Un protocole de charge adaptatif pour les batteries Lithium-Ion

par Thusitha asela Bandara

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Dorel Marius Bozga et de Rachid Yazami.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec VERIMAG (laboratoire) .


  • Résumé

    Les batteries secondaires au lithium-ion (Li-ion) sont devenues la technologie la plus répandue pour un large éventail d'appareils électroniques, des gadgets de consommation aux locomotives haut de gamme et aux stockages d'énergie dans les réseaux intelligents. La prolifération rapide des appareils mobiles et de mobilité, et les récents développements dans les véhicules électriques (VE) ont énormément augmenté la demande de batteries Li-ion (LIB) et indirectement créé une dépendance énorme de la vie de mobilité des personnes. Par conséquent, il est maintenant extrêmement important d'avoir des BUL pour alimenter continuellement les dispositifs de mobilité pendant une période de temps plus longue. Quoi qu'il en soit, en tant que source d'énergie rechargeable, les LIBs épuiseront naturellement sa capacité après un certain laps de temps permis par la demande en puissance de l'appareil et la capacité de stockage de la batterie. Par conséquent, tout mécanisme de charge qui peut recharger la batterie jusqu'à l'état complètement chargé dans le temps le plus court possible, également appelé charge rapide, est très demandé et extrêmement précieux dans ce contexte. Cependant, la charge rapide elle-même est une question très difficile en raison d'un certain nombre de raisons telles que les effets complexes (polarisation, limitation, li-dépôt, épuisement des matériaux actifs et etc.) des facteurs multidisciplinaires coexistent au sein de les réactions internes, les limites dans la mesure des facteurs électrochimiques et électrophysiques avancés, les problèmes de sécurité inhérents à l'utilisation de taux élevés et la tendance à détériorer la santé et la durée de vie d'une batterie comme conséquence la plus courante de la charge rapide. Par conséquent, un certain nombre d'approches différentes peuvent être trouvées dans la recherche de la batterie et la littérature, et principalement réalisé en trois sections différentes: l'une est l'introduction de nouvelles chimies qui peuvent stocker plus d'énergie électrique, la seconde est les changements structurels ou de conception Certains des effets négatifs de la charge rapide ou peuvent même améliorer leurs performances et le troisième et le plus intéressant est les protocoles de charge rapide basés sur l'algorithme qui peuvent également aider à tirer parti des performances dans les deux autres approches. Par conséquent, notre thèse s'est concentrée sur un nouveau protocole de charge rapide pour que les BUL puissent se recharger complètement en 20 minutes environ. Ce nouveau protocole est basé sur un concept de voltammétrie non linéaire (NLV) avec l'utilisation d'un ensemble de paramètres d'adaptation liés à l'état de charge (SOC) et à l'état de santé (SOH) de la batterie. Le fondamental de ce concept est la relation prévue que le "produit de", "le taux de la variation du courant tiré / charge (dI / dt)" et "le taux de la variation de tension correspondante (dv / dt)", est une "constante", et exprimée par (| dI / dt |) α * (dv / dt) = K. Ici, le K est une constante et le "α" pourrait être n'importe quelle valeur non nulle. L'analogie de principe ici est lorsque la tension de la batterie est augmentée, le courant résultant accepté par le circuit de charge dépendra naturellement des paramètres cinétiques intrinsèques qui ont un effet sur la charge à ce moment particulier du système de batterie. En conséquence, dans le cas d'une augmentation rapide du courant, la relation ci-dessus réglera le changement de tension pour qu'il soit une valeur plus petite, inversement proportionnelle à la rampe de courant. Inversement, une petite rampe de courant va inciter ce modèle à appliquer une forte variation de tension et laisser ainsi la cellule pénétrer rapidement dans certaines régions de tension ce qui favorise naturellement le chargement à haut débit.

  • Titre traduit

    An Adaptive Charging Protocol for Lithium-Ion batteries


  • Résumé

    Lithium ion (Li ion) secondary batteries have become the most prevalent technology for a broad range of electronic devices from consumer gadgets to high-end locomotives and energy storages in smart grids. The rapid proliferation of both mobile and mobility devices, and recent developments in electric vehicles (EVs) have tremendously increased the demand for Li ion batteries (LIBs) and indirectly created a huge dependency of peoples' mobility life. Therefore, now it is extremely critical to have LIBs to continuously power up the mobility devices for longer period of time. Anyway, as a rechargeable energy source, the LIBs will naturally drains its' capacity after a certain period of time permitted by the power demand of the device and the storage capacity of the battery. Therefore, any charging mechanism which can charge-back the battery up to the fully charged status within the shortest possible time, also called fast charging, is highly demanded and extremely valuable in this context. However, the fast charging itself is a very challenging issue due to a number of reasons such as the complex effects (polarization, li-plating, li-deposition, depletion of active materials and etc.) of multi-disciplinary factors co-exists within the internal reactions, limitations in measuring advanced electrochemical and electro-physical factors, the inherent safety issues with the use of high rates and the tendency of deteriorating health and cycle life of a battery as a most common aftermath of fast charging. Therefore, a number of different approaches can be found in the battery research and literature, and mostly realized under three different sections: one is the introduction of new chemistries which can store more electric power, the second is the structural or design changes which can tolerate some of the adverse effects of fast charging or may be even improve their performances and the third and most interesting is the algorithmic based fast charging protocols which can also help to leverage the performance in both the other approaches. Therefore, our thesis has focused on a new fast charging protocol for LIBs to fully charge within about 20 minutes time duration. This new protocol is based on a concept of non-linear voltammetry (NLV) with the use of a set of adaptation parameters related to the state of charge (SOC) and the state of health (SOH) of the battery. The fundamental of this concept is the foreseen relationship that the “product of”, “the rate of the change of drawn/charge-current (dI/dt)” and “the rate of the corresponding voltage change (dv/dt)”, is a “constant”, and expressed as (|dI/dt|)α * (dv/dt) = K. Here, the K is a constant and the “α” could be any non-zero value. The principle analogy here is when the battery voltage is increased, the resulted current accepted by the charge circuitry will naturally depends on the intrinsic kinetic-parameters which effects on charging at that peculiar moment of the battery system. Accordingly, in case of a rapid increase of current, the above relationship will regulate the voltage-change to be a smaller value, inversely proportional to the current ramp. Conversely, a small ramp in current will encourage this model to apply a large voltage change and accordingly let the cell to quickly push in to certain voltage regions which naturally favors in charging with high rates.