FR3140221A1 - Systeme de controle de charge pour batterie de traction de vehicule automobile, vehicule et procede sur la base d’un tel systeme - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de contrôle de charge configuré notamment pour une batterie de traction de véhicule automobile, comprenant :Le système contrôle un courant (I) quelle que soit la tension (V), pendant une charge, jusqu'à ce que la tension (V) atteigne une valeur de tension maximale (Vmax). En outre, le système contrôle une tension de décharge quel que soit le courant (I), pendant la décharge jusqu'à ce que le courant (I) atteigne une valeur de courant minimale (Imin) ;Selon l’invention, le système de contrôle met en œuvre des impulsions de courant triangulaires (R) et/ou trapézoïdales à un ou plusieurs niveaux d’amplitude (Ipk_c), chaque impulsion (R) comprenant un gradient positif constant ou par paliers et un gradient constant négatif ou par paliers. L’invention concerne également un véhicule et un procédé sur la base d’un tel système. Figure 2
Description
La présente invention concerne le domaine général des systèmes de stockage d'énergie (ou des batteries en termes courants), notamment pour véhicule automobile, et des procédés pour charger ces systèmes. Plus particulièrement, dans la présente invention, l'accent est mis sur le temps et la température de charge tout en préservant les performances et en améliorant la longévité des systèmes susmentionnés.
Même avec les progrès technologiques, les lacunes de la charge rapide de la batterie ne sont pas bien traitées car elles imposent une perte de capacité et des défis thermiques. Le besoin du moment est d’avoir une solution de charge rapide simple, fiable qui réduit le temps de charge et préserve la durée de vie opérationnelle en termes de nombre (n) de cycles de charge/décharge, ou d'années. De plus, il est également nécessaire de réduire l'augmentation de la température afin de respecter les limites de sécurité prescrites.
La tension constante à courant constant CC-CV (ou « Constant current Constant Voltage » en langue anglaise) est la technique de charge conventionnelle largement utilisée et recommandée par les fabricants de batteries pour véhicules automobiles. Cette technique est également appelée méthode de charge en deux étapes, comme illustré dans la . Dans des conditions de fonctionnement standard, l’amplitude du courant constant CC et l’amplitude de la tension maximale de la cellule dépendent de la chimie de la batterie utilisée.
À titre d'exemple ( ), dans la première étape E1 de la charge, un courant constant CC est appliqué à travers la batterie à une valeur CRdonnée jusqu'à ce qu’une tension de coupure haute soit atteinte. Après la fin de cette étape, la batterie est chargée à une valeur de tension constante Vmaxet le courant est autorisé à décroître de façon exponentielle dans une deuxième étape E2. La charge est présumée terminée lorsqu’une valeur de courant coupure (Imin) est atteinte.
La technique de charge à courant constant à plusieurs étages (ou MSCC pour « Multistage constant current » en langue anglaise) utilise plusieurs étages de courant constant avec un courant descendant par étapes. L'amplitude du courant et le nombre d'étages dépendent des différentes caractéristiques de la batterie choisie. Cette technique est considérée comme plus avantageuse que la technique CC-CV car elle ne contient pas de stade à tension constante. Ainsi, elle a attiré l'attention des chercheurs du monde entier. En plus d’être simple, cette technique MSCC a de meilleures performances en termes de temps de charge et d'efficacité de charge, préservant ainsi la durée de vie de la batterie.
La charge par impulsions carrées a montré une bonne performance de dépassement, mais la configuration optimale pose encore des problèmes dans les recherches à l'échelle mondiale car divers paramètres tels que le cycle de travail, le taux d'intercalation jouent un rôle essentiel dans la charge utilisant la technique d'impulsion. Fondamentalement, la charge par impulsions consiste à charger à débit de courant constant pendant une durée avec une interruption intermédiaire du courant pendant une certaine période appelée période de relaxation. La séquence de l'impulsion peut varier en fonction de l'amplitude et de la durée de l'impulsion.
La technique du courant variable consiste à modifier dynamiquement l'intensité du courant de charge en fonction de paramètres obtenus par des modèles numériques et de diverses hypothèses sur les paramètres y compris l'état de charge (SOC), le taux d'intercalage des ions Lithium dans l'anode et l'impédance de la cellule. Récemment, avec le temps, des techniques complexes peuvent être utilisées pour améliorer les performances et réduire le temps de charge des batteries à ions Lithium. Avec les récents progrès dans le développement des chargeurs, ils peuvent modifier automatiquement les profils de charge par calcul en ligne de la résistance, l’état de charge SOC et l’état de santé SOH de la cellule. Cependant, pour y parvenir, l'ajout d'un contrôle complexe coûteux est nécessaire et augmente les ressources expérimentales.
La charge par courant ondulé sinusoïdal (SRC) est une version modifiée de la technique de charge par impulsions, dans laquelle l'impulsion de courant carrée conventionnelle est remplacée par une forme d'onde de courant sinusoïdale dépendant de la fréquence pour recharger la batterie. Cette technique est destinée à fonctionner dans une région d'impédance plus petite afin de réduire la perte d'énergie sous forme de chaleur pendant la charge.
Les résultats des nombreuses littératures révèlent qu'il n'existe pas de solution universelle pour réduire le temps de charge sans accélérer le vieillissement de la batterie. Toutes les techniques de charge optimale proposées sont complexes et impliquent des algorithmes spécifiques à des batteries données. La nature complexe est due au fait que les batteries sont très diverses en termes de chimie et de construction.
Ainsi, un objectif de l’invention est de remédier aux défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une solution limitant le temps et la température de charge tout en préservant les performances et en améliorant la longévité des batteries.
Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système de contrôle de charge configuré pour être connecté à une batterie, le système de contrôle comprenant :
- un moyen de contrôle de courant pour contrôler un courant quelle que soit la tension, pendant une première phase, jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur de tension maximale ;
- un moyen de contrôle de tension pour contrôler une tension quel que soit le courant, pendant une deuxième phase, jusqu'à ce que le courant atteigne une valeur de courant minimale ;
caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant est configuré pour mettre en œuvre des impulsions de courant triangulaires et/ou trapézoïdales à un ou plusieurs niveaux d’amplitude, chaque impulsion comprenant un gradient positif constant ou par paliers et un gradient négatif constant ou par paliers.
- un moyen de contrôle de courant pour contrôler un courant quelle que soit la tension, pendant une première phase, jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur de tension maximale ;
- un moyen de contrôle de tension pour contrôler une tension quel que soit le courant, pendant une deuxième phase, jusqu'à ce que le courant atteigne une valeur de courant minimale ;
caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant est configuré pour mettre en œuvre des impulsions de courant triangulaires et/ou trapézoïdales à un ou plusieurs niveaux d’amplitude, chaque impulsion comprenant un gradient positif constant ou par paliers et un gradient négatif constant ou par paliers.
Par « gradient constants » est entendu une variation correspondant à une dérivée constante. Le terme « batterie » peut s’entendre comme tout accumulateur de courant, tel qu’une ou plusieurs cellules, un module de cellules ou un autre accumulateur.
Avantageusement, l’invention réduit le temps de charge des systèmes de stockage d'énergie ou des batteries en limitant l'augmentation de température au-delà d'un certain point de consigne respectant les limites de sécurité prescrites et prolonge la durée de vie des batteries. De plus, l'invention réduit les exigences des systèmes de refroidissement de batterie.
En général, un courant d'amplitude constante ou un courant sous forme d'onde carrée avec un rapport cyclique et une amplitude fixes ou variables, est imposé pour recharger les batteries. Mais, dans la présente invention, un courant triangulaire est imposé aux batteries à recharger. La valeur quadratique moyenne du courant triangulaire est par exemple inférieure de 57 % à celle du courant de crête (reportez-vous à l'équation ci-dessous), ce qui entraîne une température réduite en raison de la faible perte de joules et préserve ainsi la durée de vie opérationnelle des batteries.
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Jusqu'à présent, de nombreux chercheurs du monde entier ont contribué aux différentes techniques, qu'elles soient simples ou complexes, mais l'influence de la forme d'onde triangulaire pour le courant est inexplorée à ce jour. Par conséquent, la présente invention se concentre sur la forme triangulaire du courant.
Selon une variante, le moyen de contrôle de courant est en outre configuré pour mettre en œuvre lesdites impulsions entre un niveau de courant nul et ledit niveau d’amplitude. Cela permet de mettre en œuvre un repos à 0 ampères limitant le vieillissement et la hausse de température de la batterie.
Selon une variante, le moyen de contrôle de courant est en outre configuré pour mettre en œuvre au moins une impulsion de courant de charge et au moins une impulsion de courant de décharge pendant ladite première phase. Cela permet de mettre en œuvre une légère phase de décharge pendant la phase de charge pour améliorer davantage la charge.
Selon une variante, le moyen de contrôle de courant est configuré pour mettre en œuvre au moins un temps de pause entre le gradient positif et le gradient négatif, avant ou pendant une impulsion. Cela permet de mettre en œuvre un temps de repos pour améliorer davantage la charge. Un temps de pause avant une impulsion permet de laisser un temps de détente à la batterie.
Selon une variante, le moyen de contrôle de tension est mis en œuvre pour démarrer la deuxième phase de décharge si la tension atteint la valeur de tension maximale. Cela permet de ne pas perturber la phase de charge.
Selon une variante, le moyen de contrôle de courant comprend un convertisseur de courant continu. Ce composant permet de mettre en œuvre le système de l’invention.
Selon une variante, le moyen de contrôle de courant comprend au moins un commutateur à semi-conducteur. Ce composant permet de mettre en œuvre le système de l’invention.
L’invention concerne en outre un appareillage comprenant une batterie et système de contrôle de charge selon l’invention, connecté à la batterie.
L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système de contrôle selon l’invention.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de contrôle de charge pour batterie de traction de véhicule automobile, comprenant :
- une étape de contrôle de courant contrôlant un courant de charge quelle que soit la tension, pendant une phase de charge, jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur de tension maximale ;
- un étape de contrôle de tension contrôlant une tension de décharge quel que soit le courant, pendant une deuxième phase de décharge, jusqu'à ce que le courant atteigne une valeur de courant minimale caractérisé en ce que l’étape de contrôle de courant met en œuvre des impulsions de courant triangulaires et/ou trapézoïdales à un ou plusieurs niveaux d’amplitude, chaque impulsion comprenant un gradient positif constant ou par paliers et un gradient négatif constant ou par paliers.
- une étape de contrôle de courant contrôlant un courant de charge quelle que soit la tension, pendant une phase de charge, jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur de tension maximale ;
- un étape de contrôle de tension contrôlant une tension de décharge quel que soit le courant, pendant une deuxième phase de décharge, jusqu'à ce que le courant atteigne une valeur de courant minimale caractérisé en ce que l’étape de contrôle de courant met en œuvre des impulsions de courant triangulaires et/ou trapézoïdales à un ou plusieurs niveaux d’amplitude, chaque impulsion comprenant un gradient positif constant ou par paliers et un gradient négatif constant ou par paliers.
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 un graphique montrant le contrôle de type CC-CV de l’art antérieur ;
- illustre schématiquement un graphique montrant des formes d'ondes de tension et de courant par rapport au temps (t) pour les paramètres d'impulsions triangulaires dans un premier protocole de charge de batterie (premier mode de réalisation) ;
- illustre schématiquement montrant les formes d'ondes de courant par rapport au temps, pour le courant en impulsions triangulaires du protocole de la ;
- illustre schématiquement un graphique montrant des formes d'ondes de courant par rapport au temps, pour un courant en impulsions triangulaires d’un deuxième protocole de charge de batterie (pendant une première phase) (deuxième mode de réalisation) ;
- illustre schématiquement un graphique montrant des formes d'ondes de courant par rapport au temps, pour un courant en impulsions triangulaires d’un troisième protocole de charge de batterie (pendant une première phase) (troisième mode de réalisation) ;
- illustre schématiquement un graphique montrant des formes d'ondes de courant par rapport au temps, pour un courant en impulsions triangulaires d’un quatrième protocole de charge de batterie (pendant une première phase) (quatrième mode de réalisation) ;
- illustre schématiquement un graphique montrant des formes d'ondes de tension et de courant par rapport au temps, pour un courant en impulsions triangulaires d’un cinquième protocole de charge de batterie (pendant une première phase) (cinquième mode de réalisation) ;
- illustre schématiquement un graphique montrant le courant et la tension dans un essai suivant le premier protocole avec des cellules C1, C2 ;
- illustre schématiquement des mesures de durée de vie de cycle de la batterie en utilisant des techniques et des procédés conventionnels, et ceux de l’invention (protocole 1) ;
- illustre schématiquement un graphique montrant des formes d'ondes de courant par rapport au temps, pour un courant en impulsions triangulaires d’un sixième protocole de charge de batterie (pendant une première phase) (sixième mode de réalisation) ; et
- illustre schématiquement un exemple de circuit utilisé pour générer le sixième protocole d'impulsion de courant triangulaire.
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L'invention propose un ensemble de techniques de charge rapide dédiées aux systèmes de stockage d'énergie. Lesdits systèmes de stockage d'énergie comprennent un certain nombre de composants individuels similaires appelés cellules, connectés dans une configuration particulière pour former une batterie afin de répondre à des spécifications de conception. Plusieurs systèmes et techniques sont décrites pour améliorer le temps de charge et atténuer l'élévation de température au-delà des limites de sécurité.
Dans le système et le procédé proposés, un ensemble d'une ou plusieurs impulsions R, Z (ou étapes ou rampes) est utilisé, avec une impulsion de relaxation intermédiaire ou une impulsion de décharge (d) ou les deux. Dans ce procédé, au moins un des paramètres de l'impulsion est modifié dans un ordre particulier donné. En pratique les paramètres R, Z et d dépendent de l’état de charge (SoC) et de l’état de santé (SoH) des cellules. La durée d’une impulsion et la durée entre les impulsions peuvent, chacune, être comprise entre 1µs et 10s. La fréquence des impulsions peut être comprise entre 10 MHz et 1 mHz. La limite maximale pour l'amplitude est de 20C (en taux de charge ou « C-rate » en langue anglaise). La technique précitée peut être utilisée alors que la batterie fournit de l'énergie à un dispositif électrique externe ou même lorsqu'elle n'alimente pas un tel dispositif.
Dans un autre procédé, la technique de charge rapide est reconfigurée sur la base des données acquises par le système de communication concernant les cellules individuelles identiques ou la batterie dans ledit système de stockage d'énergie.
Un dispositif ou un algorithme a été développé pour charger des batteries en utilisant des étages de courant triangulaires. L'objectif principal est de limiter le changement de température au-delà d'une certaine valeur prédéfinie avec une convection naturelle et de recharger la batterie ou le système de stockage d'énergie en moins de temps qu’une limite de temps prédéfinie, tout en préservant sa durée de vie opérationnelle.
La montre un exemple de courant et de tension par rapport au temps pour l'algorithme utilisé pour charger une batterie ou une cellule. L'algorithme se compose de deux phases. Dans la première phase tph1, le courant est contrôlé quelle que soit la tension jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur maximale, puis la deuxième phase tph2 commence. Dans la deuxième phase tph2, la tension est contrôlée indépendamment du courant. La charge est supposée terminée une fois que le courant atteint une valeur prédéfinie.
La montre un exemple de courant par rapport au temps dans la phase 1. Le courant est varié linéairement pour avoir un gradient positif pendant un temps t1 jusqu'à ce qu’un courant de crête Ipk _csoit atteint, puis le courant est varié linéairement dans la direction opposée pour avoir une pente négative pendant un temps t2 jusqu'à ce que le courant atteigne zéro ampère (0 A) pour former un courant triangulaire dans la phase 1. t1 et t2 peuvent être dans les plages déjà présentées précédemment. Une pente positive et une pente négative d'amplitudes égales du courant forment une impulsion de courant triangulaire. La vitesse à laquelle la pente du courant change par rapport au temps définit la fréquence des impulsions.
La représentation de l'impulsion de courant triangulaire et des étages de courant triangulaires dans la phase 1 utilisés pour le transfert d'énergie vers la batterie, est illustrée aux figures 3 à 7. Par exemple, une combinaison de différents pics de courant triangulaire R et de différentes formes de courant triangulaire R forment un étage dans la phase 1 (Ph1). Il est fait référence à la , qui illustre un courant triangulaire R à deux étages (niveaux d’amplitude) dans la phase 1, à différentes étapes E1, E2. L'amplitude et la durée des impulsions de courant triangulaires R peuvent être différentes à chaque étage. Par exemple, dans la , la durée du courant de gradient positif t1, t3, t5, etc. et la durée du courant de gradient négatif, t2, t4, t6, etc. sont sélectionnées en fonction de divers facteurs, y compris, mais sans s'y limiter, l'élévation de température, l'état de charge, la capacité de gestion du courant de la batterie, voire des données de plusieurs batteries dans le mode de réalisation alternatif de l’invention.
La tension de coupure supérieure, Vmaxet le courant de coupure inférieur, Iminsont la tension de charge nominale maximale et le courant de coupure nominal minimal (comme indiqué dans la et la ) de la batterie, comme prescrits par le fabricant. La plage de tension de coupure supérieure et de courant de coupure inférieur est limitée par les paramètres physiques et la nature de la chimie de la batterie.
L'algorithme ou le procédé de charge de la batterie est décrit dans les protocoles suivants qui sont représentés sur les figures 3, 4, 5, 6, et 7. Les paramètres de l'impulsion de courant triangulaire sont choisis avec soin en tenant compte, entre autres, de l'élévation de température, de l'état de la charge, de la capacité de gestion du courant de la batterie.
Protocole 1 : Référence est faite à la qui montre l'algorithme ou la méthode utilisant une impulsion de courant triangulaire dans le protocole 1. Le courant est modifié linéairement pour avoir un gradient positif pendant une durée t1 jusqu'à ce que le courant de crête Ipk _csoit atteint, puis le courant est varié linéairement dans la direction opposée pour avoir un gradient négatif pendant une durée t2 jusqu'à ce que le courant atteigne zéro ampère (0 A) pour former une impulsion triangulaire. Un gradient positif et un gradient négatif d'amplitudes égales du courant forment une impulsion de courant triangulaire. L'impulsion de courant triangulaire se poursuit jusqu'à ce que la tension atteigne Vmaxpendant une durée totale de tph1 ; puis la phase 2 à tension constante de Vmaxse poursuit pendant une durée tph2 comme le montre la . L'amplitude et la durée du courant dans l'impulsion triangulaire peuvent être choisies dans les plages déjà présentées précédemment. Le choix peut dépendre par exemple de l'état de charge, de l'état de santé, du courant maximal autorisé et de l’entropie de la batterie. L'entropie de la batterie peut être estimée à l'aide d’une pente du potentiel en circuit ouvert à un état de charge donné, par exemple tous les incréments de 1% de 0 à 100% mesurés à différentes températures de 5°C à 50°C, par intervalles de 2°C ou 5°C. La formule suivante peut être utilisée :
avec :
- : l’entropie ;
- n : le nombre d'ions transférés ;
- F : la Constante de Faraday ;
- E0: le potentiel en circuit ouvert ; et
- T : la température.
-
- n : le nombre d'ions transférés ;
- F : la Constante de Faraday ;
- E0: le potentiel en circuit ouvert ; et
- T : la température.
Protocole 2 : Référence est faite à la qui montre l'algorithme ou la méthode utilisant une impulsion de courant triangulaire dans ce protocole 2. Le protocole 2 est une version modifiée du protocole 1. Au début, le courant varie linéairement de 0 pour avoir un gradient positif pendant une durée t1 jusqu'au courant de crête Ipk_c; puis le courant est varié linéairement dans la direction opposée pour avoir un gradient négatif pendant une durée t2 jusqu'à ce que le courant atteigne zéro ampère (0 A) pour former une impulsion de courant triangulaire de charge. Après cela, le courant est varié linéairement avec un gradient négatif pendant une durée t3 jusqu'à ce que le courant atteigne - Ipk_ dsuivi d'un gradient positif pendant une durée t4 jusqu'à ce que le courant revienne à zéro Ampère pour former une impulsion de courant triangulaire de décharge. Une impulsion de courant triangulaire de charge complète et une impulsion de courant triangulaire de décharge forment un cycle complet dans ce protocole. Ces impulsions triangulaires se poursuivent jusqu'à ce que la tension atteigne Vmaxpendant une durée totale de tph1 puis la phase 2 à tension constante de Vmaxse poursuit pendant une durée tph2 comme le montre la . L'amplitude et la durée du courant dans le courant triangulaire l'impulsion est choisie au hasard ou en fonction, mais sans s'y limiter, de l'état de charge, de l'état de santé, du courant maximal autorisé et de l'entropie de la batterie.
Protocole 3 : Référence est faite à la qui montre l'algorithme ou la méthode utilisant l'impulsion de courant dans le protocole 3. Le courant est modifié linéairement pour avoir un gradient positif pendant une durée t1 jusqu'à ce que le courant de crête Ipk_csoit atteint, puis le courant est maintenu à la même amplitude pendant une durée t2, puis on fait varier le courant linéairement dans le sens opposé pour avoir une pente négative pendant une durée t3 jusqu'à ce que le courant atteigne zéro ampère (0 A) pour former un courant trapézoïdal. La durée t2 est un temps de pause tR. Dans ce protocole tous les instants t1, t2 et t3 peuvent être de même durée ou de durée différente. Ces paramètres sont choisis de manière aléatoire ou avec soin en tenant compte, mais sans s'y limiter, de l'élévation de température, de l'état de la charge, de la capacité de gestion du courant de la batterie. La capacité de gestion du courant dépend du type et de la construction de la batterie, et même de la vitesse maximale de charge de la batterie. Par exemple, dans les cellules cylindriques à base de NMC/graphite, la capacité maximale de gestion du courant est de 10 fois la capacité nominale de la batterie.
Protocole 4 : Référence est faite à la qui montre l'algorithme ou la méthode utilisant l'impulsion de courant dans le protocole 4. Il s'agit de la version modifiée du protocole 3 qui comprend un petit repos (ou temps de pause tR) pendant une durée t4 après le courant trapézoïdal afin de détendre la batterie. La période de repos intermédiaire t4 est choisie de manière aléatoire ou en fonction, mais sans s'y limiter, de l'état de charge, de l'état de santé, du courant maximal autorisé et de la mesure d'entropie.
Protocole 5 : Référence est faite à la , qui montre l'algorithme ou le procédé utilisant l'impulsion de courant triangulaire dans le protocole 5 à deux étages (niveaux d’amplitude positive). Les protocoles 1, 2, 3 et 4 expliqués précédemment sont utilisés en combinaisons dans la phase 1 avec différentes amplitudes du courant dans chaque étage (niveau d’amplitude). Les amplitudes de courant peuvent être choisies de manière aléatoire ou en fonction, mais sans s'y limiter, de l'état de charge, de l'état de santé, du courant maximum admissible et de la mesure d'entropie. Aussi le nombre d'étages dans la phase 1 peut être de plus de deux 2 étages. Il peut avoir n'importe quel nombre d'étapes comprenant une combinaison de protocole 1, protocole 2, protocole 3 et protocole 4. Ces combinaisons sont choisies en fonction, mais sans s'y limiter, de l'état de charge, de l'état de santé, du courant maximal autorisé et de l'entropie de la batterie.
En observant la forme d’onde sur un oscilloscope, l’impulsion de courant triangulaire utilisée pour charger la batterie a par exemple une amplitude de 5,2 A et une fréquence de 500 mHz. Les paramètres et les valeurs de synchronisation peuvent être modifiés en fonction de l’état de charge de la batterie, de l'état de santé, du courant maximal autorisé et de l’entropie de la batterie.
L'avantage de l’utilisation de l’algorithme de la présente invention peut être décrit au moyen de tests de mesures de durée de vie de batterie dans une approche similaire à celle donnée dans la , avec des paramètres correspondant à la batterie.
Deux cellules de batterie notées C1 et C2, avec une valeur nominale de 3,65 V, 2,6 Ah ont été utilisées pour des tests. La cellule C1 était connectée à un équipement de test (canal 1) qui effectuait la charge et le repos conformément à la présente invention (voir les figures 2 et 8). Un courant d'impulsion triangulaire a été utilisé pour charger à 5,2 A, tandis que la décharge a été effectuée à un courant constant de 0,52 A jusqu'à une tension de coupure inférieure à 2,75 V de la cellule soit atteinte.
La cellule C2 était connectée au canal 2 dudit équipement de test qui effectuait une charge à courant constant-tension constante et une décharge à courant constant de l’art antérieur ( ). Pour la charge, le courant a été maintenu à 2,6A jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur maximale de 4,2V suivie d'une tension constante à 4,2V jusqu'à ce que le courant atteigne une valeur minimale de 0,13A. Ensuite a suivi une décharge à courant constant à 0,52A jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur de coupure de 2,75V.
Les résultats de l'expérience de cycles sont comme indiqués sur la et le tableau 1 ci-dessous.
| Nombre de cycles | Capacité de C1 (Ah) | Baisse (%) | Capacité de C2 (Ah) | Baisse (%) |
| 0 | 2,71189 | 0 | 2,60868 | 0 |
| 20 | 2,60743 | 3,85192615 | 2,54778 | 2,39031628 |
| 40 | 2,55669 | 1,94597746 | 2,50373 | 1,75937501 |
| 60 | 2,5088 | 1,87312502 | 2,46525 | 1,56089646 |
| 80 | 2,47646 | 1,2890625 | 2,44252 | 0,93059627 |
| 100 | 2,45251 | 0,9671062A | 2,40755 | 1,45251397 |
| 120 | 2,41896 | 1,36798627 | 2,38721 | 0,85204067 |
| 140 | 2,39184 | 1,12114297 | 2,36059 | 1,12768418 |
| 160 | 2,36071 | 1,30150846 | 2,32219 | 1,65361146 |
| 180 | 2,33593 | 1,04968421 | 2,27359 | 2,13758857 |
| 200 | 2,27778 | 2,48937254 | 2,19841 | 3,41974427 |
| 220 | 2,24559 | 1,41321813 | 2,06307 | 6,56012641 |
| 240 | 2,20535 | 1,79195668 | 1,77886 | 15,9770864 |
| 260 | 2,11861 | 3,93316254 | 1,253732 | 41,8851876 |
D'après le tableau 1 et la , il est clair que les cellules ayant subi des cycles avec l'algorithme selon l’invention (cellule C1) présentent une meilleure rétention de capacité à la fin de 260 cycles en comparaison à la cellule cyclée avec l'algorithme équivalent à courant constant-tension constante de l’art antérieur (cellule C2).
Protocole 6 : Référence est faite à la qui montre l'algorithme ou la méthode utilisant l'impulsion de courant dans le protocole 6. Dans ce protocole, l'amplitude du courant constant est augmentée par pas d'intervalle régulier pour avoir un gradient positif pendant une durée t1 jusqu’à ce que le pic de courant Ipk_csoit atteint ; puis le courant constant est diminué par pas d'intervalle régulier à amplitude constante pendant une durée t2 pour avoir une pente négative jusqu'à ce que le courant atteigne zéro ampère (0 A) pour former un courant triangulaire. Dans ce protocole tous les pas de temps pendant les temps t1 et t2 peuvent être de même durée ou de durée différente. De plus, les amplitudes de pas de courant peuvent être constantes ou différentes du pas précédent. Ce protocole est également une régénération d’une impulsion triangulaire similaire à celle du protocole 1. Ces paramètres sont choisis par exemple dans les plages présentées précédemment. Le choix peut être fait en tenant compte, mais sans s'y limiter, de l'élévation de température, de l'état de la charge, de la capacité de gestion du courant de la batterie.
L'amplitude du courant de crête peut être directement proportionnelle à l'état de charge, à l'état de santé et au temps nécessaire à la recharge qui est défini par l'utilisateur. Par exemple, à 100 % SoH et 0 % SoC, le courant de crête est fixé à 4 fois la capacité de la batterie, et lorsque la batterie se charge à 80 % de SoC, le courant de crête est réduit à 2 fois la capacité de la batterie. Par contre, si la batterie est à 70 % de SoH à 0 % de SoC, le courant de crête est défini sur 3 fois la capacité de la batterie une fois qu'il atteint 80 % de SoC, le courant de crête est réduit à 1,5 fois la capacité de la batterie.
La illustre un schéma d'un exemple de système à cellule C1 unique utilisée pour générer une charge d'impulsion triangulaire dans le protocole 6. Il utilise quatre commutateurs à semi-conducteurs à commande électronique, à savoir S1, S2, S3 et S4. Ces commutateurs peuvent comprendre un transistor à effet de champ à grille isolée (MOSFET), un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT), ou autre moyen de commutation. La référence Vs est la source d'alimentation composée d'un convertisseur DC-DC pour le circuit. Les commutateurs S1, S2, S3 et S4 sont contrôlés à partir d'un microcontrôleur qui fournit des impulsions d'entrée carrées afin d’activer ou de désactiver le courant. Le microcontrôleur module la largeur des impulsions d'entrée carrées de manière progressive pendant une courte durée afin de générer l'impulsion de courant triangulaire. Pour avoir un gradient positif, les commutateurs S1 et S4 sont activés simultanément et les commutateurs S2, S3 sont désactivés. Par contre, pour avoir un gradient négatif, les commutateurs S2 et S3 sont activés simultanément et les commutateurs S1, S4 sont désactivés.
Des essais de simulation ont permis d’estimer une limitation du placage de lithium sur les électrodes dans le cas de l’invention (cellules Li-ion avec électrode positive NMC - oxydes de Nickel Manganèse et Cobalt), démontrant une baisse du vieillissement.
Claims (10)
- Système de contrôle de charge configuré pour être connecté à une batterie, le système de contrôle comprenant :
- un moyen de contrôle de courant pour contrôler un courant (I) quelle que soit la tension (V), pendant une première phase (Ph1), jusqu'à ce que la tension (V) atteigne une valeur de tension maximale (Vmax) ;
- un moyen de contrôle de tension pour contrôler une tension quel que soit le courant (I), pendant une deuxième phase (Ph 2), jusqu'à ce que le courant (I) atteigne une valeur de courant minimale (Imin) ;
caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant est configuré pour mettre en œuvre des impulsions de courant triangulaires (R) et/ou trapézoïdales (Z) à un ou plusieurs niveaux d’amplitude (Ipk_c, Ipk_d), chaque impulsion (R, Z) comprenant un gradient positif constant ou par paliers (p) et un gradient négatif constant ou par paliers (p). - Système de contrôle selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant est en outre configuré pour mettre en œuvre lesdites impulsions entre un niveau de courant nul (0) et ledit niveau d’amplitude (Ipk_c).
- Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant est en outre configuré pour mettre en œuvre au moins une impulsion (R) de courant de charge et au moins une impulsion de courant de décharge (d) pendant ladite première phase (Ph1).
- Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant est configuré pour mettre en œuvre au moins un temps de pause (tR) entre le gradient positif et le gradient négatif, avant ou pendant une impulsion.
- Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de tension est mis en œuvre pour démarrer la deuxième phase de décharge si la tension (V) atteint la valeur de tension maximale (Vmax).
- Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant comprend un convertisseur de courant continu.
- Système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de courant comprend au moins un commutateur à semi-conducteur (S1, S2, S3, S4).
- Appareillage comprenant une batterie et système de contrôle de charge selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, connecté à la batterie.
- Véhicule automobile comprenant un système de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
- Procédé de contrôle de charge pour batterie de traction de véhicule automobile, comprenant :
- une étape de contrôle de courant contrôlant un courant (I) quelle que soit la tension (V), pendant une première phase (Ph1), jusqu'à ce que la tension (V) atteigne une valeur de tension maximale (Vmax) ;
- un étape de contrôle de tension contrôlant une tension de décharge quel que soit le courant (I), pendant une deuxième phase de décharge, jusqu'à ce que le courant (I) atteigne une valeur de courant minimale (Imin) ;
caractérisé en ce que l’étape de contrôle de courant met en œuvre des impulsions de courant triangulaires (R) et/ou trapézoïdales (Z) à un ou plusieurs niveaux d’amplitude (Ipk_c, Ipk_d), chaque impulsion (R, Z) comprenant un gradient positif constant ou par paliers (p) et un gradient négatif constant ou par paliers (p).
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| FR (1) | FR3140221A1 (fr) |
Citations (4)
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| EP3595126A1 (fr) * | 2018-07-09 | 2020-01-15 | Volkswagen AG | Procédé de charge d'une batterie et unité de commande |
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-
2022
- 2022-09-26 FR FR2209718A patent/FR3140221A1/fr active Pending
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