État de charge de la batterie au lithium

Mesure de l'état de charge (SoC) du lithium-ion

Les batteries lithium-ion sont utilisées de manière récurrente dans une variété d'applications.Pour assurer une utilisation efficace de la batterie et une durée de vie plus longue, le systèmes de gestion de batterie (BMS) sont employés.Les BMS récents deviennent sophistiqués et occasionnent un surcoût de consommation plus élevé sur la batterie.Le SoC estimé est calibré à l'aide d'une relation entre la tension en circuit ouvert (OCV) et la courbe SoC.La comparaison du système conçu est faite avec les homologues traditionnels.Les résultats démontrent une surperformance de plus du troisième ordre de grandeur du système proposé en termes de gain de compression et d'efficacité de calcul tout en assurant une précision d'estimation SoC analogue.

Définition et classification de l'estimation du COS

Le SOC est l'un des paramètres les plus importants pour les batteries, mais sa définition présente de nombreux problèmes différents.En général, le SOC d'une batterie est défini comme le rapport de sa capacité actuelle () à la capacité nominale ().La capacité nominale est donnée par le fabricant et représente la charge maximale pouvant être stockée dans la batterie.Le SOC peut être défini comme suit :

État de charge (SoC) est le niveau de charge d'une batterie électrique par rapport à sa capacité.Les unités de SoC sont des points de pourcentage (0 % = vide ; 100 % = plein).Une forme alternative de la même mesure est la profondeur de décharge (DoD), l'inverse du SoC (100 % = vide ; 0 % = plein).

Il existe plusieurs façons d'obtenir une mesure de l'état de charge (SoC) du lithium-ion ou Profondeur de décharge (DoD) pour une batterie au lithium.Certaines méthodes sont assez compliquées à mettre en oeuvre et nécessitent des équipements complexes (spectroscopie d'impédance ou jauge hydrométrique pour les batteries au plomb).

Nous allons détailler ici les deux méthodes les plus courantes et les plus simples pour estimer l'état de charge d'une batterie : la méthode de la tension ou Tension en circuit ouvert (OCV ) et méthode de comptage coulombien.

1/ Estimation du SoC à l'aide de la méthode de tension en circuit ouvert (OCV)

Tous les types de batteries ont un point commun : la tension à leurs bornes diminue ou augmente en fonction de leur niveau de charge.La tension sera la plus élevée lorsque la batterie est complètement chargée et la plus faible lorsqu'elle est vide.

Cette relation entre tension et SOC dépend directement de la technologie de batterie utilisée.A titre d'exemple, le schéma ci-dessous compare les courbes de décharge entre une batterie au plomb et une batterie Lithium-Ion.

On constate que les batteries au plomb ont une courbe relativement linéaire, ce qui permet une bonne estimation de l'état de charge : pour une tension mesurée, il est possible d'estimer assez précisément la valeur du SoC associé.

Cependant, les batteries lithium-ion ont une courbe de décharge beaucoup plus plate, ce qui signifie que sur une large plage de fonctionnement, la tension aux bornes de la batterie change très légèrement.

La technologie Lithium Fer Phosphate possède la courbe de décharge la plus plate, ce qui rend très difficile l'estimation du SoC sur une simple mesure de tension.En effet, la différence de tension entre deux valeurs de SoC peut être si faible qu'il n'est pas possible d'estimer l'état de charge avec une bonne précision.

Le schéma ci-dessous montre que la différence de mesure de tension entre une valeur de DoD de 40% et 80% est d'environ 6,0V pour une batterie 48V en technologie plomb-acide, alors qu'elle n'est que de 0,5V pour le lithium-fer-phosphate !

Cependant, des indicateurs de charge calibrés peuvent être utilisés spécifiquement pour les batteries lithium-ion en général et les batteries lithium fer phosphate en particulier.Une mesure précise, couplée à une courbe de charge modélisée, permet d'obtenir des mesures SoC avec une précision de 10 à 15%.

2/ Estimation du SoC par la méthode Coulomb Counting

Pour suivre l'état de charge lors de l'utilisation de la batterie, la méthode la plus intuitive consiste à suivre le courant en l'intégrant lors de l'utilisation de la cellule.Cette intégration donne directement le nombre de charges électriques injectées ou retirées de la batterie, permettant ainsi de quantifier précisément le SoC de la batterie.

Contrairement à la méthode OCV, cette méthode est capable de déterminer l'évolution de l'état de charge lors de l'utilisation de la batterie.Il n'est pas nécessaire que la batterie soit au repos pour effectuer une mesure précise.

Comptoir coulombien

Bien que la mesure du courant soit effectuée par une résistance de précision, de petites erreurs de mesure peuvent se produire, liées à la fréquence d'échantillonnage.Pour corriger ces erreurs marginales, le compteur de coulomb est recalibré à chaque cycle de charge.

Lithium-Ion État de charge (SoC) la mesure effectuée par comptage coulombien permet une erreur de mesure inférieure à 1%, ce qui permet une indication très précise de l'énergie restant dans la batterie.Contrairement à la méthode OCV, le comptage de coulomb est indépendant des fluctuations de puissance de la batterie (qui provoquent des chutes de tension de la batterie) et la précision reste constante quelle que soit l'utilisation de la batterie.