Théorie de la charge et de la décharge des batteries au lithium et méthode de calcul de la conception de la capacité de la batterie – Taipu Technology

1. Introduction aux batteries lithium-ion 1.1 État de charge ; L’état de charge peut être défini comme l’état d’énergie disponible d’une batterie, généralement exprimé en pourcentage. Étant donné que l’énergie disponible peut varier en raison du courant de charge/décharge, de la température et des phénomènes de vieillissement, la définition de l’état de charge est également divisée en deux types : État absolu ...

Théorie de la charge et de la décharge des batteries au lithium et méthode de calcul de la conception de la capacité de la batterie

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1. Introduction aux batteries lithium-ion

1.1 État de charge ; SOC

L’état de charge peut être défini comme l’état d’énergie disponible d’une batterie, généralement exprimé en pourcentage. Étant donné que l’énergie disponible peut varier en raison du courant de charge/décharge, de la température et des phénomènes de vieillissement, la définition de l’état de charge est également divisée en deux types : l’état de charge absolu (ASOC) et l’état de charge relatif (RSOC). En règle générale, la plage de RSOC est de 0 % à 100 %, où 100 % représente une batterie complètement chargée et 0 % représente une batterie complètement déchargée. L’ASOC, quant à lui, est une valeur de référence calculée sur la base de la valeur de capacité fixe conçue lors de la fabrication de la batterie. L’ASOC d’une batterie neuve entièrement chargée est de 100 %, mais une batterie vieillissante, même lorsqu’elle est complètement chargée, peut ne pas atteindre 100 % dans différentes conditions de charge/décharge.

Le graphique ci-dessous illustre la relation entre la tension et la capacité de la batterie à différents taux de décharge. Au fur et à mesure que le taux de décharge augmente, la capacité de la batterie diminue. De plus, la capacité de la batterie diminue également à des températures plus basses.

Graphique 1. La relation entre la tension et la capacité à différents taux de décharge et températures.

1.2 Tension de charge maximale

La tension de charge maximale d’une batterie est déterminée par sa composition chimique et ses caractéristiques. Pour les batteries au lithium, la tension de charge varie généralement entre 4,2 V et 4,35 V. Cependant, les valeurs de tension peuvent varier en fonction des matériaux spécifiques de la cathode et de l’anode utilisés dans la batterie.

1.3 Complètement chargé

Lorsque la différence de tension entre la tension de la batterie et la tension de charge maximale est inférieure à 100 mV et que le courant de charge est réduit à C/10, la batterie peut être considérée comme complètement chargée. Les conditions spécifiques pour qu’une batterie soit considérée comme complètement chargée peuvent varier en fonction de ses caractéristiques.

Le graphique ci-dessous représente une courbe caractéristique de charge typique d’une batterie au lithium. Lorsque la tension de la batterie atteint la tension de charge maximale et que le courant de charge est réduit à C/10, la batterie est considérée comme complètement chargée.

Graphique 2. Courbe caractéristique de charge de la batterie au lithium

1.4 Mini tension de décharge

La tension de décharge minimale peut être définie comme la tension de décharge de coupure, qui est généralement la tension lorsque l’état de charge est de 0 %. Cette valeur de tension n’est pas fixe mais change en fonction de facteurs tels que la charge, la température, le degré de vieillissement ou autres.

1.5 Décharge complète

Lorsque la tension de la batterie est inférieure ou égale à la tension de décharge minimale, on peut parler de décharge complète.

1.6 Taux C

Le taux de charge/décharge est une représentation du courant de charge ou de décharge par rapport à la capacité de la batterie. Par exemple, si une batterie est déchargée à 1C, idéalement, elle serait complètement déchargée au bout d’une heure. Des taux de charge/décharge différents entraînent des capacités disponibles différentes. En général, des taux de charge/décharge plus élevés entraînent des capacités disponibles plus petites.

1.7Le nombre de cycles fait référence au nombre de cycles complets de charge et de décharge qu’une batterie subit et peut être estimé en fonction de la capacité réelle déchargée et de la capacité nominale. Chaque fois que la capacité déchargée accumulée atteint la capacité nominale, elle compte pour un cycle. En règle générale, après environ 500 cycles de charge et de décharge, la capacité de la batterie complètement chargée peut diminuer d’environ 10 à 20 %.

Graphique 3. Relation entre les temps de cycle et la capacité de la batterie

1.8 Autodécharge

L’autodécharge de toutes les batteries augmente avec la température. L’autodécharge n’est essentiellement pas un défaut de fabrication, mais plutôt une caractéristique inhérente aux batteries. Cependant, une mauvaise manipulation pendant le processus de fabrication peut également contribuer à une augmentation de l’autodécharge. En règle générale, pour chaque augmentation de 10 °C de la température, le taux d’autodécharge double. Les batteries lithium-ion ont un taux d’autodécharge d’environ 1 à 2 % par mois, tandis que diverses batteries à base de nickel ont un taux d’autodécharge d’environ 10 à 15 % par mois.

Graphique 4. Performance du taux d’autodécharge de la batterie au lithium à différentes températures
  • 2.1 Introduction à la jauge de capacité de la batterie
  • 3.2.1 Introduction à la fonctionnalité de la jauge de carburant de la batterie

La gestion de la batterie peut être considérée comme faisant partie de la gestion de l’alimentation. Dans la gestion de la batterie, la jauge de capacité de la batterie est chargée d’estimer la capacité de la batterie. Sa fonction de base est de surveiller la tension, le courant de charge/décharge et la température de la batterie, et d’estimer l’état de charge (SOC) et la capacité de charge complète (FCC) de la batterie. Il existe deux méthodes typiques pour estimer l’état de charge (SOC) d’une batterie : la méthode de la tension en circuit ouvert (OCV) et la méthode du comptage coulombien. Une autre méthode est l’algorithme de tension dynamique conçu par RICHTEK.

2.2 Méthode de tension en circuit ouvert

Avec une jauge de carburant basée sur la méthode de tension en circuit ouvert (OCV), le processus de mise en œuvre est relativement simple. Il implique de référencer une table de correspondance qui met en corrélation la tension en circuit ouvert avec l’état de charge (SOC) correspondant. La méthode OCV suppose que la batterie a été au repos pendant environ 30 minutes, et la tension mesurée pendant cette période de repos représente la tension aux bornes de la batterie.

Différentes charges, températures et conditions de vieillissement de la batterie peuvent entraîner des variations de la courbe de tension de la batterie. Par conséquent, une table de consultation fixe pour la tension en circuit ouvert ne peut pas représenter entièrement l’état de charge (SOC). Il n’est pas fiable de se fier uniquement aux tables de recherche pour estimer le SOC. En d’autres termes, si le SOC est estimé uniquement sur la base de tables de correspondance, il y aura une marge d’erreur importante.

Graphique 5. Tension de la batterie pendant la charge et la décharge

Sur la base de la figure fournie, il est évident qu’il existe une différence significative dans l’état de charge (SOC) sous différentes charges pendant la décharge. Par conséquent, en général, la méthode de la tension en circuit ouvert (OCV) ne convient qu’aux systèmes avec de faibles exigences de précision pour l’estimation du SOC, tels que les applications automobiles utilisant des batteries au plomb ou des alimentations sans coupure (UPS).

Graphique 6. Tension de la batterie sous différentes charges pendant la décharge

2.3 Méthode de comptage de Coulomb

Le principe de fonctionnement de la méthode de comptage coulombaire consiste à connecter une résistance de détection dans le chemin de charge/décharge de la batterie. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) mesure la tension aux bornes de la résistance de détection, qui est ensuite convertie en valeur de courant entrant ou sortant de la batterie pendant la charge ou la décharge. Un compteur en temps réel (RTC) est utilisé pour intégrer cette valeur actuelle au fil du temps, fournissant des informations sur la quantité de coulombs qui ont circulé dans la batterie.

Graphique 7. Méthode de travail de base de la méthode de comptage coulombaire

La méthode de comptage coulomb permet de calculer avec précision l’état de charge (SOC) en temps réel pendant les processus de charge ou de décharge. En utilisant le compteur de coulomb de charge et le compteur de coulomb de décharge, il peut calculer la capacité restante (RM) et la capacité de charge complète (FCC). Le SOC peut être dérivé de la capacité restante (RM) et de la capacité de charge complète (FCC) à l’aide de la formule SOC = RM / FCC. De plus, il peut également estimer le temps restant, tel que le temps de vidange (TTE) et le temps de remplissage (TTF).

Graphique 8. Formule de calcul de la méthode de mesure de Coulomb

Deux facteurs principaux contribuent à l’écart de précision de la méthode de comptage coulombien. Le premier facteur est l’accumulation d’erreurs de décalage dans les mesures de détection de courant et de CAN. Bien que l’erreur de mesure du courant soit relativement faible avec la technologie actuelle, en l’absence de méthodes de correction appropriées, cette erreur peut augmenter avec le temps. La figure suivante montre que dans les applications pratiques, si aucune correction n’est appliquée au fil du temps, l’erreur accumulée n’est pas bornée.

Graphique 9. Erreur accumulée dans la méthode de comptage de Coulomb.

Pour éliminer les erreurs accumulées, il existe trois points temporels potentiels qui peuvent être utilisés lors du fonctionnement normal de la batterie : Fin de charge (EOC), Fin de décharge (EOD) et Relaxation. La condition EOC indique que la batterie est complètement chargée et que l’état de charge (SOC) doit être de 100 %. La condition EOD indique que la batterie est complètement déchargée et que le SOC doit être de 0 %. Il peut être défini par une valeur de tension absolue ou peut varier avec la charge. L’état de relaxation est atteint lorsque la batterie ne se charge ni ne se décharge et reste dans cet état pendant une période de temps significative. Si l’utilisateur a l’intention d’utiliser l’état de relaxation pour la correction d’erreur dans la méthode de comptage coulombien, il doit être combiné avec une table de tension en circuit ouvert. La figure suivante montre que dans les conditions susmentionnées, l’erreur d’état de charge peut être corrigée.

Graphique 10. Conditions d’élimination de l’erreur cumulative de la méthode coulométrique

Le deuxième facteur majeur à l’origine des écarts dans la précision du comptage de Coulomb est l’erreur FCC (Full Charge Capacity), qui résulte de la différence entre la capacité nominale de la batterie et sa capacité de charge réelle à pleine charge. Le FCC peut être influencé par des facteurs tels que la température, le vieillissement et les conditions de charge. Par conséquent, les méthodes de réapprentissage et de compensation de la pleine capacité de charge sont cruciales pour le comptage de Coulomb.

Le graphique ci-dessous illustre la tendance des erreurs d’état de charge lorsque la capacité de charge complète est surestimée ou sous-estimée.

Graphique 11. La tendance à l’erreur lorsque leLa capacité de charge est surestimée et sous-estimée

2.4 Jauge de carburant de l’algorithme de tension dynamique

L’algorithme de tension dynamique est une méthode permettant d’estimer l’état de charge (SOC) d’une batterie au lithium uniquement en fonction de sa tension. Il calcule la variation incrémentielle ou décrémentielle du SOC en tenant compte de la différence entre la tension de la batterie et sa tension en circuit ouvert. Les informations de tension dynamique simulent efficacement le comportement de la batterie au lithium et déterminent le pourcentage de SOC, mais elles n’estiment pas la valeur de la capacité de la batterie en milliampères-heures (mAh).

L’algorithme de tension dynamique calcule le changement incrémentiel ou décrémental de l’état de charge (SOC) en utilisant les différences dynamiques entre la tension de la batterie et la tension en circuit ouvert. Il utilise un algorithme itératif pour estimer le SOC en fonction de ces différentiels de tension. Par rapport à la méthode de comptage de Coulomb, l’algorithme de tension dynamique n’accumule pas les erreurs dans le temps et le courant.

La méthode de comptage de Coulomb pour l’estimation du SOC est sujette à des erreurs dues à des inexactitudes de détection de courant et à l’autodécharge de la batterie, ce qui entraîne une estimation imprécise du SOC. Même avec de très petites erreurs de détection de courant, le compteur Coulomb continuera à accumuler des erreurs, qui ne peuvent être éliminées que lorsque la batterie est complètement chargée ou déchargée.

D’autre part, l’algorithme de tension dynamique estime le SOC de la batterie uniquement sur la base des informations de tension, sans s’appuyer sur les informations de courant, évitant ainsi l’accumulation d’erreurs. Pour améliorer la précision de l’estimation du SOC, l’algorithme de tension dynamique nécessite l’optimisation des paramètres de l’algorithme en fonction des courbes de tension réelles de la batterie obtenues à partir de dispositifs réels dans des conditions de charge et de décharge complètes.

Graphique 12. Performance de l’algorithme de tension dynamique, jauge de carburant et optimisation du gain

Le tableau suivant montre les performances de l’algorithme de tension dynamique dans différentes conditions de taux de décharge, indiquant sa bonne précision dans l’estimation de l’état de charge (SOC). Selon le tableau, quelles que soient les conditions de décharge telles que C/2, C/4, C/7 et C/10, l’erreur globale de l’état de charge de cette méthode est inférieure à 3 %.

Graphique 13. Performance de l’état de charge de l’algorithme de tension dynamique sous différents taux de décharge.

La figure ci-dessous montre les performances de l’état de charge lorsque la batterie est court-chargée et déchargée court-chargée. L’erreur d’état de charge est encore très faible et l’erreur maximale n’est que de 3 %.

Graphique 14. En cas de charge courte et de décharge courte de la batterie, La performance de l’état de charge de l’algorithme de tension dynamique

Par rapport à la méthode de comptage de Coulomb, qui est sujette à des imprécisions dues à des erreurs de détection de courant et à l’autodécharge de la batterie, l’algorithme de tension dynamique présente un avantage significatif en ce sens qu’il n’accumule pas d’erreurs dans le temps et le courant. Il s’agit d’un avantage majeur de l’algorithme. Cependant, comme il manque d’informations sur les courants de charge/décharge, l’algorithme de tension dynamique présente une précision à court terme plus faible et un temps de réponse plus lent. De plus, il n’est pas en mesure d’estimer la capacité de charge complète. Néanmoins, il fonctionne bien en termes de précision à long terme car la tension de la batterie reflète directement son état de charge.

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