Soutenance mémoire
Modélisation d’une batterie Li-ion et le calcul d’état de charge
Accumulateur lithium-ion
Pour pallier les 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 enfin de vie des cellules, diminuant sa capacité à restituer ou accepter les ions.
Modèle de Shepherd
Ce modèle a été présenté par Shepherd, il suppose que le courant de décharge et la résistance interne sont constants. Ce modèle est basé sur une équation qui permet de reproduire des courbes de décharge d’un nombre assez important d’accumulateurs. Les paramètres de cette équation sont calculés à partir d’un certain nombre de points discrétisés d’une courbe d’un manufacturier. Cette modélisation ne prend pas en considération la température et la variation de la tension du circuit ouvert en fonction de l’état de charge. La tension terminale aux homes de l’accumulateur dans ce modèle est exprimée par l’équation suivante : ?? = ?? + ? ? ?−??.? ?? (1)
En ajoutant à cette équation la chute de tension ohmique, on obtient : ?? = ?? + ? ? ?−??.? ?? − ??. ?? (2)
Cette équation n’inclut pas la chute de tension au début de la décharge. On peut représenter cette partie de la courbe par l’ajout d’une fonction exponentielle, L’équation devient alors : ?? = ?? + ? ? ?−??.? ?? − ??. ?? + ?. ???(− ? ? ??. ?) (3)
Dans cette équation V0, K,Q,Ri,A et B représentent des paramètres constants à déterminer graphiquement, ce qui nécessite plusieurs points de la courbe de décharge du fabricant. En plus, Shepherd utilise deux courbes de décharge pour déterminer les six paramètres. Parfois, la partie exponentielle de la courbe est difficile à observer car elle est très courte et peut alors être négligée et la courbe de décharge peut être représentée par la zone de polarisation L’équation de Shepherd a été largement utilisée et modifiée par d’autres auteurs dans la littérature. Comme on a pu le constater, il existe différents modèles dans la littérature, chacun de ces modèles à ces caractéristiques. Le modèle choisi dépend de l’application, si on veut plus de précision alors on a besoin d’un modèle plus détaillé en tenant compte de tous les paramètres qui peuvent affecter la performance des accumulateurs. Le modèle dynamique non linéaire est très intéressant du fait qu’il présente un circuit de charge et de décharge et que tous les paramètres sont fonction de l’état de charge. Le modèle de Cauer et Foster (inspiré de celui de Thevenin) est utilisé beaucoup plus pour représenter le phénomène de transfert de charge et celui de la diffusion (phénomènes chimiques). [8]
Calcule d’état de charge de la batterie LI-ION
L’état de charge est la quantité de charge disponible dans la batterie a un instant donné en fonction de sa capacité maximale. Dans la majorité des applications faisant intervenir un système de stockage d’énergie, la connaissance de l’état de charge de la batterie est primordiale. C’est l’équivalent d’une jauge d’essence pour une voiture ordinaire. Dans le cas d’un véhicule électrique, cette information va aider le conducteur à savoir la distance restante à parcourir avant que sa batterie ne se vide. D’ailleurs, cette indication va nous aider à éviter une décharge profonde ou une charge excessive de la batterie. Ainsi, la durée de vie de la batterie sera plus grande. Le problème qui est souvent rapporté dans la littérature, c’est que l’état de charge ne peut pas être mesuré directement à l’aide de capteurs comme le cas d’une voiture ordinaire ou on peut mesurer le niveau d’essence dans le réservoir à l’aide d’une jauge d’essence. Donc, pour palier à ce problème quelques méthodes ont été développées pour estimer l’état de charge. Ces méthodes sont applicables pour la majorité des batteries. Elles sont basées sur la mesure des paramètres électriques comme la tension, le courant et la résistance interne. Parmi ces méthodes on va citer deux qui seront utilisées dans les deux modèles étudiés de la batterie.
Équilibrage passif
Les méthodes dites passives sont généralement utilisées pour les batteries basées sur des technologies pouvant supporter des déséquilibres comme celles à base de Plomb ou de Nickel. En effet, ces technologies peuvent être, par exemple, en condition de surcharge sans que cela cause de dommages permanents. Dans d’autres cas de batterie, lors d’une surcharge relativement faible, l’excès d’énergie emmagasinée est directement associé à l’élévation de la température de l’enveloppe batterie. Par contre, lors d’une surcharge importante, l’excès d’énergie sera évacué par dégazage via les valves installées dans les enveloppes batterie. Cette méthode est réellement effective pour un faible nombre d’éléments connectés en série car le problème de déséquilibre s’aggrave exponentiellement avec le nombre d’éléments. Dans cette méthode c’est la cellule de plus bas niveau de charge qui détermine le niveau de toutes les cellules après l’équilibrage. La figure suivante montre les cellules d’une batterie qui seront à 50 % après l’équilibrage [23] :
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Table des matières
Chapitre1 : Généralités sur la batterie Li-ion
Introduction :
Les batteries aux Li-ion :
Accumulateur lithium métal
Accumulateur lithium-ion :
Accumulateur lithium- polymère :
Grandeurs caractéristiques des batteries :
Capacité
Résistance interne
Tension en circuit ouvert
Etat de charge
Etat de santé
Principe de Fonctionnement d’une Batterie Li-ion :
Conclusion
Chapitre2 : Modélisation d’une batterie Li-ion et le calcul d’état de charge
Introduction :
Les modèles de la batterie au Lithium :
Modèle simple d’un accumulateur :
Modèle de Thevenin :
Modèle Dynamique non Linéaire :
Modèle de Cauer et Foster:
Structure de Cauer :
Structure de Foster :
Modèle de Shepherd :
Calcule d’état de charge de la batterie LI-ION :
Introduction :
Calcule par la méthode d’intégration du courant :
Simulation du modèle de batterie Li-ion sous Matlab/ Simulink
Modèle de Shepherd :
Modèle Créer sous Simulink
Les résultats de la simulation :
Graphe de courant :
Graphe de l’état de charge :
Graphe de charge et décharge
Courbe de décharge à plusieurs intensités :
Comparaison graphique avec le modèle de Matlab :
Conclusion
Chapitre3 : Généralités sur les BMS« Battery management System»
Introduction :
La partie hardware et software
Hardware :
Gestion de la sécurité :
Le système de capteurs :
Acquisition de données :
Gestion électrique :
Communication :
La gestion thermique :
Software :
Détermination de l’état de la batterie :
L’équilibrage des cellules :
Détection des défauts :
L’interface utilisateur (afficheur LCD)
Les Types et les structures de BMS
Types de BMS :
Structures de BMS
Les fabricants de BMS
Conclusion :
Chapitre4 : Implémentation de quleques fonctions de BMS
Introduction :
Gestion du processus de charge et de décharge :
Gestion thermique :
Conclusion :
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