FR3134480A1 - Systeme de recharge pour vehicule automobile sans placage de lithium, procede et vehicule sur la base d’un tel systeme - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un système de recharge pour une batterie (B) véhicule automobile, sur la base d’un modèle d’apprentissage automatique (M) de prédiction de courant de recharge et de marge de temps avant un placage de lithium sur une anode de connecteur de recharge, sur la base de la température de la batterie (B), l’état de charge et l’état de santé de la batterie (B).Le système comprend des moyens de mesure de ces paramètres, évalue un courant de recharge limitant le placage de lithium en imposant à l’anode un potentiel électrique le plus proche possible de, et supérieur à une référence de placage, de préférence 0V, dans la marge de temps, et applique ledit courant de recharge. L’invention concerne également un procédé et un véhicule (V) sur la base d’un tel système. Figure 3

Description

SYSTEME DE RECHARGE POUR VEHICULE AUTOMOBILE SANS PLACAGE DE LITHIUM, PROCEDE ET VEHICULE SUR LA BASE D’UN TEL SYSTEME
L’invention se rapporte au domaine des batteries de traction de véhicule automobile. L’invention concerne en particulier les systèmes de recharge de telles batteries.
Le temps de recharge reste un obstacle essentiel de l’électrification du véhicule. Le protocole de recharge le plus souvent utilisé est le protocole dit « CCCV », à savoir un courant constant suivi par une tension constante. Ce protocole implique que le courant de recharge reste à un haut niveau jusqu’au moment où la tension de la batterie atteint la valeur maximale (généralement appelée « cut-off voltage ») ; ensuite la tension est à maintenir lorsque le courant se réduit de manière correspondante, jusqu’à ce que l’état de charge (en abrégé « SOC ») atteigne 100%.
Il y a plusieurs variantes de ce protocole. Une variante divise la phase CC (de courant continu) en plusieurs étapes, et le courant s’abaisse par étapes. Ce choix technique se base sur le fait que le risque de placage de lithium (ou « lithium plating » en langue anglaise) est bas en début de la recharge, et il permet donc un courant plus haut. Un autre protocole utilise la même stratégie mais impose à la première étape un niveau plus bas parce que la résistance est plus grande en niveau bas de SOC, et la production de chaleur est plus importante. Il y a aussi une autre stratégie qui divise la phase CC sur de nombreuses étapes au même niveau, dans les faits par impulsions au lieu d’un courant constant.
Une autre solution se base sur la modélisation physique et chimique de la batterie, qui prédit le placage de lithium. Ce type de modèle permet d’ajuster le courant de charge en évitant le placage de lithium. Il en ressort des modèles précis mais ils demandent trop de ressources de calcul et ne permettent pas l’application au véhicule. Il y a aussi des modèles qui sont plus rapides pour le calcul mais dont la fiabilité est remise en question, car il n’y a pas de vérification suffisante à cet effet.
Les solutions actuelles ne permettent pas une exploitation complète de la puissance de batterie pendant la recharge. La batterie a encore un potentiel de raccourcissement du temps de recharge tout en assurant l’élimination du placage de lithium.
L’invention vise à pallier les inconvénients de l’art antérieur.
Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système de recharge pour une batterie véhicule automobile, comprenant :
- des données d’un modèle d’apprentissage automatique de prédiction d’un courant de recharge et de marge de temps avant un placage de lithium sur une anode de connecteur de recharge, sur la base de la température de la batterie, l’état de charge et l’état de santé de la batterie,
- des moyens de mesure pour mesurer la température, l’état de charge, et l’état de santé de la batterie,
- un moyen d’évaluation pour déterminer sur la base dudit modèle et des mesures, un courant de recharge limitant le placage de lithium en imposant à l’anode un potentiel électrique le plus proche possible d’une référence de placage, de préférence 0V, et supérieur à ladite référence de placage, dans la marge de temps ;
- un moyen de recharge pour appliquer ledit courant de recharge
Avantageusement, l’invention permet d’accélérer la recharge. En outre, elle garantit l’élimination du placage de lithium. De plus, le courant de recharge s’adapte à la condition spécifique de la batterie à chaque moment.
Selon une variante, le moyen de mesure de la température de la batterie comprend un capteur thermique de revêtement mis en place par dépôt physique en phase vapeur. Cela permet d’améliorer la précision de la mesure de température, et par là la précision de la prédiction par le modèle.
Selon une variante, ledit capteur thermique est mis en place sur chaque cellule de la batterie. Cela permet d’améliorer davantage la précision de la prédiction en ayant des mesures individuelles sur chaque cellule.
L’invention concerne en outre un procédé de recharge pour une batterie véhicule automobile, comprenant :
- une étape de modélisation pour réaliser un modèle d’apprentissage automatique de prédiction d’un courant de recharge et de marge de temps avant un placage de lithium sur une anode de connecteur de recharge, sur la base de la température de la batterie, l’état de charge et l’état de santé de la batterie,
- un étape de mesure de la température, l’état de charge, et l’état de santé de la batterie,
- un étape d’évaluation déterminer sur la base dudit modèle et des mesures, un courant de recharge limitant le placage de lithium en imposant à l’anode un potentiel électrique le plus proche possible d’une référence de placage, de préférence 0V, et supérieur à ladite référence de placage, dans la marge de temps ;
- un étape de recharge pour appliquer ledit courant de recharge.
Selon une variante, l’étape de modélisation comprend les sous-étapes suivantes :
- mesurer le potentiel de l’anode dans le temps pendant des recharges jusqu’à la mise en place d’un placage de lithium sur l’anode ;
- réaliser une corrélation entre un courant de recharge, la température, l’état de charge, et l’état de santé de la batterie, dans une marge de temps avant la mise en place d’un placage de lithium ;
- déduire le modèle sur la base de cette corrélation.
Cela permet d’avoir un modèle précis sur la base de paramètres facilement mesurables en limitant les temps de calcul.
Selon une variante, la mesure du potentiel est réalisé au moyen de trois électrodes de mesure, respectivement une électrode d’anode, une électrode de cathode, et une électrode de référence. Cela permet d’être adapté aux connecteurs de charge avec trois électrodes.
Selon une variante, la mesure de la température de la batterie (B) est réalisée au moyen d’un capteur thermique de revêtement mis en place par dépôt physique en phase vapeur. Cela permet d’améliorer la précision de la mesure de température, et par là la précision de la réalisation du modèle.
Selon une variante, la batterie comporte des cellules, et ledit capteur thermique est mis en place sur chaque cellule de la batterie. Cela permet d’améliorer davantage la précision du modèle en ayant des mesures individuelles sur chaque cellule.
Un autre objet de l’invention concerne un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de recharge selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.
L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système de recharge selon l’invention.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :
- illustre schématiquement le montage à trois électrodes pour les mesures de potentiel de l’anode pour la modélisation dans une variante préférée de l’invention ;
- illustre schématiquement des résultats de mesures avec le montage de la figure précédente ; et
- illustre schématiquement la mise en œuvre du modèle d’apprentissage automatique dans le cadre de la variante préférée de l’invention.
Le risque principal dans la recharge est le placage de lithium, c’est-à-dire que les ions lithium sont attirés à l’anode A tellement rapidement qu’ils peuvent entrer dans les structures moléculaires d’anode A. Par conséquent le lithium métallique se dépose sur l’anode A.
Le placage de lithium est une des raisons majeures de vieillissement de la batterie B. Les moyens mis en œuvre dans l’invention font partie d’un contrôleur de batterie C, pouvant lui-même faire partie d’un système de gestion de batterie (généralement appelé BMS).
Il est reconnu que le placage de lithium se passe quand le potentiel de l’anode baisse en dessous de 0V dans la mesure des trois électrodes, dont le principe est dessiné dans . Les trois électrodes : l’électrode de référence ER, l’électrode de travail ET, et l’électrode auxiliaire EA sont séparées par deux séparateurs S1, S2. L’électrode de travail ET est la cathode, l’électrode auxiliaire EA est l’anode A, et l’électrode de référence ER sert à l’installation d’une tension de référence à zéro au milieu de l’électrolyte qui remplisse l’espace entres les trois électrodes.
Afin de minimiser l’impact de l’électrode de référence ER sur le fonctionnement de la batterie B qui a en réalité deux électrodes importantes, l’électrode de référence ER est un fin fil, par exemple avec un diamètre de 5µm, lorsque les deux autres électrodes ET, EA sont de 5cm en diamètre et de 70 µm en épaisseur à titre d’exemple. Le matériau de l’électrode de référence ER peut être du cuivre, mais il peut aussi être dans d’autres matériaux par exemple de l’oxyde de lithium-titane (LTO en abrégé).
L’électrode de travail ET, l’électrode auxiliaire EA et les deux séparateurs S1, S2 doivent être idéalement des parties coupées de la cellule à mesurer afin de pouvoir assurer la constance de la qualité de fabrication entre les pièces de mesure et les pièces de production. En effet, la distribution de probabilité de la taille des particules des matériaux des électrodes influe fortement les résultats. Les séparateurs S1, S2 doivent être idéalement nettoyés par l’électrolyte avant le remplissage dans le montage.
Dans la figure 2, signifie le courant, et signifie la température avec , et . L’axe horizontal indique le temps de recharge t en débutant d’un SOC de 0%. L’axe vertical indique le potentiel de l’anode A. Le dépassement de « 0V » signifie l’apparition du placage de lithium.
La montre les résultats typiques des mesures avec trois électrodes. Le potentiel de l’anode se réduit pendant la recharge. Le dépassement de 0V signifie l’apparition du placage de lithium, mais cela n’implique pas les 100% de SOC. Ce seuil de 100% correspond à une tension plus haute que la tension maximale de la cellule (généralement appelé « cut-off voltage) » dans le protocole CCCV pour avoir une marge de sécurité. Le temps avant le placage de lithium se réduit avec le courant : un plus haut courant nécessite moins de temps pour déclencher le placage de lithium. Ce temps dépend de la température également : une basse température promeut l’apparition du placage de lithium.
L’idée de cette invention se base sur le principe de garder le potentiel de l’anode à un niveau à proximité de 0V, ce qui permet au courant le plus important possible de recharger et de garantir l’élimination du placage de lithium.
Le processus de développement se fait par deux étapes. La première étape est l’accumulation des données avec la mesure comme décrit ci-dessus, il faut répéter cette mesure avec multiples valeurs de courants à multiples valeurs de températures pour couvrir les plages pertinentes à l’application. Il est important d’assurer que les courbes comme montré dans la sont assez proches entre elles, afin d’assurer la qualité d’interpolation entre les lignes pour les points d’opération non mesurés. Comme cette stratégie risque de provoquer un vieillissement plus rapide de la batterie B, il faut idéalement assurer la précision de mesure du potentiel de l’anode au moins à 1 mV, ce qui est réalisable avec les instruments actuels.
La deuxième étape est la modélisation par l’apprentissage automatique. Les données d’entrée sont l’état de santé (en abrégé « SOH »), le SOC, et la température, la donnée de sortie est le courant de recharge avec lequel le placage de lithium se passe dans un certain temps défini, désigné comme , qui sert de marge de sécurité. Le niveau de dépend de la précision de mesure de SOC, de SOH et de la température de la batterie B sur véhicule.
Il y a deux points à noter dans la variante préférée. Le premier est la mesure de la température du module de batterie sur le véhicule. Les capteurs thermiques sont conventionnellement implantés sur le dessus du module de batterie. La valeur mesurée est beaucoup plus basse que la température de la cellule. Il faut utiliser le capteur thermique de revêtement produit par un procédé de par dépôt physique en phase vapeur (ou « PVD » pour « physical vapor deposition » en langue anglaise) au niveau de la cellule comme décrit par exemple dans la demande co-pendante FR2103618. Ce capteur peut avoir une épaisseur de 5µm ce qui permet une implantation sur la surface de la cellule à l’intérieur du module pour pouvoir mesurer la plus haute température à l’intérieur du module.
Le deuxième point est la résistance entre l’électrode de référence et l’électrode auxiliaire dans la mesure de trois électrodes. Le potentiel mesuré est plus haut que le potentiel de l’anode avec une différence de , où est le courant, et est la résistance. La résistance dépend de SOC, de SOH, de la température et du courant de charge. Il est donc important de faire la mesure de la résistance par spectroscopie d’impédance électrochimique (ou EIS pour « electrochemical impedance spectroscopy » en langue anglaise) pour les mêmes points de mesure comme décrit ci-dessus. Ces résultats sont à utiliser pour corriger le potentiel de l’électrode auxiliaire EA. Cette correction est plus importante pour les bas SOC et grands courants, où la résistance est la plus notable.
Le résultat de ce développement est un modèle qui prédit le niveau du courant en fonction de SOH, de SOC, et de la température en temps réel. Le courant varie selon l’évolution de température en refroidissement ou réchauffement par un refroidisseur de la batterie, ainsi que selon l’évolution du SOC sur un processus de recharge en prenant en compte le SOH, qui ne change pas pour une occurrence de recharge.
Le courant de recharge est dynamique comme dans la solution actuelle avec un modèle physique, mais il est plus fiable dans le cas de l’invention. Par rapport aux modèles précis mais aussi très chers en temps de calculs de l’art antérieur, le modèle de l’apprentissage automatique de l’invention est beaucoup plus petit et facile à intégrer dans un logiciel de véhicule ; par rapport aux modèles simplifiés de l’art antérieur, ce modèle de données de l’invention ne comprend pas de simplification parce que ce sont les données de mesure qui donnent la loi de contrôle directement.
La recharge est plus rapide que dans les solutions actuelles puisque le protocole CCCV impose un courant plus prudent que nécessaire pour assurer l’élimination du placage de lithium.
Il faut noter que cette invention accélère la recharge uniquement pendant la phase CC, et n’emporte de préférence aucune accélération pendant la phase CV, parce que pendant la phase CV la tension de la batterie atteint déjà la valeur maximale, et le courant est obligé de se réduire.
En résumé cette invention permet d’exploiter la performance de la batterie pour atteindre une recharge plus rapide que les solutions actuelles tout en respectant la nécessité de l’élimination du placage de lithium.

Claims (10)

  1. Système de recharge pour une batterie (B) véhicule automobile, comprenant :
    - des données d’un modèle d’apprentissage automatique (M) de prédiction d’un courant de recharge et de marge de temps avant un placage de lithium sur une anode de connecteur de recharge, sur la base de la température de la batterie (B), l’état de charge et l’état de santé de la batterie (B),
    - des moyens de mesure pour mesurer la température, l’état de charge, et l’état de santé de la batterie (B),
    - un moyen d’évaluation pour déterminer sur la base dudit modèle et des mesures, un courant de recharge limitant le placage de lithium en imposant à l’anode un potentiel électrique le plus proche possible d’une référence de placage, de préférence 0V, et supérieur à ladite référence de placage, dans la marge de temps ;
    - un moyen de recharge pour appliquer ledit courant de recharge.
  2. Système de recharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de mesure de la température de la batterie (B) comprend un capteur thermique de revêtement mis en place par dépôt physique en phase vapeur.
  3. Système de recharge selon la revendication 2, caractérisé en ce ledit capteur thermique est mis en place sur chaque cellule de la batterie (B).
  4. Procédé de recharge pour une batterie (B) véhicule automobile, comprenant :
    - une étape de modélisation pour réaliser un modèle d’apprentissage automatique (M) de prédiction d’un courant de recharge et de marge de temps avant un placage de lithium sur une anode de connecteur de recharge, sur la base de la température de la batterie (B), l’état de charge et l’état de santé de la batterie (B),
    - un étape de mesure de la température, l’état de charge, et l’état de santé de la batterie (B),
    - un étape d’évaluation déterminer sur la base dudit modèle et des mesures, un courant de recharge limitant le placage de lithium en imposant à l’anode un potentiel électrique le plus proche possible d’une référence de placage, de préférence 0V, et supérieur à ladite référence de placage, dans la marge de temps ;
    - un étape de recharge pour appliquer ledit courant de recharge.
  5. Procédé de recharge selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’étape de modélisation comprend les sous-étapes suivantes :
    - mesurer le potentiel de l’anode dans le temps pendant des recharges jusqu’à la mise en place d’un placage de lithium sur l’anode ;
    - réaliser une corrélation entre un courant de recharge, la température, l’état de charge, et l’état de santé de la batterie (B), dans une marge de temps avant la mise en place d’un placage de lithium ;
    - déduire le modèle (M) sur la base de cette corrélation.
  6. Procédé de recharge selon la revendication 5, caractérisé en ce que la mesure du potentiel est réalisé au moyen de trois électrodes de mesure, respectivement une électrode d’anode (EA), une électrode de cathode (ET), et une électrode de référence (ER).
  7. Procédé de recharge selon l’une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que la mesure de la température de la batterie (B) est réalisée au moyen d’un capteur thermique de revêtement mis en place par dépôt physique en phase vapeur.
  8. Procédé de recharge selon la revendication 7, dans lequel la batterie comporte des cellules, caractérisé en ce ledit capteur thermique est mis en place sur chaque cellule de la batterie (B).
  9. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de recharge selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.
  10. Véhicule automobile (V) comprenant un système de recharge selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
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