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1 Objectifs et orientation de l'étude 15

1.2 Vers une rupture technologique inévitable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.1 Les causes : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.2 Des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3 Les accumulateurs lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.3.1 Les accumulateurs lithium Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.3.2 Les accumulateurs lithium ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.4 L'électrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.5 Les mécanismes de vieillissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.5.1 Vieillissement des électrodes carbonées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.5.2 Vieillissement des électrodes positives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.6 Le "Battery Management System" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.6.1 Le système d'équilibrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.6.2 Le système de protection des cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.6.3 La gestion thermique du pack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.6.4 La gestion optimale de l'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2 Principaux phénomènes électrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.1 Phenomènes statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.2 Les phénomènes statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.3 Phénomènes dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3 Justication du schéma à constante localisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.4 Impédancemétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4.2 Caractéristique de l'impédance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4.3 Mise en oeuvre expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5 Tension en circuit ouvert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.6 Identication des paramètres du modèle à constantes localisées . . . . . . . . . . 50

2.7 Identication des paramètres thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.7.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.7.2 Caractérisation thermique lors de sollicitations en courant . . . . . . . . 54

2.7.3 Bilan énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.7.4 Simplication du modèle thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.7.5 Génération interne de chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.7.6 Identication des paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.8 Validations du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.8.1 Test avec des pulses de courant de 0.05 Hz à 40

o? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

2.8.2 Test de charge/décharge rapide à 6C à température ambiante de 24

o? ? ??

2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.2 Observation par ltrage de Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.2.1 Filtre de Kalman discret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.2.2 Filtre de Kalman discret étendu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.2.3 Structure de l'observateur d'état de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.2.4 Réglage du ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3 Essai sur un prol de courant alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.3.1 Prol du courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.3.3 Estimation de l'état de charge à partir de diérents SoC initiaux . . . . . 80

3.4 Estimation de l'état de charge à partir de bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.4.1 Eet de la température sur l'estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.5 Estimation de l'état de charge avec un prol de courant continu . . . . . . . . . 85

3.5.1 Prol de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.5.2 Résultat d'observation d'état de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.2 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.2.1 Montage experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.3 Observateur étendu aux paramètres et à l'état de charge . . . . . . . . . . . . . 97

4.3.1 Application sur des modes continus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.3.2 Estimation de l'état de charge à partir de diérents SoC initiaux . . . . . 100

4.3.3 Inuence de la prise en compte de l'hystérésis . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.3.4 Estimation de l'état de charge d'un signal alternatif . . . . . . . . . . . . 103

4.4 Résultats d'observation sur une charge/décharge rapide . . . . . . . . . . . . . . 104

4.4.1 Prol de courant testé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.4.2 Estimation de l'état de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

A Caractéristiques de la batterie A123 utilisée 113 B Validation des techniques d'impédancemètrie en grand signaux 114 B.0.2 Prol du courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 B.0.3 Inuence des paramètres du pulse sur la détermination de l'impédance . 115 B.0.4 Amplitude du pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 B.0.5 Fréquence d'échantillonnage (fe? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? B.0.6 Durée du pulse (La? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? B.0.7 Période d'analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 B.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

1.5 Structure d'accumulateur lithium métal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.7 Structure d'accumulateur lithium ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1 Schéma électrique équivalent à deux électrodes d'une cellule Li ion . . . . . . . . 42

2.2 Impédancemètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.3 Caractéristique de l'impédance d'une batterie Li-Ion A123 à 60% de SOC - 25C 43

2.4 Schéma électrique équivalent à une seule électrode d'une cellule Li ion . . . . . . 44

2.5 Impédance de la batterie en charge (a) et en décharge (b) à 25C . . . . . . . . . 45

2.6 Impédance de la batterie en charge (a) et en décharge (b) à 35C . . . . . . . . . 45

2.7 Impédance de la batterie en charge (a) et en décharge (b) à 45C . . . . . . . . . 46

2.12 Courbe d'OCV charge/décharge (a) et niveau d'hystérésis (b) en fonction de

SOC à 25C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.13 dU/dT en fonction de SOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.14 Courbes d'OCV à diérents stades de vieillissement (a) et amplitude de l'hysté-

résis (b) à 25C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.15 Modèle d'impédance comportant 5 cellules RC pour représenter le phénomène

de diusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5

2.16 Résultat de modélisation à l'aide d'un schéma comportant 5 cellules RC pour

représenter le phénomène de diusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.17 Batterie instrumentée des thermocouples interne et en surface . . . . . . . . . . 54

2.18 Dispositif experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.19 Mesures de températures internes et en surface pour des pulses de courant de

§10??§15?? ??§20? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

2.20 Modèles thermiques complet (a) et simplié (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.21 Images infra rouges thermique de la cellule au bout d'un heure de sollicitations

2.22 Example de variation de tension pendant un cycle thermique pour un SOC de

20%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.24 Estimations deTin? ?????? ??Tsurf?Rin=Rout??? ??? ? ????? ??????? ????§20

2.25 Prols des courants et tensions durant une charge/décharge de la batterie à un

courant de 13.8 A. Le protocole CCCV (Constant Current Constant Voltage) de

charge a été utilisé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1 Principe d'observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.2 Structure de l'observateur d'état de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3 Histogramme de la tension batterie en vue du réglage de la matriceR?? ????

3.4 Prol du courant (a) et la réponse en tension (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.5 Estimation du SOC avec SOC initial supposé = 90%, SOC réel = 50% (a -

SOC???? ? ?¾SOC?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

3.6 a - Estimation du SOC avec SOC initial supposé = 90%, SOC réel = 50%,

3.9 a - Prol du courant; b - Réponse en tension et estimation de la tension par le

ltre de Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.10 a - Estimation du SOC avec SOC initial supposé =80%? ??? ???? ?80%? ? ?

3.11 a - Estimation du SOC avec SOC initial supposé =50%? ??? ???? ?80%? ? ?

3.12 Inuence de la température sur la tension de batterie . . . . . . . . . . . . . . . 84

? ?? ?? ???? ?SOC= 50%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

3.14 Prol du courant et réponse en tension (I = -10A) . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.15 Estimation du SOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.16 Estimation (en boucle ouverte) de la tension avec le modèle à constantes localisées 86

3.17 Illustration de divergences probables entre le modèle et la réalité dans les très

basses fréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.1 Réponse en tension de la batterie pour un échelon de 10 A (à25oC? ? ? ? ? ? ? ? ??

4.2 Modèle simplié de l'impédance utilisé dans l'observateur . . . . . . . . . . . . . 90

4.3 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.4 Diagrammes de Nyquist de la batterie pour diérents états de charge (T =25oC? ??

4.5 Tension (estimée et réelle) et prol de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.6 Diagrammes de Nyquist réel et estimés de la batterie (SoC = 50% T=25oC? ? ? ??

4.7 Tracé de Nyquist de l'impédance réelle et estimée à50oC???? ? ???? ? ?50oC? ??

4.8 Erreurs obtenues sur l'impédance avec diérents modèles à25oC? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

4.9 Erreurs obtenues sur l'impédance avec diérents modèles à50oC? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

4.10 Prol de courant utilisé (et réponse en tension de la batterie) pour tester l'ob-

servateur sur des modes continus de charge/décharge . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.11 a - Estimation du SoC avec SoC initial = 80%, SoC réel = 80% et erreur d'esti-

quotesdbs_dbs7.pdfusesText_5

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