. - Ladite sous-étape c2' peut être mise en oeuvre au moyen d'une fonction linéaire reliant ladite énergie rapportée à sa valeur déterminée soit à sa valeur annoncée soit à sa valeur déterminée pour la même batterie à l'état neuf. - Ladite étape c) peut comprendre les sous-étapes suivantes : cl ") mesurer une durée de ladite deuxième étape de recharge à tension constante ; et c2") estimer ledit état de santé à partir de ladite durée. - Le procédé peut comprendre également une étape préalable d'étalonnage, comportant la détermination d'une relation liant ledit ou chaque dit paramètre caractéristique de ladite deuxième étape de recharge à tension constante audit état de santé de la batterie. Un autre objet de l'invention est un appareil d'évaluation de 3 0 l'état de santé d'une batterie lithium comprenant : un chargeur du type à courant constant - tension constante, adapté pour charger une dite batterie à courant constant jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne une valeur limite, puis à tension constante et égale à ladite valeur limite jusqu'à ce que le courant de charge devienne inférieur à une valeur de seuil ; un dispositif de surveillance de la recharge de ladite batterie ; et un dispositif de traitement des données (PR) configuré ou programmé pour coopérer avec ledit chargeur 5 et avec ledit dispositif de surveillance afin de mettre en oeuvre un tel procédé. Encore un autre objet de l'invention est un système de gestion de batterie comprenant un tel appareil. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins 10 annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - La figure 1, l'évolution temporelle de la tension et du courant de charge d'une batterie lithium au cours d'une recharge à courant constant - tension constante ; - La figure 2, la succession d'étapes d'un procédé 15 d'évaluation de l'état de santé d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention ; - Les figures 3A, 3B et 3C, l'interpolation de l'évolution temporelle du courant de charge au cours de l'étape de recharge à tension constante par une fonction exponentielle négative pour trois technologies de 2 0 batteries à des états de vieillissement différents ; - Les figures 4A, 4B et 4C, la corrélation entre le paramètre de décroissance de ladite fonction exponentielle négative et la perte de capacité pour les trois dites technologies de batteries précédentes ; - La figure 5, la corrélation entre la capacité déchargée 25 relative et la durée relative de la phase de recharge à tension constante. - La figure 6, un graphique illustrant la corrélation entre l'énergie relative de recharge à tension constante et la perte de capacité pour une batterie lithium soumise à vieillissement ; et - La figure 7, un schéma fonctionnel d'un appareil 3 0 d'évaluation de l'état de santé d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention, intégré à un système de gestion de batterie.

Les batteries lithium sont très généralement chargées suivant une modalité dite à courant constant - tension constante (CC-CV, pour l'expression anglaise « Constant Current - Constant Voltage »). Cette modalité, illustrée sur la figure 1, consiste à réaliser une première phase de recharge au cours de laquelle un courant de charge constant l=lcc est fourni à la batterie, dont la tension U augmente jusqu'à une valeur maximale Ucv ; puis à réaliser une deuxième phase de recharge au cours de laquelle la tension U est maintenue constante et égale à Ucv, tandis que le courant I diminue. La recharge se termine lorsque le courant I décroit jusqu'à une valeur minimale Imin<lcc propre à la technologie de la batterie. Les inventeurs se sont rendus compte que l'état de santé d'une batterie peut être évalué de manière fiable à partir d'un ou plusieurs paramètres caractérisant cette deuxième étape de recharge à tension constante (« étape CV »). Ainsi, l'estimation de l'état de santé se fait au cours de la recharge de la batterie - nécessaire pour son utilisation normale - sans besoin d'opérations de mesure dédiées consommatrices en ressources et en temps. Les inventeurs sont en mesure de proposer une explication vraisemblable du fait - constaté expérimentalement - que l'observation de l'étape de recharge à tension constante fournit suffisamment d'information pour évaluer l'état de santé d'une batterie. En effet, un des mécanismes majeurs responsables de la dégradation de la capacité d'une batterie lithium au cours du temps est la formation d'une interface d'électrolyte solide (SEI, pour « Solid Electrolyte Interface ») qui fait obstacle à l'intercalation des ions lithium dans le matériau de l'anode et de la cathode. Or, cette intercalation se produit essentiellement au cours de l'étape à tension constante de la recharge. La figure 2 illustre la succession d'étapes d'un procédé selon l'invention : - La première étape de recharge à courant constant ; - La deuxième étape de recharge à tension constante ; - La mesure, détermination ou estimation d'au moins un paramètre caractéristique de cette deuxième étape de recharge à tension constante ; - La détermination d'au moins une grandeur SOH indicative 5 de l'état de santé de la batterie (par exemple, sa capacité rapportée à la capacité de ladite batterie à l'état neuf, ou à sa capacité annoncée) à partir dudit ou d'au moins un dit paramètre. Cette dernière étape est rendue possible par une étape préalable d'étalonnage dans laquelle on établit une relation entre ledit ou chaque paramètre et l'état de santé de la batterie. 10 L'étalonnage nécessite une méthode de référence de détermination de l'état de santé de la batterie. Cette méthode peut être, par exemple, une mesure de capacité réalisée lors d'une décharge complète de la batterie (mesure de « capacité déchargée »). Pour que la détermination de l'état de santé de la batterie soit 15 fiable, on suppose que la recharge est effectuée à une température contrôlée (par exemple 25°C) ou au moins connue (dans ce denier cas, l'étalonnage doit permettre de tenir compte de l'effet de la température sur la relation existante entre le paramètre caractérisant l'étape de recharge à tension constante et l'état de santé). 20 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le paramètre caractérisant l'étape de recharge à tension constante est le paramètre de décroissance B d'une fonction exponentielle négative I (t)=A.e-13t-EC interpolant l'évolution du courant de charge mesuré I en fonction du temps t 25 (t=0 correspondant au début de l'étape de recharge à tension constante). Les figures 3A - 3C de vérifier la qualité d'une telle interpolation, les courbes continues représentant la fonction d'interpolation étant pratiquement superposées aux points de mesure. Les trois courbes présentées dans ces figures concernent trois technologies de batterie au Lithium - Nickel Cobalt 30 Aluminium (NCA, fig. 3A), Nickel Manganèse Cobalt (NMC, fig. 3B), Lithium Oxyde de Manganèse (LMO, fig. 3C) - chacune étant dans un état de santé distinct.

Le paramètre B peut être relié à la perte de capacité de la batterie, exprimant son état de santé, par une fonction linéaire, comme illustré par les figures 4A, 4B et 4C qui correspondent aux trois courbes des figures 3A, 3B et 3C, respectivement. Ces trois exemples ne sont pas limitatifs. Dans tous les cas, le critère de qualité R2 de l'identification par la méthode des moindres carrés est très proche de 1, ce qui est très satisfaisant. En variante, on pourrait considérer des fonctions d'interpolation autres que des exponentielles négatives (par exemple, polynomiales) et/ou des relations non linéaires entre un ou plusieurs paramètres de telles fonctions et un indicateur de l'état de santé de la batterie pouvant être différent de la perte de capacité, par exemple l'augmentation de la résistance interne. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le paramètre caractérisant l'étape de recharge à tension constante est simplement la durée mesurée de cette étape qui, rapportée à sa durée lors de la recharge initiale, est proportionnelle à l'état de santé de la batterie. La figure 5, qui se rapporte au cas d'une batterie de technologie Lithium Phosphate de Fer (LFP), est un graphique montrant : - une première courbe représentant l'évolution, au cours du 20 vieillissement, de l'état de santé SOH d'une telle batterie - exprimé par la capacité déchargée de la batterie rapportée à sa valeur à l'état neuf ; et - une seconde courbe représentant l'évolution de la durée Tcv de la phase à tension constante de la recharge - également rapportée à sa valeur à l'état neuf.

25 On peut vérifier que les courbes sont très proches. Par conséquent, dans ce cas, une estimation de l'état de santé peut être déduite directement de la durée de la phase de recharge à tension constante relativement à sa valeur à l'état neuf. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, le 30 paramètre caractérisant l'étape de recharge à tension constante est l'énergie relative en phase CV, c'est-à-dire l'énergie fournie à la batterie au cours de l'étape de recharge à tension constante rapportée à la valeur de cette énergie pour la même batterie à l'état neuf, ou à sa valeur annoncée. La figure 6 illustre une relation linéaire établie entre la perte de capacité et l'énergie relative Erei, définie par Erel=100(Et-Eini)/Eini, où Eini et Et sont les énergies cumulées en phase CV de la batterie, respectivement à l'état neuf et à l'état vieilli, dont on doit déterminer l'état de santé. L'énergie en phase CV est calculée à partir de mesures du courant et de la tension, dont le produit est intégré par rapport au temps. Là encore, le critère de qualité R2 de l'interpolation est très proche de 1 (supérieur à 0,99). Quel que soit le mode de réalisation considéré, la relation entre le ou les paramètres caractéristiques de l'étape de recharge à tension constante ne doit pas nécessairement être exprimée par une fonction mathématique linéaire ou non linéaire ; il peut également s'agir, par exemple, d'un tableau de correspondance. La figure 7 illustre le schéma fonctionnel d'un appareil selon un mode de réalisation de l'invention, intégré à un système de gestion de batterie BMS, par exemple dans un véhicule électrique ou hybride. Le dispositif comprend un chargeur conventionnel CHG du type à courant constant - tension constante, chargeant une batterie lithium BATT ; un dispositif de surveillance de charge DSC et un dispositif de traitement des données, ou processeur, PR. Le dispositif de surveillance DSC comprend par exemple un capteur de courant, pour mesurer le courant de charge I, et un capteur de tension, pour mesurer la tension U aux bornes de la batterie BATT. Ce dispositif peut être intégré au chargeur CHG ou à la batterie BATT. Le dispositif de traitement des données PR (de préférence, un processeur numérique ou une carte électronique comprenant un tel processeur) est programmé et/ou configuré pour recevoir les mesures issues du dispositif de surveillance de charge et s'en servir pour calculer un indicateur SOH de l'état de santé de la batterie comme cela a été décrit plus haut. Le processeur PR peut également piloter le chargeur CHG, par exemple en commandant la transition entre la première étape de charge à courant constant et la deuxième étape de charge à tension constante, ainsi que l'arrêt de la charge lorsque 1(t) atteint sa valeur minimale Imin.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium (BATT) comprenant : a) une première étape de recharge de ladite batterie à courant constant, jusqu'à ce que la tension (U) à ses bornes atteigne une valeur limite (Ucv) ; ensuite b) une deuxième étape de recharge de ladite batterie à tension constante et égale à ladite valeur limite, jusqu'à ce que le courant de charge (I) devienne inférieur à une valeur de seuil (Imin) ; et c) une étape d'estimation de l'état de santé de ladite batterie à partir d'au moins un paramètre caractéristique de ladite deuxième étape de recharge à tension constante.
2. Procédé selon la revendication 1 comprenant l'acquisition d'une pluralité de mesures du courant de charge au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante.
3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel ladite étape 20 c) comprend les sous-étapes suivantes : c1) estimer la constante de décroissance B d'une fonction exponentielle négative interpolant lesdites mesures du courant de charge ; et c2) estimer ledit état de santé à partir de ladite constante de décroissance B. 25
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel ladite sous-étape c2 est mise en oeuvre au moyen d'une fonction linéaire reliant ladite constante de décroissance B à une perte de capacité de ladite batterie. 3 0
5. Procédé selon la revendication 2 dans lequel ladite étape c) comprend les sous-étapes suivantes :cl ') déterminer, à partir desdites mesures de courant de charge, l'énergie fournie à ladite batterie au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante ; et c2') estimer ledit état de santé à partir de ladite énergie 5 rapportée soit à sa valeur annoncée soit à sa valeur déterminée pour la même batterie à l'état neuf.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel ladite sous-étape c2' est mise en oeuvre au moyen d'une fonction linéaire reliant ladite 10 énergie rapportée à sa valeur déterminée soit à sa valeur annoncée soit à sa valeur déterminée pour la même batterie à l'état neuf.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel ladite étape c) comprend les sous-étapes suivantes : 15 cl ") mesurer une durée de ladite deuxième étape de recharge à tension constante ; et c2") estimer ledit état de santé à partir de ladite durée.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes 20 comprenant également une étape préalable d'étalonnage, comportant la détermination d'une relation liant ledit ou chaque dit paramètre caractéristique de ladite deuxième étape de recharge à tension constante audit état de santé de la batterie. 25
9. Appareil d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium comprenant : - un chargeur (CHG) du type à courant constant - tension constante, adapté pour charger une dite batterie (BATT) à courant constant jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne une valeur limite, puis à 30 tension constante et égale à ladite valeur limite jusqu'à ce que le courant de charge devienne inférieur à une valeur de seuil ;- un dispositif de surveillance (DSC) de la recharge de ladite batterie ; et - un dispositif de traitement des données (PR) configuré ou programmé pour coopérer avec ledit chargeur et avec ledit dispositif de 5 surveillance afin de mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes.
10. Système de gestion de batterie (BMS) comprenant un appareil selon la revendication 9. 10