FR3068829A1 - Procede d'etalonnage d'une famille d'elements de batterie lithium-ion, methode de charge, produit programme d'ordinateur et dispositif de charge associes - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'étalonnage d'une famille d'éléments de batterie Li-ion, comportant les étapes de : - fourniture d'un élément de batterie de la famille, l'élément de batterie (2) présentant une capacité surfacique donnée ; - pour l'élément de batterie fourni, mise en oeuvre d'une pluralité de cycles successifs comprenant chacun une phase de charge et une phase de décharge, l'élément de batterie étant maintenu à température constante, au moins deux phases de charge étant réalisées à des régimes de charge différents ; - pour chaque température et pour chaque phase de charge : • mesure du potentiel de l'anode de l'élément de batterie ; • calcul de la valeur d'une grandeur caractéristique prédéterminée de l'élément de batterie ; • détermination d'une valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée pour laquelle le potentiel de l'anode devient inférieur ou égal à un seuil prédéterminé ; • enregistrement de la valeur limite.

Description

PROCEDE D'ETALONNAGE D'UNE FAMILLE D'ELEMENTS DE BATTERIE LITHIUM-ION, METHODE DE CHARGE, PRODUIT PROGRAMME D'ORDINATEUR ET DISPOSITIF DE CHARGE ASSOCIES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé d'étalonnage d'une famille d'éléments de batterie Li-ion. L'invention concerne également une méthode de charge, un produit programme d'ordinateur et un dispositif de charge.
L'invention s'applique au domaine des batteries, plus particulièrement au domaine des batteries lithium-ion.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les batteries lithium-ion, encore notées Li-ion, présentent généralement une énergie massique plus élevée que les autres types de batteries. II en résulte que les batteries Li-ion constituent une alternative avantageuse pour le stockage d'énergie électrique.
Aujourd'hui, les batteries Li-ion comprennent au moins un élément de batterie, chaque élément de batterie comportant une électrode dite « positive » (ou cathode) et une électrode dite « négative » (ou anode), séparées par un électrolyte. La cathode est généralement métallique, par exemple réalisée dans un composé de type oxyde de métaux de transition ou de type phosphate de lithium comprenant du lithium. En outre, l'anode comporte des particules de graphite.
Des éléments de batterie Li-ion qui comportent une anode de nature similaire (c'est-à-dire une anode avec notamment une même morphologie des particules de graphite, une même composition, un même liant et une même porosité), une cathode similaire (c'est-à-dire une cathode présentant notamment la même composition : un même liant, un même additif conducteur, une même porosité) et un électrolyte similaire (c'est-à-dire un électrolyte avec, notamment, une même conductivité ionique) définissent une « famille », au sens de la présente invention.
En fonctionnement, lors d'une charge d'une batterie Li-ion, des ions lithium Li+ migrent à partir de la cathode de chaque élément de batterie pour s'insérer dans le graphite de l'anode correspondante. La migration inverse se produit lors d'une décharge de la batterie.
Bien que présentant une densité massique d'énergie élevée, de telles batteries voient généralement leurs performances se dégrader au cours du temps.
Une telle dégradation est due à la formation d'un dépôt de lithium métallique à la surface des particules de graphite de l'anode. Un tel phénomène se produit généralement lors de la charge de la batterie, et est couramment désigné par l'expression anglaise « lithium plating ».
Lorsqu'un tel dépôt entre en contact avec l'électrolyte, le lithium s'oxyde généralement pour former des composés de type carbonates de lithium (ROCO2Li) ou des composés inorganiques (Li2CO3, LiF). Le lithium devient alors inactif d'un point de vue électrochimique, et n'est plus en mesure de participer aux réactions d'oxydo-réduction ayant lieu au niveau des électrodes.
En outre, un tel dépôt est également susceptible de se décrocher des particules de graphite de l'anode. Dans ce cas, le lithium sous forme métallique, bien qu'actif d'un point de vue électrochimique, n'est plus relié électroniquement à l'électrode et n'est donc plus susceptible d'être échangé entre les électrodes pour participer au transport de courant électrique dans les éléments de la batterie. Cette perte de lithium échangeable conduit à une chute progressive et irréversible de la capacité de la batterie.
Le phénomène de dépôt de lithium contribue à la perte de capacité de la batterie, réduisant ainsi sa durée de vie.
Le document US 2005/0233220 Al décrit une batterie Li-ion fabriquée de façon à être moins sujette aux phénomènes de dépôt de lithium métallique que les batteries Li-ion usuelles.
Toutefois, une telle batterie ne donne pas entière satisfaction.
En effet, une telle batterie voit également ses performances se dégrader au cours du temps du fait de la formation de dépôts de lithium métallique à l'anode.
Un but de l'invention est de proposer un procédé d'étalonnage qui permette de prolonger la durée de vie des batteries Li-ion.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, comportant les étapes de :
- fourniture d'un élément de batterie de la famille, l'élément de batterie présentant une capacité surfacique donnée ;
- pour l'élément de batterie fourni, mise en œuvre d'une pluralité de cycles successifs comprenant chacun une phase de charge et une phase de décharge, l'élément de batterie étant maintenu à température constante, au moins deux phases de charge étant réalisées à des régimes de charge différents ;
- pour chaque température et pour chaque phase de charge :
• mesure d'un potentiel électrique d'une anode de l'élément de batterie fourni ;
• calcul de la valeur d'une grandeur caractéristique prédéterminée de l'élément de batterie ;
• détermination d'une valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée pour laquelle le potentiel de l'anode devient inférieur ou égal à un seuil prédéterminé ;
• enregistrement, dans une mémoire, de la valeur limite pour ladite famille, ladite température, ladite capacité surfacique et le régime de charge de ladite phase de charge.
En effet, le phénomène de dépôt de lithium métallique se produit principalement lorsque le potentiel de l'anode devient négatif.
Un tel procédé permet de déterminer la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée, pour laquelle le potentiel de l'anode est encore positif ou nul. L'utilisation d'une telle valeur limite confère la possibilité, lors d'une charge de l'élément de batterie, d'interrompre la charge de l'élément de batterie lorsque la valeur courante de la grandeur caractéristique prédéterminée atteint la valeur limite, ou encore de réduire le régime de charge au profit d'un régime de charge plus faible, pour lequel la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée est plus élevée que la valeur limite associée au régime de charge courant.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le procédé comporte le calcul, par régression, d'un modèle mathématique liant la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée au régime de charge, pour au moins une température de l'élément de batterie fourni ;
- le modèle mathématique lie la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée au régime de charge, à la température de l'élément de batterie et à la capacité surfacique de la batterie fournie ;
- le modèle mathématique est un modèle quadratique de la forme :
VALlim = a0 + aiQ + a2T + a3log(C) + ai3Q.log(C) + a23T.log(C) + anQ2 + a22T2 + a33log(C)2 où VALiim est la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée ;
Q est la capacité surfacique de l'élément de batterie ;
T la température de l'élément de batterie ;
C est le régime de charge ;
log est l'opérateur logarithme décimal ; et a0, 3i, a2, a3, ai3, a23, an, a22 et a33 des coefficients réels ;
- le potentiel de l'anode est calculé à partir de la différence de potentiel entre l'anode et une électrode de référence ;
- l'électrode de référence est une électrode Li+/Li, la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée étant atteinte lorsque la différence de potentiel entre l'anode et l'électrode de référence est nulle ;
- la grandeur caractéristique prédéterminée est un état de charge de l'élément de batterie, ou une tension entre une cathode et l'anode de l'élément de batterie.
En outre, l'invention a pour objet une méthode de charge comportant les étapes de :
- fourniture d'une batterie comprenant au moins un élément de batterie Li-ion appartenant à une famille d'éléments de batterie Li-ion et présentant une capacité surfacique donnée ;
- alimentation de la batterie fournie en énergie électrique, à un régime de charge donné ;
- mesure de la température de la batterie durant la charge ;
- pour chaque élément de batterie, calcul d'une valeur limite d'une grandeur caractéristique prédéterminée correspondante, pour ladite famille, ladite capacité surfacique, ladite température et ledit régime de charge ;
- pour chaque élément de batterie, calcul de la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée ; et
- détection d'un état limite lorsque, pour au moins un élément de batterie, la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée atteint une fraction prédéterminée de la valeur limite correspondante.
Suivant un autre aspect avantageux de l'invention, la méthode comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la valeur limite est obtenue en appliquant le procédé d'étalonnage tel que défini ci-dessus ;
- la méthode comporte, en outre, la réduction du régime de charge en cas de détection de l'état limite.
En outre, l'invention a pour objet un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre la méthode telle que définie ci-dessus.
En outre, l'invention a pour objet un dispositif de charge comportant :
- un circuit d'alimentation configuré pour transmettre de l'énergie électrique à une batterie Li-ion, à un régime de charge donné, depuis une source d'énergie électrique ;
- au moins un capteur de température configuré pour mesurer la température de la batterie ;
- un calculateur configuré pour calculer la valeur d'une grandeur caractéristique prédéterminée relative à au moins un élément de batterie de la batterie au cours du temps, le calculateur étant également configuré pour détecter un état limite lorsque la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée relative à au moins un élément de batterie atteint une fraction prédéterminée d'une valeur limite, la valeur limite étant fonction d'une famille et d'une capacité surfacique de l'élément de batterie, de la température mesurée et du régime de charge.
Suivant un autre aspect avantageux de l'invention, le calculateur est, en outre, configuré pour commander la réduction du régime de charge en cas de détection de l'état limite.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un élément de batterie lithium-ion ;
- la figure 2 est un organigramme illustrant un procédé d'étalonnage selon l'invention ;
- la figure 3 est un organigramme illustrant une étape cyclique du procédé d'étalonnage selon l'invention ;
- la figure 4 est un graphique représentant l'évolution d'une valeur limite d'un état de charge d'un élément de batterie Li-ion en fonction du régime de charge, pour une capacité surfacique donnée de l'élément de batterie, et à trois températures distinctes ;
- la figure 5 est un graphique représentant l'évolution d'une valeur limite d'une tension entre une cathode et une anode d'un élément de batterie Li-ion en fonction du régime de charge, pour une capacité surfacique donnée de l'élément de batterie, et à trois températures distinctes ;
- la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif de charge selon l'invention ; et
- la figure 7 est un organigramme illustrant le fonctionnement du dispositif de charge de la figure 6.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un élément de batterie 2 est schématiquement représenté sur la figure
1. L'élément de batterie 2 est tel qu'une batterie est obtenue par le montage en série et/ou en parallèle d'une pluralité d'éléments de batterie 2. Plus précisément, l'élément de batterie 2 est un élément d'une batterie Li-ion.
De façon classique, l'élément de batterie 2 comporte une électrode dite positive, encore appelée « cathode » 4, et une électrode dite négative, encore appelée « anode » 6. La cathode 4 et l'anode 6 sont disposées à distance l'une de l'autre, l'espace entre les électrodes 4, 6 étant occupé par un électrolyte 8.
L'élément de batterie 2 présente une capacité surfacique Q, généralement exprimée en milliampère heure par centimètre carré (mAh/cm2).
L'élément de batterie 2 est tel que, avant la première charge de l'élément de batterie 2, la cathode 4 comporte du lithium. Par exemple, la cathode 4 est réalisée dans un composé comprenant du lithium, tel que LiNii/3Mni/3Coi/3O2.
De préférence, l'anode 6 comporte des particules de graphite.
De préférence, l'électrolyte 8 est une solution d'un sel de lithium dissous dans un mélange d'alkylcarbonates. Par exemple, le sel de lithium est l'hexafluorophosphate de lithium LiPF6. Par exemple, le mélange d'alkylcarbonates est un mélange de carbonate d'éthylène, de carbonate d'éthyle méthyle et de carbonate de diméthyle.
Le procédé d'étalonnage de la famille à laquelle appartient l'élément de batterie 2 est décrit en référence à la figure 2.
Une pluralité d'éléments de batterie 2 de la même famille est fournie. Au moins deux éléments de batterie 2 de la famille présentent une capacité surfacique Q différente.
Au cours d'une étape d'initialisation 10, un élément de batterie 2 est choisi parmi la pluralité d'éléments de batterie 2. L'élément de batterie 2 choisi est initialement déchargé.
L'élément de batterie 2 choisi est ensuite relié à un dispositif d'étalonnage (non représenté).
L'étape suivant l'étape d'initialisation 10 est une étape cyclique 12, telle que décrite ultérieurement.
Avantageusement, au cours de chaque étape cyclique 12, le dispositif d'étalonnage maintient constante la température de l'élément de batterie 2.
De préférence, le dispositif d'étalonnage est configuré pour mettre en œuvre l'étape cyclique 12 suivant un nombre d'itérations prédéterminé. Dans ce cas, pour au moins deux mises en œuvre distinctes de l'étape cyclique 12, les températures correspondantes sont, de préférence, différentes.
En outre, dans ce même cas où le dispositif d'étalonnage est configuré pour mettre en œuvre l'étape cyclique 12 suivant un nombre d'itérations prédéterminé, l'étape suivant chaque étape cyclique 12 est une étape de test 14.
Durant l'étape de test 14, le dispositif d'étalonnage détermine si le nombre de fois aux cours desquelles l'étape cyclique 12 a été mise en œuvre a atteint le nombre d'itérations prédéterminé.
Si, au cours de l'étape de test 14, le dispositif d'étalonnage détermine que l'étape cyclique 12 a été mise en œuvre un nombre de fois strictement inférieur au nombre d'itérations prédéterminé, alors l'étape suivant l'étape de test 14 est une nouvelle étape cyclique 12. Si, au cours de l'étape de test 14, le dispositif d'étalonnage détermine que l'étape cyclique 12 a été mise en œuvre un nombre de fois égal au nombre d'itérations prédéterminé, alors l'étape suivant l'étape de test 14 est une étape de calcul 16.
Au cours d'une étape cyclique 12 quelconque donnée, le dispositif d'étalonnage soumet l'élément de batterie 2 à un nombre prédéterminé de cycles comprenant chacun une phase de charge 12.1 et une phase de décharge 12.2 de l'élément de batterie 2, comme illustré par la figure 3.
A l'issue de chaque cycle, le dispositif d'étalonnage détermine, au cours d'une phase de contrôle 12.3, si le nombre de cycles réalisés a atteint le nombre prédéterminé de cycles. Si le nombre de cycles réalisés est strictement inférieur au nombre prédéterminé de cycles, alors un nouveau cycle comprenant une phase de charge 12.1 et une phase de décharge 12.2 est mis en œuvre.
Si le nombre de cycles réalisés atteint le nombre prédéterminé de cycles, alors l'étape cyclique 12 est suivie de l'étape de test 14.
Durant chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage alimente l'élément de batterie 2 en énergie électrique à un régime de charge constant prédéterminé.
Par « régime de charge », il est entendu, au sens de la présente invention, un courant électrique calculé à partir du courant constant maximal qu'une batterie ou qu'un élément de batterie 2 est susceptible de débiter en une heure. Par exemple, pour un élément de batterie susceptible de débiter 1000 mA (milliampère) en une heure, le régime de charge IC correspond à un courant de 1000 mA, le régime de charge C/10 correspond à un courant électrique de 100 mA, le régime de charge 3C correspond à un courant électrique de 3000 mA, etc.
De préférence, pour chaque phase de charge 12.1 d'une même étape cyclique 12, le dispositif d'étalonnage charge l'élément de batterie 2 à un régime de charge supérieur au régime de charge associé à la phase de charge 12.1 précédente. Par exemple, le régime de charge vaut successivement C/10, puis C/2, puis 0,75C, puis IC, puis 1,25C, puis 1,5C, puis 2C, puis 3C, puis 5C.
En outre, le dispositif d'étalonnage mesure, durant chaque phase de charge 12.1 de l'étape cyclique 12, la tension aux bornes de l'élément de batterie 2.
En outre, durant chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage mesure le potentiel de l'anode 6 de l'élément de batterie 2. Un tel potentiel de l'anode 6 décroît généralement avec l'accroissement d'un état de charge S de l'élément de batterie 2, tel que défini ultérieurement.
De préférence, le dispositif d'étalonnage calcule le potentiel de l'anode 6 à partir d'une mesure de différence de potentiel entre l'anode 6 et une électrode de référence présentant un potentiel fixe au cours du temps, par exemple une électrode au lithium Li+/Li classiquement connue.
En outre, au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage calcule l'état de charge S de l'élément de batterie 2.
L'état de charge S à un instant donné de l'étape cyclique 12 est un pourcentage défini comme le résultat de la division de la capacité de l'élément de batterie 2 à l'instant considéré, par la capacité maximale de l'élément de batterie 2 à l'issue de la phase de charge associée au régime de charge le plus faible de l'étape cyclique 12, multiplié par 100, comme cela ressort de la formule (1) :
S(t) = 100 ^-(1)
Qmax où S(t) est l'état de charge à un instant t donné ;
q(t) est la capacité de l'élément de batterie 2 à l'instant t considéré ; et qmax est la capacité maximale de l'élément de batterie 2 à l'issue de la phase de charge associée au régime de charge le plus faible de l'étape cyclique 12.
Par exemple, dans le cas où le régime de charge le plus faible durant l'étape cyclique 12 est C/10, qmax est la capacité maximale de l'élément de batterie 2 à l'issue de la phase de charge associée au régime de charge C/10.
La capacité q(t) de l'élément de batterie 2 à l'instant t est, par exemple, prise égale à l'intégrale, entre un instant initial prédéterminé et l'instant courant t, de la valeur mesurée du courant circulant à travers l'élément de batterie 2. La valeur de la capacité q(t) est positive. L'instant initial prédéterminé est, par exemple, l'instant auquel débute la phase de charge 12.1.
L'état de charge S est croissant au cours de la phase de charge 12.1.
L'état de charge S constitue une grandeur caractéristique prédéterminée de l'élément de batterie 2, dont la valeur représentative de la valeur du potentiel électrique de l'anode 6.
Au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage détermine également une valeur limite VAL|im de l'état de charge S, pour laquelle la différence de potentiel entre l'anode 6 et l'électrode de référence devient inférieure ou égale à un seuil prédéterminé. Avantageusement, dans le cas où l'électrode de référence est une électrode de référence au lithium, la valeur limite VAL|im correspond à une différence de potentiel nulle entre l'anode 6 et l'électrode de référence.
Le dispositif d'étalonnage enregistre la valeur limite VAL|im, la valeur limite VAL|im étant associée à la famille de l'élément de batterie 2 choisi, à la température à laquelle l'élément de batterie 2 choisi est maintenu durant l'étape cyclique 12, à la capacité surfacique de l'élément de batterie 2 choisi et au régime de charge de la phase de charge 12.1 considérée.
A titre d'exemple, la variation de la valeur limite VAL|im de l'état de charge S en fonction du régime de charge, pour une capacité surfacique Q donnée de l'élément de batterie 2, et à trois températures distinctes est représentée sur le graphique de la figure 4.
La courbe 41 (pointillés) illustre l'évolution de la valeur limite VAL|im de l'état de charge S en fonction du régime de charge, lorsque l'élément de batterie 2 est maintenu à une température de 0°C.
La courbe 42 (trait plein) illustre l'évolution de la valeur limite VAL|im de l'état de charge S en fonction du régime de charge, lorsque l'élément de batterie 2 est maintenu à une température de 10°C.
La courbe 43 (trait hachuré) illustre l'évolution de la valeur limite VAL|im de l'état de charge S en fonction du régime de charge, lorsque l'élément de batterie 2 est maintenu à une température de 25°C.
II apparaît que, pour une température et une capacité surfacique Q données, la valeur limite VAL|im de l'état de charge S est d'autant plus faible que le régime de charge est élevé.
Le dispositif d'étalonnage met fin à chaque phase de charge 12.1 lorsqu'une condition prédéterminée est remplie. Par exemple, le dispositif d'étalonnage met fin à chaque phase de charge 12.1 lorsque la tension aux bornes de l'élément de batterie 2 atteint une tension maximale prédéterminée.
Durant chaque phase de décharge 12.2, le dispositif d'étalonnage prélève de l'énergie électrique à l'élément de batterie 2, à un régime de charge prédéterminé.
Par exemple, le dispositif d'étalonnage prélève de l'énergie à l'élément de batterie 2 à un régime de charge identique pour toutes les phases de décharge 12.2 de l'étape cyclique 12, par exemple un régime de charge valant C/10.
Le dispositif d'étalonnage met fin à chaque phase de décharge 12.2 lorsqu'une condition prédéterminée est remplie. Par exemple, le dispositif d'étalonnage met fin à la phase de décharge 12.2 lorsque la tension aux bornes de l'élément de batterie 2 atteint une tension minimale prédéterminée, strictement inférieure à la tension maximale prédéterminée.
Les tensions minimale et maximale prédéterminées dépendent notamment de la nature des matériaux présents au sein de l'élément de batterie 2.
Les tensions minimale et maximale prédéterminées sont choisies de sorte à atteindre un état de lithiation limite permettant de préserver la structure d'insertion des matériaux mis en œuvre dans l'élément de batterie 2.
En outre, l'électrolyte 8 est choisi pour être stable au moins entre la tension minimale et la tension maximale prédéterminées.
Par exemple, les tensions minimale et maximale prédéterminées pour un élément de batterie Gr/NMC (c'est-à-dire graphite/LiNii/3iyini/3Coi/3O2) connu valent respectivement 2,7 V et 4,2 V. Selon un autre exemple, les tensions minimale et maximale prédéterminées pour un élément de batterie Gr/LFP (c'est-à-dire graphite/LiFePO4) connu valent respectivement 2,0 V et 3,6 V.
De préférence, au moins une phase de charge 12.1 ou au moins une phase de décharge 12.2 de l'étape cyclique 12 est suivie d'une phase stationnaire 12.4. Durant chaque phase stationnaire 12.4, aucun échange d'énergie électrique ne se produit entre le dispositif d'étalonnage et l'élément de batterie 2. Chaque phase stationnaire présente une durée prédéterminée, par exemple 30 minutes.
Avantageusement, une fois que l'étape d'initialisation 10 et la pluralité d'étapes cycliques 12 ont été mises en œuvre pour l'élément de batterie 2, l'étape d'initialisation 10 et la pluralité d'étapes cycliques 12 sont mises en œuvre pour un autre élément de batterie 2 parmi la pluralité d'éléments de batterie 2 de la même famille qui a été initialement fournie.
Dans ce cas, le dispositif d'étalonnage utilise les valeurs limites VAL|im obtenues pour diverses températures, divers régimes de charge et différentes capacités surfaciques d'éléments de batterie 2 pour calculer, par régression, les paramètres d'un modèle mathématique liant la valeur limite VAL|im au régime de charge, à la température de l'élément de batterie 2 et à la capacité surfacique Qde l'élément de batterie 2.
Par exemple, le modèle est un modèle quadratique de la forme :
VALlim = a0 + aiQ + a2T + a3log(C) + ai3Q.log(C) + a23T.log(C) + anQ2 + a22T2 + a33log(C)2 où VALiim est la valeur limite de l'état de charge S, exprimée en pourcent ;
Q est la capacité surfacique de l'élément de batterie 2, exprimée en milliampère heure par centimètre carré ;
T la température de l'élément de batterie 2, exprimée en degré Celsius ;
C est le régime de charge ;
log est l'opérateur logarithme décimal ; et a0, 3i, a2, a3, ai2, a23, an, a22 et a33 sont des coefficients réels obtenus par régression et dépendant de la famille de batteries étalonnée.
Par exemple, à partir des données ayant permis de construire les courbes de la figure 4, le modèle obtenu s'écrit, pour la valeur limite de l'état de charge S :
VALlim = 72,7 - 30,5.Q + 0,283.T - 52,31.1og(C) + 4,51.Q.log(C)
- 0,477.T.log(C) + 3,27.Q2 + 0,0253.T2 + 14,88.1og(C)2
En variante, durant la mise en œuvre du procédé d'étalonnage, la grandeur caractéristique prédéterminée choisie est la tension U entre la cathode 4 et l'anode 6 de l'élément de batterie 2 choisi. En d'autres termes, la tension U est prise comme grandeur dont la valeur est représentative de la valeur du potentiel électrique de l'anode 6.
Dans ce cas, la mise en œuvre du procédé d'étalonnage diffère de la mise en œuvre précédemment décrite en ce que suit.
Au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage ne calcule pas l'état de charge S de l'élément de batterie 2, mais mesure la tension U entre les électrodes 4, 6 de l'élément de batterie 2. La tension U est croissante au cours de la phase de charge 12.1.
A titre d'exemple, la variation de la valeur limite VAL|im de la tension U en fonction du régime de charge, pour une capacité surfacique Q donnée de l'élément de batterie 2, et à trois températures distinctes est représentée sur le graphique de la figure
5.
La courbe 51 (pointillés) illustre l'évolution de la valeur limite VAL|im de la tension U en fonction du régime de charge, lorsque l'élément de batterie 2 est maintenu à une température de 0°C.
La courbe 52 (trait plein) illustre l'évolution de la valeur limite VAL|im de la tension U en fonction du régime de charge, lorsque l'élément de batterie 2 est maintenu à une température de 10°C.
La courbe 53 (trait hachuré) illustre l'évolution de la valeur limite VAL|im de la tension U en fonction du régime de charge, lorsque l'élément de batterie 2 est maintenu à une température de 25°C.
Il apparaît que, pour une température et une capacité surfacique Q données, la valeur limite VAL|im de la tension U est d'abord décroissante, puis croissante avec l'augmentation du régime de charge.
En outre, au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage détermine une valeur limite VAL|im de la tension U pour laquelle la différence de potentiel entre l'anode 6 et l'électrode de référence devient inférieure ou égale à un seuil prédéterminé.
En outre, au cours de chaque phase de charge 12.1, le dispositif d'étalonnage enregistre la valeur limite VAL|im de la tension U, la valeur limite VAL|im étant associée à la famille de l'élément de batterie 2 choisi, à la température à laquelle l'élément de batterie 2 choisi est maintenu durant l'étape cyclique 12, à la capacité surfacique de l'élément de batterie 2 choisi et au régime de charge de la phase de charge 12.1 considérée.
En outre, le dispositif d'étalonnage utilise les limite VAL|im de la tension U obtenues pour diverses températures, divers régimes de charge et différentes capacités surfaciques d'éléments de batterie pour calculer, par régression, les paramètres d'un modèle mathématique liant la valeur limite VAL|im de la tension U au régime de charge, à la température de l'élément de batterie 2 et à la capacité surfacique Q de l'élément de batterie 2.
Par exemple, le modèle est un modèle quadratique de la forme :
VALlim = b0 + biQ + b2T + b3log(C) + bi3Q.log(C) + b23T.log(C) + bnQ2 + b22T2 + b331og(C)2 où VALiim est la valeur limite de la tension, exprimée en volt ;
Q est la capacité surfacique de l'élément de batterie 2, exprimée en milliampère heure par centimètre carré ;
T la température de l'élément de batterie 2, exprimée en degré Celsius ;
C est le régime de charge ;
log est l'opérateur logarithme décimal ; et bo, bi, b2, b3, bi3, b23, bu, b22 et b33 des coefficients réels obtenus par régression et dépendant de la famille de batteries étalonnée.
Par exemple, pour la famille d'éléments de batterie 2 correspondant aux courbes de la figure 5, le modèle obtenu pour la valeur limite de la tension s'écrit :
VALlim = 4,0819 - 0,1739.Q - 0,00972.T - 0,0800.1og(C) + 0,0971.Q.log(C)
- 0,00933.T.log(C) + 0,0331.Q2 + 0,000339.T2 + 0,2783.1og(C)2
Un dispositif de charge 20 selon l'invention, relié à une batterie 200 à charger, est représenté sur la figure 6.
La batterie 200 est obtenue par mise en série et/ou en parallèle d'éléments de batterie 2 identiques.
Le dispositif de charge 20 comporte un circuit d'alimentation 22, au moins un capteur de température 24 et un calculateur 26.
Le circuit d'alimentation 22 est configuré pour transmettre de l'énergie électrique à la batterie 200, depuis une source d'énergie électrique 28. Plus précisément, le circuit d'alimentation 22 est configuré pour transmettre de l'énergie électrique à la batterie 200 à un régime de charge prédéterminé.
Chaque capteur de température 24 est configuré pour mesurer la température de la batterie 200.
Le calculateur 26 est configuré pour calculer la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée relative à chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 au cours du temps. Par exemple, le calculateur 26 est configuré pour calculer l'état de charge de chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 au cours du temps. En variante, le calculateur 26 est configuré pour calculer la tension entre les électrodes 4, 6 de chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 au cours du temps.
Le calculateur 26 est également configuré pour stocker, pour au moins une famille d'éléments de batterie 2, le modèle de la valeur limite VAL|im, pour la grandeur caractéristique prédéterminée, qui a été obtenu selon le procédé d'étalonnage tel que décrit précédemment.
En outre, le calculateur 26 est configuré pour calculer la valeur limite VALiim de la grandeur caractéristique prédéterminée choisie pour chaque élément de batterie 2 de la batterie 200 à charger, en fonction de la famille des éléments de batterie 2, de la capacité surfacique des éléments de batterie 2, de la température mesurée par chaque capteur de température 24 et du régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200.
En outre, le calculateur 26 est configuré pour détecter une situation, dite « état limite », dans laquelle la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée relative à au moins un élément de batterie 2 atteint une fraction prédéterminée de la valeur limite VAL|im correspondante.
Le calculateur 26 est également configuré pour commander le régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200.
En particulier, le calculateur 26 est configuré pour commander, en cas de détection de l'état limite, la réduction du régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200.
La charge de la batterie 200 au moyen du dispositif de charge 20 est décrite en référence à la figure 7.
Au cours d'une étape de configuration 30, une batterie 200 comprenant des éléments de batterie 2 identiques d'une famille de batteries Li-ion donnée, et présentant une capacité surfacique Q donnée, est fournie.
Un opérateur renseigne l'architecture de la batterie 200 dans le dispositif de charge 20. En particulier, l'opérateur renseigne la façon dont les éléments de batterie 2 de la batterie 200 sont connectés entre eux.
L'opérateur renseigne également, dans le dispositif de charge 20, la famille et la capacité surfacique des éléments de batterie 2 de la batterie 200.
Puis, le dispositif de charge 20 charge le modèle mathématique de la charge limite VAL|im pour la famille correspondant aux éléments de batterie 2 de la batterie 200.
En variante, le dispositif de charge 20 est destiné à charger des batteries 200 prédéterminées, comportant des éléments de batterie 2 identiques. Dans ce cas, l'intervention de l'opérateur durant l'étape de configuration 30 n'est pas requise.
Selon une autre variante, le dispositif de charge 20 comporte un détecteur (non représenté) configuré pour identifier la batterie 200, c'est-à-dire pour déterminer l'architecture des éléments de batterie 2, ainsi que la famille et la capacité surfacique des éléments de batterie 2 de la batterie 200. Dans ce cas, l'intervention de l'opérateur durant l'étape de configuration 30 n'est pas requise.
Puis, au cours d'une étape d'alimentation 32, le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200, à un régime de charge donné.
En outre, au cours de l'étape d'alimentation 32, chaque capteur de température 24 mesure la température de la batterie 200.
Durant l'étape d'alimentation 32, le calculateur 26 calcule l'état de charge limite VAL|im pour la famille et la capacité surfacique des éléments de batterie 2, en fonction de la température mesurée par chaque capteur de température 24 et du régime de charge suivant lequel le circuit d'alimentation 22 fournit de l'énergie électrique à la batterie 200.
En outre, au cours de l'étape d'alimentation 32, le calculateur 26 calcule l'état de charge de chaque élément de batterie 2.
Si l'état de charge d'un élément de batterie 2 de la batterie 200 atteint la fraction prédéterminée de la valeur limite VAL|im pour l'état de charge S, alors le calculateur 26 détecte un état limite.
En variante, le calculateur 26 calcule la tension entre les électrodes 4, 6 de chaque élément de batterie 2. Dans ce cas, si la tension entre les électrodes d'un élément de batterie 2 de la batterie 200 atteint la fraction prédéterminée de la valeur limite VAL|im pour la tension U, alors le calculateur 26 détecte un état limite.
De préférence, en cas de détection d'un état limite, au cours d'une étape de reconfiguration 34 successive à l'étape d'alimentation, le calculateur 26 commande au circuit d'alimentation 22 de sélectionner un nouveau régime de charge strictement inférieur au régime de charge de l'étape d'alimentation 32 précédente.
Par exemple, dans le cas où la grandeur caractéristique prédéterminée est l'état de charge S, au cours de l'étape de reconfiguration 34, le calculateur 26 commande au circuit d'alimentation 22 de sélectionner un nouveau régime de charge strictement inférieur au régime de charge de l'étape d'alimentation 32 précédente.
Selon un autre exemple, dans le cas où la grandeur caractéristique prédéterminée est la tension U, au cours de l'étape de reconfiguration 34, le calculateur commande au circuit d'alimentation 22 de sélectionner de sélectionner un nouveau régime de charge strictement inférieur au régime de charge de l'étape d'alimentation 32 précédente.
L'étape successive à l'étape de reconfiguration 34 est l'étape d'alimentation 32, le circuit d'alimentation 22 fournissant de l'énergie électrique à la batterie 200 suivant le nouveau régime de charge.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé d'étalonnage d'une famille d'éléments (2) de batterie Li-ion, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de :
    - fourniture d'un élément de batterie (2) de la famille, l'élément de batterie (2) présentant une capacité surfacique donnée ;
    - pour l'élément de batterie (2) fourni, mise en œuvre d'une pluralité de cycles successifs comprenant chacun une phase de charge (12.1) et une phase de décharge (12.2), l'élément de batterie (2) étant maintenu à température constante, au moins deux phases de charge (12.1) étant réalisées à des régimes de charge différents ;
    - pour chaque température et pour chaque phase de charge :
    • mesure d'un potentiel électrique d'une anode (6) de l'élément de batterie (2) fourni ;
    • calcul de la valeur d'une grandeur caractéristique prédéterminée de l'élément de batterie (2) ;
    • détermination d'une valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée pour laquelle le potentiel de l'anode (6) devient inférieur ou égal à un seuil prédéterminé ;
    • enregistrement, dans une mémoire, de la valeur limite pour ladite famille, ladite température, ladite capacité surfacique et le régime de charge de ladite phase de charge (12.1).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, comportant le calcul, par régression, d'un modèle mathématique liant la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée au régime de charge, pour au moins une température de l'élément de batterie (2) fourni.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le modèle mathématique lie la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée au régime de charge, à la température de l'élément de batterie (2) et à la capacité surfacique de la batterie fournie.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le modèle mathématique est un modèle quadratique de la forme :
    VALlim = a0 + aiQ + a2T + a3log(C) + ai3Q.log(C) + a23T.log(C) + anQ2 + a22T2 + a33log(C)2 où VALiim est la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée ;
    Qest la capacité surfacique de l'élément de batterie (2) ;
    T la température de l'élément de batterie (2) ;
    C est le régime de charge ;
    log est l'opérateur logarithme décimal ; et a0, 3i, a2, a3, ai3, a23, an, a22 et a33 des coefficients réels.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le potentiel de l'anode (6) est calculé à partir de la différence de potentiel entre l'anode (6) et une électrode de référence.
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'électrode de référence est une électrode Li+/Li, la valeur limite de la grandeur caractéristique prédéterminée étant atteinte lorsque la différence de potentiel entre l'anode (6) et l'électrode de référence est nulle.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la grandeur caractéristique prédéterminée est un état de charge de l'élément de batterie (2), ou une tension entre une cathode (4) et l'anode (6) de l'élément de batterie (2).
  8. 8. Méthode de charge comportant les étapes de :
    - fourniture d'une batterie (200) comprenant au moins un élément de batterie (2) Li-ion appartenant à une famille d'éléments de batterie Li-ion et présentant une capacité surfacique donnée ;
    - alimentation de la batterie (200) fournie en énergie électrique, à un régime de charge donné ;
    - mesure de la température de la batterie (200) durant la charge ;
    - pour chaque élément de batterie (2), calcul d'une valeur limite d'une grandeur caractéristique prédéterminée correspondante, pour ladite famille, ladite capacité surfacique, ladite température et ledit régime de charge ;
    - pour chaque élément de batterie (2), calcul de la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée ; et
    - détection d'un état limite lorsque, pour au moins un élément de batterie (2), la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée atteint une fraction prédéterminée de la valeur limite correspondante.
  9. 9. Méthode selon la revendication 8, dans laquelle la valeur limite est obtenue en appliquant le procédé d'étalonnage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
  10. 10. Méthode selon la revendication 8 ou 9, comportant, en outre, la réduction du régime de charge en cas de détection de l'état limite.
  11. 11. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre les étapes de calcul d'une valeur limite, calcul de la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée et détection d'un état limite de la méthode selon la revendication 8.
  12. 12. Dispositif de charge comportant :
    - un circuit d'alimentation configuré pour transmettre de l'énergie électrique à une batterie (200) Li-ion, à un régime de charge donné, depuis une source (28) d'énergie électrique ;
    - au moins un capteur de température configuré pour mesurer la 5 température de la batterie (200) ;
    - un calculateur (26) configuré pour calculer la valeur d'une grandeur caractéristique prédéterminée relative à au moins un élément de batterie (2) de la batterie (200) au cours du temps, le calculateur (26) étant également configuré pour détecter un état limite lorsque la valeur de la grandeur caractéristique prédéterminée
    10 relative à au moins un élément de batterie (2) atteint une fraction prédéterminée d'une valeur limite, la valeur limite étant fonction d'une famille et d'une capacité surfacique de l'élément de batterie (2), de la température mesurée et du régime de charge.
  13. 13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel le calculateur (26) 15 est, en outre, configuré pour commander la réduction du régime de charge en cas de détection de l'état limite.
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