Batteries Lithium : Principe et système de gestion

Batteries Lithium : Principe et système de gestion

Modèle circuit électrique équivalent

Ce sont des modèles à base de circuit électriques équivalents. Ces modèles considèrent les phénomènes physico-chimiques tels que par exemple le transfert de charge, la capacité de double couche et la diffusion via des associations de composants électriques de type résistance et capacité.

Model idéal

Le modèle idéal est le plus utilisée, car simple à étudier, il est composé d’un générateur idéal qui a une résistance interne constante (Rint). La tension en circuit ouvert (V0) et (Vb) qui est la tension au borne de la batterie.Dans ce simple modèle, Rint et V0 sont considérés constantes. Ce modèle ne tient pas compte ni de la variation de la résistance interne de l’accumulateur en fonction de l’état de charge ni de la température. Il peut être appliqué si on néglige la dépendance des paramètres de l’état de charge et de la température.

IModèle de Thevenin

Ce modèle est également une amélioration du modèle simple grâce à l’insertion d’un dipôle RC. Il introduit une résistance appelée résistance de transfert R1, qui représente l’effet de déplacement des ions entre les deux électrodes de la batterie, ainsi qu’une capacité C0 dite à double couche, qui représente le phénomène de contact entre l’électrode et l’électrolyte.

Accumulateur lithium métal

La première génération de batteries rechargeables au lithium utilisait une anode en lithium sous sa forme métallique. Cette technologie a cependant été abandonnée à cause de la difficulté de reconstituer l’anode au cours des recharges successives. Celle-ci, une fois endommagée, pouvait accidentellement atteindre son point de fusion (180°C) et entrer en contact avec la cathode, ce qui produisait une réaction violente et l’émission de gaz brûlants. Abandonné depuis plus de 10 ans, le lithium-métal pourrait faire un retour en force dans quelques années, si les recherches actuelles visant à trouver une solution au problème de sécurité connaissent un succès.Une solution à l’étude depuis peu serait de remplacer l’électrolyte par un liquide 100% ionique. Les liquides ioniques ont une pression de vapeur quasiment nulle, sont stables à haute température et inflammables, ce qui supprimerait de fait l’éventualité de l’émission de gaz brûlants en cas de surchauffe de la batterie. Enfin, des recherches visent à mettre au point un séparateur dont les pores se « fermeraient » en cas de surchauffe, empêchant ainsi la réaction chimique de s’emballer.

Accumulateur lithium-ion

Pour pallier aux problèmes rencontrés dans les accumulateurs lithium métal, la solution radicale d’abandonner le lithium sous forme métallique au niveau de l’anode a été adoptée au profit d’un composé d’insertion. Le graphite apparaît comme le meilleur candidat pour ce rôle. En effet, les propriétés d’insertion du carbone ont été démontrées, jusqu’à un ion lithium pour six atomes de carbone (LiC6). Au cours de la première insertion de lithium dans le graphite, une partie est totalement consommée de façon irréversible. Ce phénomène est dû à la décomposition de l’électrolyte et à la formation d’un film passivant à la surface de l’électrode (film SEI). Contrairement à l’anode de lithium métallique, ce phénomène est indispensable pour le bon fonctionnement de la cellule. La SEI permet d’éviter la réduction de l’électrolyte en retenant les ions Li+ dans le carbone. Il faut cependant que cette couche soit suffisamment poreuse pour laisser passer les ions Li+ lors des cycles de charge/décharge Cette couche de passivation peut avoir des inconvénients car elle augmente la résistance interne de l’élément ce qui provoque une chute de tension lors de l’utilisation. La SEI ne représente pas un problème majeur, mais elle le deviendra en fin de vie des cellules, diminuant sa capacité à restituer ou accepter les ions [3]. La figure suivante présente la structure d’une cellule Li ion.
Au niveau de la cathode le choix du matériau du composé d’insertion déterminera le niveau de tension de la cellule. Bien qu’il n’y ait pas de frontière, on distingue pour la cathode les matériaux dits « basse tension » des matériaux « haute tension »
Dès lors que la mise en œuvre de l’accumulateur se tourne vers des applications de puissance, le choix du matériau d’insertion « haute tension » pour la cathode est privilégiée. Actuellement,le LiFePO4 est un matériau qui semble s’imposer dans les applications de puissance et à large diffusion. Il présente en effet de nombreux avantages dont, le faible coût, l’absence de toxicité, une capacité relativement importante, une durée de vie importante. Le tableau ci-dessous représente une partie des matériaux les plus couramment utilisés pour constituer l’électrode positive.

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Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I. Batteries Lithium : Principe et système de gestion
I. Généralités sur les batteries aux lithiums
I.1 Accumulateur lithium métal
I.2 Accumulateur lithium-ion
I.3 Accumulateur lithium- polymère
I.4 Principe de fonctionnement
I.4.1 Processus de charge
I.4.2 Processus de décharge
I.5. Grandeurs caractéristiques des batteries
I.5.1 Régime de décharge
I.5.2 Capacité
I.5.3 Résistance interne
I.5.4 Tension en circuit ouvert
I.5.5 Etat de charge
I.5.6 Etat de santé
I.6 Principaux phénomènes électrochimiques
I.6.1 L’effet transfert de charges
I.6.2 L’effet de la double couche électrique
I.6.3 L’effet transfert de la matière
II. Batterie management système
II.1 les fonctionnalités du BMS
II.1.1 Acquisition de données
II.1.2 Gestion électrique
II.1.3 Gestion de la sécurité
II.1.4 Gestion thermique
II.1.5 Communication
II.1.6 détermination de l’état de la batterie
II.2 Système d’équilibrage des cellules
Chapitre II. Modélisation et détermination de l’état de charg26de la batterie
I.Modélisation des batteries : Etat de l’art
I.1 Modèle chimique
I.2 Modèle empirique
I.3 Modèle circuit électrique équivalent
I.4.1 Model idéal
I.4.2 Modèle de Thevenin
I.4.3 Modèle dynamique non linéaire
I.4.4Modèle de Cauer et Foster
I.4.4.1 Structure de Cauer
I.4.4.2 Structure de Foster
I.4.5 Modèle générique
I.4.6 Modèle dynamique
I.5 Modèle boite noire
II. Détermination de l’état de charge de la batterie : Etat de l’art
II.1 Méthodes empiriques
II.1.1 Détermination du SOC par mesure de tension en circuit ouvert
II.2.Méthodes adaptative
II.2.1 Détermination du SOC par Les méthodes d’observation
II.2.1.1 Observateur de Luenberger
II.2.1.2 Filtre de kalman
II.3 Méthodes d’intelligence artificielle
II.3.1. Détermination de SOC par logique flou
II.3.2. Détermination de SOC par réseau de neurone
Chapitre 3 : Estimation de l’état de charge par réseaux de neurone
I. Présentation des réseaux de neurones
I.1 Historique sur les réseaux de neurones
I.2 Réseaux de neurones
I.2.1 Neurone biologique.
I.2.2 Neurone artificiel
I.3. Architecture des réseaux de neurones
I.3.1 Les réseaux de neurones statiques
I.3.2 Les réseaux de neurones récurrents
I.4. Apprentissage des réseaux de neurones
I.4.1 L’apprentissage non-supervisé
I.4.2 L’apprentissage supervisé
I.4.3 Rétro propagation d’erreur
II. Modélisation de la batterie à base de réseau de neurone
I.1 Base d’apprentissage et base de validation (test)
I.2.1 Algorithme de la rétro propagation des erreurs
2.2 Etape d’apprentissage
I.2.3 Optimisation de l’architecture
I.3 Validation du modèle
III. Implémentation de l’algorithme d’estimation d’état de charge
Conclusion Générale
Annexe1
Annexe2
Table des figures
Reference Bibliographies