HAL Id: hal-01496632
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Submitted on 26 Sep 2017
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Étude du vieillissement en usage réel des batteries Li-ion : combinaison des effets calendaire et de cyclage
dans des applications transport
Eduardo Redondo-Iglesias, Pascal Venet, Serge Pelissier
To cite this version:
Eduardo Redondo-Iglesias, Pascal Venet, Serge Pelissier. Étude du vieillissement en usage réel des batteries Li-ion : combinaison des effets calendaire et de cyclage dans des applications transport. 10 ans du Laboratoire Ampère - CNRS UMR5005, Mar 2017, Lyon, France. 2017. �hal-01496632v2�
Étude du vieillissement en usage réel des batteries Li-ion : Combinaison des effets calendaire et de cyclage
dans des applications transport.
Eduardo REDONDO-IGLESIAS (1,2) , Pascal VENET (2) , Serge PELISSIER (1)
(1)
Univ Lyon, IFSTTAR, AME, LTE, 69500 Bron, France
(2)
Univ Lyon, UCB Lyon 1, AMPERE UMR CNRS 5005, 69100 Villeurbanne, France
La batterie, composant critique
Véhicules électriques
I Autonomie ⇔ énergie embarquée ⇔ capacité de la batterie I Rendement et puissance ⇔ impédance de la batterie
I Sécurité ⇔ tension et température de la batterie
Batterie
I Faible densité d’énergie comparée à celle du pétrole I Coût élevé par rapport au prix total du véhicule
I Sensible aux conditions d’utilisation et stockage
Meilleure connaissance de la dégradation des batteries
⇓
Utilisation optimale (rendement, vieillissement, sécurité)
Vieillissement des batteries
Mécanismes de vieillissement
I Réactions parasites entre les composants de la cellule
•
électrodes, électrolyte, collecteurs I Dépendant de•
température (Arrhenius)•
concentrations (État de charge)•
variations de concentration (Courant)•
interactions entre mécanismes (Utilisation passée)Types de vieillissement ⇔ Usages
I Vieillissement calendaire ⇔ stationnement I Vieillissement en cyclage ⇔ roulage, charge I Vieillissement combiné ⇔ usage réel
Modélisation du vieillissement
Loi d’Eyring
QL = A · e(−Ea/kT+Σi(BiSi+CiSi/T))f (t) I Loi semi-empirique
(extension de la loi d’Arrhenius)
•
f (t) = tz•
T , Si : contraintesI Modulaire ⇒ étude par étapes
•
vieillissement calendaire•
vieillissement en cyclage•
vieillissement combinéPrise en compte de la dérive de SoC
Qd: capacité utilisée
Qa: capacité disponible
QL: perte de capacité Qsd: autodécharge
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
perte de capacit´e (p.u.)
SoC(p.u.)
SoC100 SoC65 SoC30
−1 0 1 2 3
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
The Lambert W function
0 200 400 600 800 1000
0 0.1 0.2 0.3 0.4
temps (jours)
pertedecapatit´e(p.u.)
T30SOC100 T45SOC100 T60SOC100 T30SOC65 T45SOC65 T60SOC65 T30SOC30 T45SOC30 T60SOC30
SoC(Qsd, QL) =
1 − QQd+Qsd
0−QL
⇒ QL(t) =
W0
A0·e(−kEa·T )·e(−B·Qd)·tz
B
Analyse de l’évolution des performances avec le vieillissement
Auto-décharge
I Nouvelle méthode pour l’analyse de l’autodécharge I Indépendante de l’état de relaxation
I Amélioration de précision (x2 à x6)
Rendement énergétique
I Analyse du rendement en fonction du SoC
I Détermination de la plage optimale d’utilisation
I Comportement propre à chaque technologie de batteries
0 100 200 300 400 500
−1 0 1 2 3
temps (jours)
auto-d´echarge(%)
cell1 (classic) cell2 (classic) cell1 (new) cell2 (new)
100 200 300 400 500
0 0.2 0.4 0.6 0.8
incertitude(%)
temps (jours) classic method
new method
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1
´etat de charge (p.u.)
rendement´energ´etique(p.u.)
LFP NMC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1
´etat de charge (p.u.)
rendement´energ´etique(p.u.)
cellule neuve 63 jours 126 jours 160 jours 190 jours
Évaluation de l’évolution des performances au cours du vieillissement
{
I Permet d’identifier différents modes de vieillissement I Indicateurs d’état de santé (SoH)Influence de l’alternance d’état de charge dans le vieillissement
Essais Résultats
Vieillissement calendaire alterné : I La plupart du temps au repos
I Changements périodiques de SoC I Faible régime
I Faible nombre de cycles
I 7 profils pour mesurer l’influence
•
du régime de courant•
de la plage de SoC•
du nombre de cycles•
de la quantité de charge (Ah)•
du maintien de tension en fin de chargeExemple de profil (véhicule électrique) : I Fondamentalement calendaire
I Faible influence du cyclage I Régime de courant faible
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
40 50 60 70 80 90 100
temps (heures)
´etatdecharge(%)
24 heures
Facteurs ayant une influence : I Plage de SoC
I Nombre de cycles
I Maintien de tension en fin de charge
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
temps (jours)
pertedecapacit´e(p.u.)
calendaire SoC100 calendaire SoC80 profil 100−80−60
Changements d’état de charge ⇔ accélération du vieillissement calendaire
Perspectives
Vers un modèle global de vieillissement :
SoH(t, T , Qa, nt) = A · e(−kEa·T +B·Qa+C·QaT +D·nt)tz I SoH : état de santé (capacité, impédance)
I t : temps
I T : température
I Qa : capacité disponible (état de charge) I nt : nombre de transtitions de SoC
Références et contact : cv.archives-ouvertes.fr/redondo
Conclusions
I Compréhension des principaux mécanismes de vieillissement I Nouvelles méthodes d’analyse des performances
•
amélioration de la précision•
étude des performances selon la technologie•
étude de l’évolution des performances avec le vieillissement I Approche globale à la modélisation du vieillissement•
semi-empirique•
modulaire•
évolutive⇒ multiples mécanismes, multiples modes de vieillissement
I Vieillissement calendaire alterné 6= Σ vieillissements calendaires
