Surveillance de l'état et prédiction des cellules dans un module ou un pack de batterie en condition de fonctionnement

Note de l'éditeur : l'article sur lequel est basé cet article a été initialement présenté lors du Symposium international IEEE 2021 sur l'ingénierie de la conformité des produits – Asie (ISPCE-ASIA), qui s'est tenu à Taipei, Taiwan, en novembre/décembre 2021. Il est réimprimé ici avec l'aimable autorisation. autorisation de l'IEEE. Copyright 2021, IEEE.

Suite à l'augmentation des incendies de véhicules électriques (VE) et de systèmes de stockage d'énergie (ESS) après des années de fonctionnement, le système de surveillance de la santé des VE et des ESS reste un sujet préoccupant. Bien qu'il soit relativement facile de mesurer l'état de santé d'une cellule dans des conditions statiques, la mesure de l'état de santé d'une cellule emballée dans un système et en condition de fonctionnement est plutôt difficile ou prend du temps avec des méthodologies de mesure statique.

Cependant, la détérioration d'une cellule dans un bloc en série réduira les performances de l'ensemble du bloc et cette détérioration entraînera des problèmes économiques tels que la dépréciation de la durée de vie ou le coût du kilométrage. Il est donc très important de développer un système de surveillance de la santé sans interruption. du fonctionnement réel et du démontage de la batterie en modules et cellules.

Compte tenu de l'importance de l'état des cellules dans des conditions de service intensif et de longue durée de vie dans les applications EV, la CEI/ISO a publié la norme de performance CEI 62660-1:2018 pour la cellule et ISO 12405-4:2018 pour le pack. Les deux normes mettent l’accent sur les performances des cellules dans des comportements de charge et de décharge dynamiques, non seulement dans les véhicules électriques à batterie (BEV), mais également dans les véhicules électriques hybrides (HEV).

Ces profils dynamiques ont pris en compte des conditions telles que :

Des profils de test simulant un fonctionnement réel sont créés en conséquence, comme le montrent les figures 1 et 2 à partir des normes CEI et ISO.

Figure 1 : Profil de décharge dynamique A pour l'essai de cycle BEV selon la norme CEI 62660-1 [1]

Figure 2 : Profil de décharge dynamique B pour l'essai de cycle BEV selon la norme CEI 62660-1 [2]

Comme le mentionnent la plupart des études de recherche, l'EIS a été considéré comme une description complète des structures de batterie, comme le montre la figure 3. L'EIS typique a été réalisée en mesurant l'application d'un potentiel alternatif à une cellule électrochimique, puis en mesurant le courant traversant la cellule à différentes fréquences, généralement des fréquences aussi basses que 1 MHz à aussi élevées que 1 MHz.

Figure 3 : Concepts de l'EIS et ses relations avec la structure électrochimique d'une cellule [3]

La fréquence de réponse peut être considérée comme une description de la structure électrochimique de la cellule, car il existe de nombreuses couches de matériaux entre les électrodes et le potentiel externe est comme un diapason réglé avec différentes fréquences de vibration. Chaque matériau de couche a une fréquence naturelle caractéristique différente et sera en résonance lorsque la fréquence de tension est la même. L'amplitude du pic de fréquence caractéristique peut être analogue à l'épaisseur ou à la masse du matériau. Lorsque le matériau est plus épais, la réponse est plus forte.

Cependant, un seul spectre à la fois pour une cellule n'a aucune signification, mais lorsque l'on compare les spectres à travers la cellule lorsque les épaisseurs de couche changent dans différentes conditions de fonctionnement, la réponse change entre des conditions extrêmes, par exemple, SOC 0 % à SOC 100 %, aidera les utilisateurs à estimer l'état sous la mesure par rapport à l'état d'origine inutilisé.

Comme la tension d'une seule batterie ou cellule lithium-ion n'est que de 3 volts, la création d'une sortie à 12 volts, 48 ​​volts, 96 volts ou même plus pour les grandes puissances supérieures à 5 kW sans les technologies de transformation de tension DC/DC nécessitera de combiner les cellules. en blocs de série. Cependant, comme les cellules électrochimiques présentent des différences de résistance interne, la différence de tension est plus grande aux extrémités des blocs. Pour éviter les surtensions des cellules du bloc, sur la base des exigences des normes de sécurité des modules telles que CEI 62133, UL 2594 ou UL 2580, chaque cellule de la même série doit intégrer des mécanismes de prévention des surtensions ou des systèmes de surveillance, comme le montre la figure 4.