Dyness Knowledge | Analyse du concept SOC des batteries au lithium

Résumé : Les batteries lithium-ion sont de plus en plus largement promues et utilisées dans la vie moderne. L'État de Charge (SOC) d'une batterie lithium est équivalent au réservoir d'essence d'une voiture. Il rappelle toujours à l'utilisateur la quantité d'énergie actuellement disponible, par exemple, une puissance de 100 % équivaut à un réservoir d'essence plein. 0 % signifie que la batterie est épuisée, c'est-à-dire qu'il n'y a plus d'essence dans le réservoir.

Une mesure scientifique, efficace et relativement précise du SOC des batteries lithium nécessite non seulement des méthodes de mesure scientifiques mais aussi des algorithmes logiciels avancés comme garantie nécessaire pour que les entreprises de batteries obtiennent des valeurs en temps réel. Cela exige des fabricants de batteries qu'ils améliorent et mettent à jour continuellement l'algorithme de leur système de gestion de batterie (BMS) afin que les utilisateurs puissent obtenir des informations de puissance relativement précises et comprendre l'état de santé de la batterie pendant son utilisation. En écrivant à l'avance le programme correspondant dans le système BMS, la valeur SOC est calculée par la méthode de tension, la méthode de mesure par filtre de Kalman ou la méthode de comptage de coulombs.

1. Les batteries lithium-ion sont essentielles dans notre vie quotidienne, alimentant les appareils électroniques grand public, des smartphones aux voitures électriques.

Le SOC est l'un des indicateurs importants de la performance et de la durée de vie de la batterie. Le SOC est défini comme la capacité disponible [en (Ah - Ampère-heures)] et exprimé en pourcentage de sa capacité nominale. Le paramètre SOC peut être vu comme une quantité thermodynamique qui permet d'évaluer l'énergie potentielle de la batterie. Il est également important d'estimer l'état de santé (SOH) de la batterie, qui représente une mesure de la capacité d'une batterie à stocker et délivrer de l'énergie électrique par rapport à une batterie neuve (Ghazel, 2017).

Si une batterie est déchargée trop profondément ou chargée trop souvent, cela peut affecter sa santé globale et raccourcir sa durée de vie. Maintenir le SOC dans une plage sûre est particulièrement important pour garantir la durée de vie de la batterie et des performances optimales. En général, il est recommandé de maintenir le SOC entre 20 % et 80 %. Tout ce qui est inférieur à 20 % ou supérieur à 80 % peut stresser la batterie et raccourcir sa durée de vie globale. Certains fabricants internationaux l'indiquent dans la colonne batterie de leurs produits électroniques grand public. Lorsque le SOC doit être maintenu dans cette plage, l'activité des ions lithium dans la batterie doit être préservée autant que possible et la durée de vie de la batterie doit être prolongée autant que possible.

2. La mesure du SOC peut être divisée en l'algorithme basé sur le modèle de mesure, ou la méthode de mesure basée sur le débit de charge et de décharge de la batterie et la tension du corps de la batterie pour obtenir la valeur. C'est simplement qu'il y a des différences et des emphases entre les trois. Par conséquent, les valeurs SOC calculées par les trois méthodes présentent également des écarts relatifs.

3. Comptage de Coulomb (Coulomb Counting)

Également connu sous le nom de comptage d'ampère-heures et d'intégration de courant. Lorsque la batterie se charge et se décharge, le SOC est estimé en accumulant l'électricité chargée et déchargée. La méthode de calcul est la suivante :

C(max) : capacité (maximale) de la batterie ; I(now) courant (A) ; t : temps

Les inconvénients de cette méthode de mesure sont : 1. Les erreurs causées par l'échantillonnage du courant. 2. L'erreur causée par le changement de capacité de la batterie. 3. Les erreurs causées par l'estimation et la sélection des valeurs initiales et finales du SOC, qui à leur tour affectent le calcul de la valeur globale.

Cette méthode ne fait qu'enregistrer grossièrement la quantité d'électricité entrant et sortant de la batterie depuis l'extérieur, mais ignore l'atténuation causée par le remplacement des ions lithium à l'intérieur de la batterie, ainsi que la génération de dendrites de lithium et d'autres variables qui affectent le calcul du SOC de la batterie « de l'intérieur vers l'extérieur ». Et l'erreur ne fera que s'agrandir avec le temps. En raison de cet inconvénient, les entreprises de batteries sont tenues de mettre à jour continuellement leur BMS pour réduire les erreurs.

4. Méthode de la tension en circuit ouvert

Le SOC d'une batterie, ou sa capacité restante, peut être déterminé en utilisant un test de décharge dans des conditions contrôlées. Cet algorithme utilise la courbe de décharge connue de la batterie (tension vs. SOC) pour convertir une lecture de tension de batterie en une valeur SOC équivalente. Cependant, la tension est plus affectée par le courant de la batterie en raison de la cinétique électrochimique et de la température de la batterie. Cette méthode peut être rendue plus précise en compensant la lecture de tension avec un terme de correction proportionnel au courant de la batterie et en utilisant une table de recherche de la tension en circuit ouvert (OCV) de la batterie et de la température. Les batteries nécessitent une plage de tension stable, ce qui rend l'approche par tension difficile à mettre en œuvre. De plus, le test de décharge implique souvent une charge continue, ce qui rend la plupart des applications chronophages.

De plus, la courbe de la tension en circuit ouvert d'une batterie lithium fer phosphate entre 30 % et 80 % est presque une ligne droite, et il est plus difficile de trouver la valeur correspondante. Par conséquent, cette méthode est plus adaptée au cas où la batterie est restée longtemps au repos et n'est pas utilisée fréquemment.

5. Méthode du filtre de Kalman

Un algorithme de simulation dynamique pour détecter l'état interne d'une cellule de batterie est adapté au calcul de la valeur SOC de la batterie. La méthode elle-même fournit des bornes d'erreur dynamiques, emploie des mécanismes de correction d'erreur et fournit une prédiction en temps réel du SOC. Bien que le filtrage de Kalman soit une méthode en ligne et dynamique, il nécessite un modèle de batterie approprié et une identification précise de ses paramètres. Il nécessite également une grande puissance de calcul et une initialisation précise.

En résumé, la valeur SOC est une considération centrale dans la fabrication des batteries. Elle est non seulement liée à la perception intuitive de l'utilisateur lors de l'utilisation de la batterie, mais affecte également la durée de vie de la batterie, ou le coût d'investissement du client pour l'achat de la batterie. Par conséquent, maintenir la valeur SOC de la batterie dans une plage recommandée pendant l'utilisation, et mettre à jour en temps réel le micrologiciel du produit batterie sont des garanties importantes pour assurer la durée de vie du produit et l'expérience utilisateur.

Références

GhazelMurnane & AdelMartin. (2017). A Closer Look at State of Charge (SOC) and State of Health (SOH) Estimation Techniques for Batteries.

Minho KimKim, Jungsoo Kim,Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). State of Charge Estimation For Lithium Iion Battery Based on Reinforcement Learning. ScienceDirect, page 404-408.

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