État de charge de la batterie au lithium (SOC)

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

L'utilisation de batteries lithium-ion est répandue dans diverses applications. Afin de maximiser leur efficacité et leur durée de vie, systèmes de gestion de batterie (BMS) sont utilisés. Cependant, il est important de noter que les progrès récents de la technologie BMS ont entraîné une augmentation de la consommation d’énergie, ce qui peut avoir un impact négatif sur les performances de la batterie.

Pour résoudre ce problème, une approche innovante a été développée. L'état de charge estimé (SOC) de la batterie est calibré à l'aide d'une relation entre la tension en circuit ouvert (OCV) et la courbe SOC déclenchée par un événement. Cette méthode garantit une estimation précise du SOC tout en minimisant la consommation d’énergie.

Pour valider l'efficacité de cette approche, une comparaison a été faite avec les systèmes BMS traditionnels. Les résultats démontrent clairement la supériorité du système proposé. Il surpasse ses homologues traditionnels de plus d'un tiers en termes de gain de compression et d'efficacité de calcul. Il est important de noter que ces performances améliorées ne compromettent pas la précision de l’estimation du SOC.

En conclusion, le système proposé offre une solution aux défis posés par la technologie BMS sophistiquée. En utilisant une relation de courbe OCV à SOC pilotée par les événements, il permet d'obtenir des améliorations significatives en termes de gain de compression et d'efficacité de calcul. Cette approche innovante garantit une utilisation efficace de la batterie et une durée de vie plus longue, sans compromettre la précision de l'estimation du SOC.

Définition et classification de l'estimation du SOC

Le SOC est l’un des paramètres les plus importants pour les batteries, mais sa définition présente de nombreux problèmes différents. De manière générale, le SOC d'une batterie est défini comme le rapport de sa capacité actuelle () sur la capacité nominale (). La capacité nominale est donnée par le fabricant et représente la quantité maximale de charge 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 du lithium-ion (SOC) ou Profondeur de décharge (DOD) pour une batterie au lithium. Certaines méthodes sont assez compliquées à mettre en œuvre et nécessitent des équipements complexes (spectroscopie d'impédance ou hydromètre pour les batteries au plomb).

Nous détaillerons 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 coulomb.

1/ Estimation du SOC par 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 basse 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 présente 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 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 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 une batterie 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 de 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 soutirées à 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.

Compteur Coulomb

Pour garantir une mesure précise du courant, il est important de remédier à toute erreur potentielle pouvant survenir en raison de la fréquence d'échantillonnage. Même si la mesure du courant est généralement effectuée à l'aide d'une résistance de précision, de petites erreurs peuvent néanmoins survenir. Ces erreurs peuvent être attribuées à la fréquence d’échantillonnage, qui peut introduire des inexactitudes marginales. Il existe cependant une solution pour rectifier ces erreurs et garantir des mesures précises.

Pour corriger les erreurs marginales causées par la fréquence d'échantillonnage, le compteur coulomb subit un réétalonnage à chaque cycle de charge. Ce processus de réétalonnage est crucial pour maintenir la précision de la mesure du courant. En réétalonnant le compteur coulomb, toutes les erreurs ayant pu se produire lors du cycle de charge précédent sont corrigées, garantissant ainsi que les mesures ultérieures sont précises et fiables.

En mettant en œuvre ce processus de recalibrage, la précision de la mesure du courant est considérablement améliorée. Il permet d'identifier et de corriger toute erreur marginale qui aurait pu être introduite en raison de la fréquence d'échantillonnage. Cela garantit que les mesures obtenues sont très précises et peuvent être fiables pour diverses applications, telles que la recherche scientifique, les processus industriels ou la conception de circuits électroniques.

En conclusion, même si la mesure du courant à l’aide d’une résistance de précision est généralement fiable, de petites erreurs peuvent néanmoins survenir en raison de la fréquence d’échantillonnage. Cependant, en recalibrant le compteur coulomb à chaque cycle de charge, ces erreurs marginales peuvent être corrigées. Cela garantit que les mesures obtenues sont très précises et fiables pour un large éventail d'applications. En mettant en œuvre ce processus de réétalonnage, vous pouvez avoir confiance dans la précision et la fiabilité de vos mesures actuelles.

Lithium-Ion État de charge (SOC) la mesure effectuée par comptage coulomb permet une erreur de mesure inférieure à 1%, ce qui permet une indication très précise de l'énergie restante dans la batterie. Contrairement à la méthode OCV, le comptage 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.