WO2015049300A1

WO2015049300A1 - Procede et appareil d'evaluation de l'etat de sante d'une batterie lithium

Info

Publication number: WO2015049300A1
Application number: PCT/EP2014/071065
Authority: WO
Inventors: Jean-Michel VINASSA; Akram EDDAHECH; Olivier BRIAT
Original assignee: Centre National De La Recherche Scientifique; Universite de Bordeaux; Institut Polytechnique De Bordeaux
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US10036781B2; US20160245876A1; EP3052953A1; JP2016539320A; JP6502331B2; FR3011393A1; FR3011393B1

Abstract

Procédé d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium comprenant : • a) une première étape de recharge de ladite batterie à courant constant, jusqu'à ce que la tension (U) à ses bornes atteigne une valeur limite (Ucv); ensuite • b) une deuxième étape de recharge de ladite batterie à tension constante et égale à ladite valeur limite, jusqu'à ce que le courant de charge (I) devienne inférieur à une valeur de seuil (I _min), une pluralité de mesures du courant de charge étant acquises au cours de ladite deuxième étape de recharge; et • c) une étape d'estimation de l'état de santé de ladite batterie à partir d'au moins un paramètre caractéristique de ladite deuxième étape de recharge à tension constante, tel que le paramètre de décroissance d'une fonction exponentielle interpolant des mesures de courant de charge, l'énergie fournie à ladite batterie au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante ou la durée de ladite étape de chargement à tension constante. L'invention concerne également un appareil pour la mise en oeuvre d'un tel procédé et un système de gestion de batterie comprenant un tel appareil.

Description

PROCEDE ET APPAREIL D'EVALUATION DE L'ETAT DE SANTE D'UNE

BATTERIE LITHIUM

L'invention porte sur un procédé pour l'évaluation de « état de santé » d'une batterie lithium, et notamment de la perte de capacité provoquée par le vieillissement d'une telle batterie.

L'invention porte également sur un appareil pour la mise en œuvre d'un tel procédé et sur un système de gestion de batterie intégrant un tel appareil.

L'invention s'applique notamment, mais pas exclusivement, au domaine des batteries pour l'alimentation de véhicules terrestres électriques ou hybrides.

Les batteries ou accumulateurs lithium - dans leurs différentes variantes telles que les batteries « lithium-ion », « lithium-ion- polymère », « lithium-métal-polymère » etc. - sont les batteries présentant la plus grande densité d'énergie et la plus grande énergie spécifique. Il s'agit donc de la technologie de choix pour l'alimentation des véhicules électriques ou hybrides, mais également de nombreux dispositifs portables. Cependant, il est connu que ces batteries présentent une dégradation de leurs performances - et notamment de leur capacité - au cours du temps, et cela même pendant les périodes de non utilisation (on parle alors de « vieillissement calendaire »). Par conséquent, l'estimation de l'état de santé (« State Of Health », ou SOH) de ces batteries - quantifié par exemple par la capacité actuelle rapportée soit à sa valeur affichée (« commerciale »), soit à sa valeur mesurée à l'état neuf - constitue une des tâches les plus importantes des systèmes de gestion des batteries (« Battery Management

System », BMS) présents dans tous les véhicules électriques ou hybrides.

Cette tâche n'est pas aisée. Plusieurs techniques ont été développées pour l'accomplir, mais aucune ne donne pleine satisfaction.

La spectroscopie d'impédance électrochimique est une technique très utile pour étudier le vieillissement des batteries au travers du suivi des paramètres d'un modèle d'impédance. Mais elle est complexe à mettre en œuvre, coûteuse et ne permet pas d'accéder à la capacité. De plus, elle ne peut pas être embarquée au sein d'un BMS. Voir à ce propos :

T. Hang, D. Mukoyama, H. Nara, N. Takami, T. Momma et T. Osaka, « Electrochemical impédance spectroscopy analysis for lithium-ion battery using Li4Ti5012 anode », Journal of Power Sources, vol. 222, pp. 442-447, 2013 ; et

- A. Eddahech, O. Briat, H. Henry, J.-Y. Delétage, E. Woirgard et J.-M. Vinassa, « Aging monitoring of lithium-ion cell during power cycling tests », Microelectronics Reliability Journal, vol. 51 , N ° 9-1 1 , pp. 1968- 1971 , 201 1 .

D'autres méthodes, mieux adaptées à une utilisation en ligne, exploitent les techniques de l'intelligence artificielle, telles que les réseaux de neurones ou la logique floue. Voir par exemple W.X. Shen, C.C. Chan, E.W.C.

Lo et K.T. Chau, « A new battery available capacity indicator for electric vehicles using neural network », Energy Conversion and Management, vol.

43, no. 6, pp. 817-826, 2002.

Ces méthodes mettent en œuvre des algorithmes complexes, qui nécessitent une puissance de calcul importante. En outre, elles nécessitent une longue étape d'apprentissage.

D'autres techniques sont basées sur l'identification des paramètres d'un modèle, par exemple par filtrage de Kalman. Voir, par exemple :

S. Wang, M. Verbrugge, J.S. Wang et P. Liu, « Multi- parameter battery state estimator based on the adaptive and direct solution of the governing differential équations », Journal of Power Sources, vol. 196, pp.8735-8741 , 201 1 ; et

A. Eddahech, O. Briat et J.M. Vinassa, « Real-Time SOC and SOH Estimation for EV Li-lon Cell Using Online Parameters Identification », dans Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition conf., 2012, Raleigh, North Carolina, Etats-Unis. Ces techniques utilisent des algorithmes d'identification complexes, nécessitant un traitement numérique lourd. En outre, leur mise en œuvre présuppose qu'un modèle fin et précis de la batterie soit disponible.

Le document US 2001 /0022518 enseigne un procédé d'estimation de l'état de santé d'une batterie à partir du temps U/2 nécessaire pour que le courant de charge de ladite batterie soit divisé par deux au cours de la phase à tension constante d'une recharge du type « courant constant - tension constante ». Ce document montre, toutefois, que la relation entre U/2 et l'état de santé n'est pas univoque.

Le document FR 2 977 678 divulgue un procédé similaire, dans lequel l'état de santé est estimé à partir du temps nécessaire pour que le courant franchisse deux seuils - définis de manière arbitraire - au cours de ladite phase de charge à tension constante.

L'invention vise à surmonter les inconvénients précités et à procurer une méthode d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium qui soit à la fois simple à mettre en œuvre, fiable et précise sans pour autant rallonger la phase de recharge ni provoquer de vieillissement supplémentaire.

Conformément à l'invention, ce but est atteint en estimant l'état de santé d'une batterie à partir de la simple observation de l'étape à tension constante de sa recharge. On entend par « recharge » l'opération consistant à charger de manière complète ou quasi-complète (par exemple, 95% ou plus de la capacité disponible) après une période d'utilisation, par opposition à des « charges » partielles pouvant se produire en cours d'utilisation (par exemple, dans le cas d'un véhicule électrique, lors d'un freinage à récupération d'énergie).

Un objet de l'invention est donc un procédé d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium comprenant :

a) une première étape de recharge de ladite batterie à courant constant, jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne une valeur limite ; ensuite b) une deuxième étape de recharge de ladite batterie à tension constante et égale à ladite valeur limite, jusqu'à ce que le courant de charge devienne inférieur à une valeur de seuil ; et

c) une étape d'estimation de l'état de santé de ladite batterie à partir desdites mesures du courant de charge acquises au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante.

Le procédé peut comprendre en particulier l'acquisition d'une pluralité de mesures du courant de charge au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante. En outre, ladite étape c) peut comprendre les sous-étapes suivantes :

c1 ) estimer la constante de décroissance B d'une fonction exponentielle négative interpolant lesdites mesures du courant de charge ; et c2) estimer ledit état de santé à partir de ladite constante de décroissance B.

Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :

Ladite sous-étape c2 peut être mise en œuvre au moyen d'une fonction linéaire reliant ladite constante de décroissance B à une perte de capacité de ladite batterie.

Ladite batterie peut être une batterie lithium-ion.

- Plus particulièrement, ladite batterie peut être une batterie lithium-ion à nickel, manganèse et cobalt (NMC). Dans ce cas, le procédé peut comprendre également :

d) une étape de détection d'une inflexion dans une courbe représentant lesdites mesures du courant de charge acquises au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante.

Un autre objet de l'invention est un appareil d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium comprenant : un chargeur du type à courant constant - tension constante, adapté pour charger une dite batterie à courant constant jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne une valeur limite, puis à tension constante et égale à ladite valeur limite jusqu'à ce que le courant de charge devienne inférieur à une valeur de seuil ; un dispositif de surveillance de la recharge de ladite batterie ; et un dispositif de traitement des données configuré ou programmé pour coopérer avec ledit chargeur et avec ledit dispositif de surveillance afin de mettre en œuvre un tel procédé.

Encore un autre objet de l'invention est un système de gestion de batterie comprenant un tel appareil.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

La figure 1 , l'évolution temporelle de la tension et du courant de charge d'une batterie lithium au cours d'une recharge à courant constant - tension constante ;

La figure 2, la succession d'étapes d'un procédé d'évaluation de l'état de santé d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention ;

Les figures 3A, 3B et 3C, l'interpolation de l'évolution temporelle du courant de charge au cours de l'étape de recharge à tension constante par une fonction exponentielle négative pour trois technologies de batteries à des états de vieillissement différents ;

Les figures 4A, 4B et 4C, la corrélation entre le paramètre de décroissance de ladite fonction exponentielle négative et la perte de capacité pour les trois dites technologies de batteries précédentes ;

La figure 5, la corrélation entre la capacité déchargée relative et la durée relative de la phase de recharge à tension constante.

La figure 6, un graphique illustrant la corrélation entre l'énergie relative de recharge à tension constante et la perte de capacité pour une batterie lithium soumise à vieillissement ;

La figure 7, un schéma fonctionnel d'un appareil d'évaluation de l'état de santé d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention, intégré à un système de gestion de batterie ; et

La figure 8, des courbes illustrant l'évolution temporelle du courant de charge au cours du chargement de batteries NMC à différents stades de vieillissement. Les batteries lithium sont très généralement chargées suivant une modalité dite à courant constant - tension constante (CC-CV, pour l'expression anglaise « Constant Current - Constant Voltage »). Cette modalité, illustrée sur la figure 1 , consiste à réaliser une première phase de recharge au cours de laquelle un courant de charge constant l=lcc est fourni à la batterie, dont la tension U augmente jusqu'à une valeur maximale U_Cv ; puis à réaliser une deuxième phase de recharge au cours de laquelle la tension U est maintenue constante et égale à Ucv, tandis que le courant I diminue. La recharge se termine lorsque le courant I décroit jusqu'à une valeur minimale lmin<lcc propre à la technologie de la batterie. Les inventeurs se sont rendu compte que l'état de santé d'une batterie peut être évalué de manière fiable à partir d'un ou plusieurs paramètres caractérisant cette deuxième étape de recharge à tension constante (« étape CV »). Ainsi, l'estimation de l'état de santé se fait au cours de la recharge de la batterie - nécessaire pour son utilisation normale - sans besoin d'opérations de mesure dédiées consommatrices en ressources et en temps.

Les inventeurs sont en mesure de proposer une explication vraisemblable du fait - constaté expérimentalement - que l'observation de l'étape de recharge à tension constante fournit suffisamment d'information pour évaluer l'état de santé d'une batterie. En effet, un des mécanismes majeurs responsables de la dégradation de la capacité d'une batterie lithium au cours du temps est la formation d'une interface d'électrolyte solide (SEI, pour « Solid Electrolyte Interface ») qui fait obstacle à l'intercalation des ions lithium dans le matériau de l'anode et de la cathode. Or, cette intercalation se produit essentiellement au cours de l'étape à tension constante de la recharge.

La figure 2 illustre la succession d'étapes d'un procédé selon l'invention :

La première étape de recharge à courant constant ;

- La deuxième étape de recharge à tension constante ; La mesure, détermination ou estimation d'au moins un paramètre caractéristique de cette deuxième étape de recharge à tension constante ;

La détermination d'au moins une grandeur SOH indicative de l'état de santé de la batterie (par exemple, sa capacité rapportée à la capacité de ladite batterie à l'état neuf, ou à sa capacité annoncée) à partir dudit ou d'au moins un dit paramètre. Cette dernière étape est rendue possible par une étape préalable d'étalonnage dans laquelle on établit une relation entre ledit ou chaque paramètre et l'état de santé de la batterie. L'étalonnage nécessite une méthode de référence de détermination de l'état de santé de la batterie. Cette méthode peut être, par exemple, une mesure de capacité réalisée lors d'une décharge complète de la batterie (mesure de « capacité déchargée »).

Pour que la détermination de l'état de santé de la batterie soit fiable, on suppose que la recharge est effectuée à une température contrôlée (par exemple 25 ° C) ou au moins connue (dans ce derrier cas, l'étalonnage doit permettre de tenir compte de l'effet de la température sur la relation existante entre le paramètre caractérisant l'étape de recharge à tension constante et l'état de santé).

Selon un mode de réalisation de l'invention, le paramètre caractérisant l'étape de recharge à tension constante est le paramètre de décroissance B d'une fonction exponentielle négative

l(t)=A-e^"Bt+C

interpolant l'évolution du courant de charge mesuré I en fonction du temps t (t=0 correspondant au début de l'étape de recharge à tension constante). Les figures 3A - 3C permettent de vérifier la qualité d'une telle interpolation, les courbes continues représentant la fonction d'interpolation étant pratiquement superposées aux points de mesure. Les trois courbes présentées dans ces figures concernent trois technologies de batterie au Lithium - Nickel Cobalt Aluminium (NCA, fig. 3A), Nickel Manganèse Cobalt (NMC, fig. 3B), Lithium Oxyde de Manganèse (LMO, fig. 3C) - chacune étant dans un état de santé distinct. Le paramètre B peut être relié à la perte de capacité de la batterie, exprimant son état de santé, par une fonction linéaire, comme illustré par les figures 4A, 4B et 4C qui correspondent aux trois courbes des figures 3A, 3B et 3C, respectivement. Ces trois exemples ne sont pas limitatifs. Dans tous les cas, le critère de qualité R² de l'identification par la méthode des moindres carrés est très proche de 1 , ce qui est très satisfaisant.

Le paramètre B se révèle être un bien meilleur indicateur de l'état de santé d'une batterie que le temps U/2 nécessaire à diviser le courant de charge par 2, utilisé par exemple dans le document US 2001 /0022518 précité. En effet, comme évoqué plus haut, la relation entre U/2 et l'état de santé de la batterie n'est ni linéaire, ni univoque (deux états de santé différents peuvent être associés à la même valeur de ti/₂).

Dans le cas d'une batterie de type LFP (lithium - phosphate de fer), l'état de santé peut plus simplement être déterminé à partir de la durée mesurée de l'étape de recharge à tension constante. Plus précisément on trouve que cette durée mesurée, rapportée à sa durée lors de la recharge initiale, est proportionnelle à l'état de santé de la batterie. La figure 5, qui se rapporte au cas d'une batterie de technologie Lithium Phosphate de Fer (LFP), est un graphique montrant :

- une première courbe représentant l'évolution, au cours du vieillissement, de l'état de santé SOH d'une telle batterie - exprimé par la capacité déchargée de la batterie rapportée à sa valeur à l'état neuf ; et

une seconde courbe représentant l'évolution de la durée Tcv de la phase à tension constante de la recharge - également rapportée à sa valeur à l'état neuf.

On peut vérifier que les courbes sont très proches. Par conséquent, dans ce cas, une estimation de l'état de santé peut être déduite directement de la durée de la phase de recharge à tension constante relativement à sa valeur à l'état neuf.

Quel que soit le mode de réalisation considéré, la relation entre le paramètre caractéristique de l'étape de recharge à tension constante (paramètre B ou durée de l'étape) ne doit pas nécessairement être exprimée par une fonction mathématique linéaire ou non linéaire ; il peut également s'agir, par exemple, d'un tableau de correspondance.

Dans le cas d'une batterie de type NMC (lithium-ion à nickel, manganèse et cobalt), en outre, un état de vieillissement avancé peut être identifié en détectant un écart de la courbe l(t) en phase CV par rapport à une exponentielle décroissante. Cet écart prend la forme d'une inflexion (changement de convexité) ou « bosse » qui se produit après une phase de décroissance rapide du courant. Cet effet est illustré sur la figure 8, où les courbes CUO, CU1 , CU2 et CU3 correspondent à différents états de vieillissement d'une batterie Li-ion NMC. Plus précisément, la courbe CUO correspond à la batterie neuve, la courbe CU1 à la batterie après un stockage de 770 jours à charge maximale et à une température de 45 °C, la courbe CU2 à la batterie après un stockage de 920 jours dans les mêmes conditions et la courbe CU3 à la batterie après un stockage de 1060 jours, toujours dans les mêmes conditions. Les courbes ont été décalées temporellement pour faciliter leur identification. On remarque que, dans le cas de la batterie neuve (courbe CUO), la décroissance du courant de charge au cours de la phase CV est bien décrite par une loi exponentielle caractérisée par une certaine valeur du paramètre de décroissance B. Au fur et à mesure que la batterie vieillit, le paramètre B diminue (la décroissance du courant se fait plus lente), mais surtout on remarque l'apparition d'une « bosse » de plus en plus prononcée, qui rend la loi exponentielle moins pertinente. On peut considérer que la courbe CU3 - pour laquelle ladite loi exponentielle n'est clairement pas une approximation satisfaisante - correspond à la fin de la vie utile de la batterie.

Ainsi - en complément ou en remplacement de l'estimation de l'état de santé de la batterie à partir du paramètre B - un état de vieillissement avancé peut être identifié en détectant l'apparition d'une inflexion dans la courbe l(t) au cours de la phase CV de la recharge. Cette détection peut être effectuée par simple observation de la courbe ou, de préférence, de manière automatique, par calcul d'un paramètre représentatif de la déviation de ladite courbe d'une exponentielle décroissante et comparaison de la valeur de ce paramètre à une valeur de référence. Ce paramètre peut être, par exemple, un écart quadratique entre le courant mesuré et son interpolation par une fonction exponentielle.

On peut supposer que l'inflexion dans la décroissance du courant au cours de la phase CV de la recharge est due à un ralentissement de l'insertion des ions de lithium provoquée par la croissance d'une couche d'électrolyte solide au niveau de l'anode.

La figure 7 illustre le schéma fonctionnel d'un appareil selon un mode de réalisation de l'invention, intégré à un système de gestion de batterie BMS, par exemple dans un véhicule électrique ou hybride. Le dispositif comprend un chargeur conventionnel CHG du type à courant constant - tension constante, chargeant une batterie lithium BATT ; un dispositif de surveillance de charge DSC et un dispositif de traitement des données, ou processeur, PR. Le dispositif de surveillance DSC comprend par exemple un capteur de courant, pour mesurer le courant de charge I, et un capteur de tension, pour mesurer la tension U aux bornes de la batterie BATT. Ce dispositif peut être intégré au chargeur CHG ou à la batterie BATT. Le dispositif de traitement des données PR (de préférence, un processeur numérique ou une carte électronique comprenant un tel processeur) est programmé et/ou configuré pour recevoir les mesures issues du dispositif de surveillance de charge et s'en servir pour calculer un indicateur SOH de l'état de santé de la batterie comme cela a été décrit plus haut. Le processeur PR peut également piloter le chargeur CHG, par exemple en commandant la transition entre la première étape de charge à courant constant et la deuxième étape de charge à tension constante, ainsi que l'arrêt de la charge lorsque l(t) atteint sa valeur minimale Un-

Claims

REVENDICATIONS

1 . Procédé d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium (BATT) comprenant :

a) une première étape de recharge de ladite batterie à courant constant, jusqu'à ce que la tension (U) à ses bornes atteigne une valeur limite (U_Cv) ; ensuite

b) une deuxième étape de recharge de ladite batterie à tension constante et égale à ladite valeur limite, jusqu'à ce que le courant de charge (I) devienne inférieur à une valeur de seuil (l_min), une pluralité de mesures du courant de charge étant acquises au cours de ladite deuxième étape de recharge ; et

c) une étape d'estimation de l'état de santé de ladite batterie à partir desdites mesures du courant de charge acquises au cours de ladite deuxième étape de recharge à tension constante ;

caractérisé en ce que ladite étape c) d'estimation de l'état de santé de ladite batterie comprend les sous-étapes suivantes :

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ladite sous- étape c2 est mise en œuvre au moyen d'une fonction linéaire reliant ladite constante de décroissance B à une perte de capacité de ladite batterie.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant également une étape préalable d'étalonnage, comportant la détermination d'une relation liant ledit ou chaque dit paramètre caractéristique de ladite deuxième étape de recharge à tension constante audit état de santé de la batterie.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite batterie est une batterie lithium-ion.

5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel ladite batterie est une batterie lithium-ion à nickel, manganèse et cobalt, le procédé comprenant également :

6. Appareil d'évaluation de l'état de santé d'une batterie lithium comprenant :

un chargeur (CHG) du type à courant constant - tension constante, adapté pour charger une dite batterie (BATT) à courant constant jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne une valeur limite, puis à tension constante et égale à ladite valeur limite jusqu'à ce que le courant de charge devienne inférieur à une valeur de seuil ;

un dispositif de surveillance (DSC) de la recharge de ladite batterie ; et

- un dispositif de traitement des données (PR) configuré ou programmé pour coopérer avec ledit chargeur et avec ledit dispositif de surveillance afin de mettre en œuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes.

7. Système de gestion de batterie (BMS) comprenant un appareil selon la revendication 6.