État de charge (SOC) de la batterie au lithium

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

L'utilisation des batteries lithium-ion est répandue dans de nombreuses applications. Afin d'optimiser leur efficacité et leur durée de vie,systèmes de gestion de batterieDes systèmes de gestion de batterie (BMS) sont utilisés. Cependant, il est important de noter que les progrès récents en matière de 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 remédier à ce problème, une approche novatrice a été mise au point. L'état de charge (SOC) estimé de la batterie est calibré à l'aide d'une courbe de relation entre la tension en circuit ouvert (OCV) et le SOC, établie en fonction des événements. 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 effectuée avec les systèmes BMS traditionnels. Les résultats démontrent clairement la supériorité du système proposé. Il surpasse les systèmes traditionnels de plus d'un tiers de grandeur en termes de gain de compression et d'efficacité de calcul. Surtout, cette performance accrue ne compromet pas la précision de l'estimation de l'état de charge (SOC).

En conclusion, le système proposé apporte une solution aux défis posés par les technologies BMS sophistiquées. Grâce à l'utilisation d'une relation entre la tension en circuit ouvert (OCV) et l'état de charge (SOC) pilotée par les événements, il améliore significativement le gain de compression et l'efficacité de calcul. Cette approche novatrice garantit une utilisation optimale de la batterie et une durée de vie prolongée, sans compromettre la précision de l'estimation du SOC.

Définition et classification de l'estimation du SOC

L'état de charge (SOC) est l'un des paramètres les plus importants pour les batteries, mais sa définition soulève plusieurs questions. En général, le SOC d'une batterie est défini comme le rapport entre sa capacité actuelle (Q_in) et sa capacité nominale (Q_nom). La capacité nominale est fournie 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)Le niveau de charge (SOC) d'une batterie électrique correspond à son pourcentage de capacité. Son unité est le pourcentage (0 % = batterie vide ; 100 % = batterie pleine). On peut également utiliser la profondeur de décharge (DOD), inverse du SOC (100 % = batterie vide ; 0 % = batterie pleine).

Il existe plusieurs façons d'obtenir la mesure de l'état de charge (SOC) des batteries lithium-ion ouProfondeur de décharge (DOD)pour une batterie au lithium. Certaines méthodes sont assez compliquées à mettre en œuvre et nécessitent un équipement complexe (spectroscopie d'impédance ou hydromètre pour les batteries au plomb-acide).

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 ouTension en circuit ouvert (OCV)) et la méthode de comptage de Coulomb.

1/ Estimation de l'état de charge (SOC) à l'aide de la méthode de la 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 est maximale lorsque la batterie est complètement chargée et minimale lorsqu’elle est déchargée.

Cette relation entre la tension et l'état de charge (SOC) dépend directement de la technologie de batterie utilisée. À titre d'exemple, le diagramme ci-dessous compare les courbes de décharge d'une batterie au plomb et d'une batterie lithium-ion.

On constate que les batteries au plomb-acide 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 de l'état de charge 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 varie très légèrement.

La technologie lithium-fer-phosphate présente la courbe de décharge la plus plate, ce qui rend l'estimation de l'état de charge (SOC) par une simple mesure de tension très difficile. En effet, la différence de tension entre deux valeurs de SOC peut être si faible qu'il est impossible d'estimer l'état de charge avec précision.

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

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

2/ Estimation de l'état de charge (SOC) par la méthode de comptage de Coulomb

Pour suivre l'état de charge d'une batterie lors de son utilisation, la méthode la plus intuitive consiste à intégrer le courant pendant la consommation. Cette intégration permet de déterminer directement le nombre de charges électriques injectées ou prélevées dans la batterie, et ainsi de quantifier précisément son état de charge (SOC).

Contrairement à la méthode OCV, cette méthode permet de déterminer l'évolution de l'état de charge pendant l'utilisation de la batterie. Elle ne nécessite pas que la batterie soit au repos pour effectuer une mesure précise.

Compteur de Coulomb

Pour garantir la précision des mesures de courant, il est important de corriger les erreurs potentielles liées à la fréquence d'échantillonnage. Bien que ces mesures soient généralement effectuées à l'aide d'une résistance de précision, de faibles erreurs peuvent subsister. Celles-ci sont dues à la fréquence d'échantillonnage, qui peut introduire des imprécisions marginales. Il existe cependant une solution pour rectifier ces erreurs et garantir des mesures précises.

Afin de corriger les erreurs marginales dues à la fréquence d'échantillonnage, le compteur de Coulomb est réétalonné à chaque cycle de charge. Ce processus de réétalonnage est essentiel au maintien de la précision des mesures de courant. En réétalonnant le compteur de Coulomb, les erreurs survenues lors du cycle de charge précédent sont corrigées, garantissant ainsi la précision et la fiabilité des mesures suivantes.

La mise en œuvre de ce processus de recalibrage améliore considérablement la précision des mesures de courant. Il permet d'identifier et de corriger les erreurs marginales dues à la fréquence d'échantillonnage. Ainsi, les mesures obtenues sont d'une grande précision et fiables pour diverses applications, telles que la recherche scientifique, les procédés industriels ou la conception de circuits électroniques.

En conclusion, bien que la mesure du courant à l'aide d'une résistance de précision soit généralement fiable, de petites erreurs peuvent subsister en raison de la fréquence d'échantillonnage. Cependant, le réétalonnage du compteur de Coulomb à chaque cycle de charge permet de corriger ces erreurs marginales. On obtient ainsi des mesures d'une grande précision, fiables pour une large gamme d'applications. Grâce à cette procédure de réétalonnage, vous pouvez avoir pleinement confiance en la précision et la fiabilité de vos mesures de courant.

Lithium-ionÉtat de charge (SOC)La mesure par comptage de Coulomb présente une erreur inférieure à 1 %, ce qui permet une indication très précise de l'énergie restante dans la batterie. Contrairement à la méthode OCV (tension en circuit ouvert), le comptage de Coulomb est indépendant des fluctuations de puissance de la batterie (qui entraînent des chutes de tension) et sa précision reste constante, quelle que soit l'utilisation de la batterie.