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Etude et évaluation des performances des systèmes de gestion de batteries lithium- ion


par Zied Jelassi
Ecole Superieure de Communication de Tunis SUPCOM - Ingénieur télécom 2009
  

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Cycle de formation des ingénieurs en Télécommunications

Option :
Architecture des systèmes de télécommunications

Rapport de Projet de fin d'études

Thème :

Etude et évaluation des performances des

systèmes de gestion de batteries

Lithium- Ion

Réalisé par :

Zied JELASSI

Encadrants :

M. Dominique DALLET
M. Chiheb REBAI

Travail proposé et réalisé en collaboration avec

Année universitaire : 2009/2010

Dédicace

Dédicace

À ma mère «Aïcha» et mon père «Hammadi»
en témoignage de leur affection, leurs sacrifices

et de leurs précieux conseils qui m'ont conduit à la réussite
dans mes études ;

À mes frères Mohamed et Bacem,
à ma soeur Khawla et à ma tente Naziha

en leur souhaitant la réussite dans leurs études et dans leurs
vies,

À tous ceux qui m'ont aidé afin de réaliser ce travail,
Et à tous ceux que j'aime et qui m'aiment.
Je dédie ce travail

Zied ...

 

Résumé

Résumé

L'époque actuelle est caractérisée par une explosion de la demande des solutions mobiles. Suite à cette croissance, les appareils sont devenus de plus en plus gourmands en énergie. Pour assurer une autonomie importante, plusieurs industriels emploient des batteries à haute densité d'énergie.

Dans ce cadre, les fabricants de batteries et en particulier Saft ont déjà commencé à produire des batteries Lithium-Ion dont leur densité d'énergie dépasse la 350 Wh/l.

Comme toutes les batteries Li-Ion, ces batteries nécessitent encore un BMS, ou encore un système de gestion de batterie, pour assurer son exploitation optimale et pour garantir une durée de vie maximale.

Au cours de ce projet, nous avons étudié la structure multiplexée de deux BMS (MAX11068 et LTC6802). Cette étude s'intéresse aux problèmes liés à cette architecture, notamment par rapport à la diaphonie et à l'injection de charge.

Mots clés : Li-Ion, BMS, diaphonie, injection de charge, CAN ?-?, CAN-SAR, LC-ADC

Abstract

The present era is characterized by an explosion in mobile solutions demand. As consequence, electronic devices have become increasingly energy depending and consuming. In order to ensure a substantial autonomy, many industrialists employ very high energy density batteries.

In this context, battery manufacturers and Saft, for instance, have already begun to produce Li-Ion batteries whose energy density is exceeding 350 Wh / l.

These batteries, like all Li-Ion ones, still require a BMS (Battery Management System) to ensure an optimum use and a maximum life time.

During this project, we have studied the structure of two multiplexed BMSs (MAX11068 and LTC6802). This study has examined the problems referring to this architecture and has particularly focused on the crosstalk and charge injection limitations.

Keywords: Li-Ion, BMS, crosstalk, charge injection, Ó-Ä ADC, SAR-ADC, LC-ADC

Avant propos

Avant propos

Ce travail a été effectué dans le cadre de mon projet de fin d'études pour l'obtention du diplôme d'Ingénieur en télécommunications de l'Ecole Supérieure des Communications de Tunis (SUP'COM). Il a été réalisé au sein du laboratoire d'Intégration de Matériau au Système (IMS) de Bordeaux, dans l'équipe `Circuits et Systèmes Numériques' du groupe `Conception' du département COFI.

Au terme de ce projet, Je tiens à remercier et à exprimer ma profonde gratitude à mes encadrants Mr. Dominique DALLET et Mr. Chiheb REBAI pour leur aide précieuse, leurs conseils et leurs suggestions avisées qui m'ont aidé à mener à bien ce travail.

De même, je tiens à remercier l'ensemble des personnes travaillant au laboratoire IMS, les post-doctorants, les ingénieurs, les étudiants en Maîtrise ainsi que les autres stagiaires qui ont contribué à créer une ambiance de travail agréable.

Je remercie aussi tous les enseignants de l'Ecole Supérieure des Communications qui n'ont épargné aucun effort pour me fournir une formation efficace et robuste.

J'étais enchanté de travailler sur ce projet et j'espère que le présent rapport reflète cet enthousiasme. Je tiens enfin à remercier les membres du jury qui me feront l'honneur d'évaluer la contribution de ce travail.

Table de matières

DEDICACE I

RESUME II

AVANT PROPOS III

LISTE DES FIGURE VI

LISTE DE TABLEAUX IX

LISTE DES ABRÉVIATIONS X

INTRODUCTION GENERALE 1

LE CHAPITRE 1: LES BATTERIES: PRINCIPES ET SYSTEME DE GESTION 3

1.1. INTRODUCTION 4

1.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE BATTERIE 4

1.2.1. Terminologies de Batterie 5

1.2.2. Les types de Batteries 13

1.3. BATTERY MANAGEMENT SYSTEM (BMS) 19

1.3.1. Acquisition de données 20

1.3.2. Détermination de l'état de la batterie 20

1.3.3. Gestion électrique 21

1.3.4. Gestion de la sécurité 21

1.3.5. Gestion thermique 22

1.3.6. Communication 22

1.4. CONCLUSION 23

CHAPITRE 2: MODELISATION DES BATTERIES LITHIUM ION 24

2.1. INTRODUCTION 25

2.2. LA BATTERIE LITHIUM-ION 26

2.3. LA BATTERIE VL34480 26

2.3.1. Le système électrochimique de la VL34480 27

2.3.2. La composition de la VL34480 28

2.4. LA MODELISATION DES BATTERIES LITHIUM-ION 28

2.4.1. Modèle d'Olivier Tremblay et Louis-A. Dessaint 29

2.4.2. Le modèle de MathWorks 34

2.4.3. Modèle de L. Gao 39

2.4.4. Discussion 45

2.5. CONCLUSION 47

CHAPITRE 3: ANALYSE DES PERFORMANCES DES SYSTEMES DE MESURES DE
TENSION MULTIPLEXEES 48

3.1. INTRODUCTION 49

3.2. SYSTEMES D'ACQUISITION DE DONNEES MULTIPLEXES 50

3.2.1. Le convertisseur analogique-numérique ?? 51

3.2.2. Le convertisseur analogique-numérique SAR 53

3.2.3. Etude comparative entre le MAX11068 et LTC6802 54

3.3. MESURES ET RESULTATS 56

3.3.1. Introduction d'une perturbation à l'entrée du BMS 57

3.3.2. Analyse de mesures 58

3.4. CONCLUSION 69

CONCLUSION GENERALE 70

ANNEXE 1: LA DATASHEET DE LA BATTERIE VL34480 71

ANNEXE 2: LE CONVERTISSEUR A/N A TRAVERSEE DE NIVEAU 73

BIBLIOGRAPHIE 80

Liste des figure

Figure 1.1: Cellule voltaïque composée de deux demi-cellules reliées par un électrolyte. 5

Figure 1.2 : Cycle de vie d'une batterie Li-ion à différents taux de déchargement 6

Figure 1.3 : Représentation de Nyquist d'une résistance interne d'une batterie Plomb-acide. 9

Figure 1.4 : L'effet de la température sur la résistance effective totale [38]. 9

Figure 1.5 : Diminution de Qd en fonction du nombre de cycle Cn 13

Figure 1.6 : Représentation schématique d'une batterie Li-ion 16

Figure 1.7 : Statistique de la demande des batteries rechargeables. 17

Figure 1.8 : Schéma du BMS 20

Figure 1.9: Flux d'état de la batterie. 21

Figure 2.1: Classification des batteries suivant leurs densités énergétiques 26

Figure 2.2 : La batterie VL34480 [annexe1] 27

Figure 2.3 : Modèle de batterie Lithium-Ion présenté dans [24] 29

Figure 2.4 : Le circuit électrique de base formé par tension en circuit ouvert en série avec une

résistance et un circuit RC en parallèle. 30

Figure 2.5 : Caractéristique de décharge de la batterie VL34480 pour C/5(0.9A) 32

Figure 2.6 : Comparaison directe entre la caractéristique de décharge (0.9A, 0.2C) et la

caractéristique générée par le modèle. 34

Figure 2.7 : Le modèle de MathWorks 35

Figure 2.8 : Modèle MathWorks 36

Figure 2.9 : Fenêtre de configuration du modèle 37

Figure 2.10 : la fenêtre View Discharge Characteristics 38

Figure 2.11 : Courbes de décharge fournies par le deuxième modèle pour différents courants de décharge 38

Figure 2.12 : La comparaison des résultats du modèle de MathWorks et les caractéristiques fournies par Saft. (a) la caractéristique de décharge de la VL34480 extraite de la datasheet. (b) la sortie du modèle de MathWorks. 39

Figure 2.13 : Les sources de données du modèle de L. Gao. (a) Les caractéristiques de décharge de la VL34480 à 20°C pour différents courant de décharge. (b) Les caractéristiques de décharge de

la VL34480 à 0.9A-0.2C pour différentes température. 40

Figure 2.14 : Schéma électrique du modèle de L.GAO [25] 40

Figure 2.15: Détermination du facteur á [i(t)] pour un courent de décharge de 8.8A par rapport à un courent de référence de 0.9A 42

Figure 2.16: Rate factor á pour la batterie Li-Ion VL34480 calculé pour un courant de référence de

0.9A 43
Figure 2.17: Détermination du facteur de température et du potentiel de correction de la dépendance

en température 43
Figure 2.18: Facteur de température (a) et potentiel de correction de la dépendance de la température

(b) pour la batterie VL34480 pour une température de référence de 20°C 44
Figure 2.19: Comparaison directe entre la caractéristique de décharge (4.4A, 1C) à 20°C et la

caractéristique générée par le modèle. 45

Figure 3.1: Principe du système d'acquisition de données multiplexé 50

Figure 3.2 : Schéma bloc d'un CAN ?? 52

Figure 3.3 : Architecture du convertisseur à approximation successive 53

Figure 3.4 : Dispositif de mesure du MAX11068 56

Figure 3.5 : Dispositif de mesure du LTC6802 57

Figure 3.6 : Présentation de l'arrangement des signaux d'entrée pour le MAX11068 et le LTC680258

Figure 3.7 : Bruit impulsif à la fréquence 1/10Hz 59

Figure 3.8 : Bruit impulsif à la fréquence 1/6Hz 59

Figure 3.9 : Représentation temporelle de la sortie de la troisième cellule sur la carte MAX11068 à

0°C et avec un bruit de 62,5Hz 60

Figure 3.10 : Evolution du paramètre << b >> à 0°C pour la MAX11068 61

Figure 3.11 : Représentation du paramètre << a >> pour les cinq premières cellules à 0°C pour la

MAX11068 62
Figure 3.12 : Représentation du paramètre << a >> pour les cinq premières cellules à 20°C pour la

MAX11068 63
Figure 3.13 : Représentation du paramètre << a >> pour les cinq premières cellules à 40°C pour la

MAX11068 63

Figure 3.14: Densité spectrale du bruit à 20°C et une fréquence de 125Hz 65

Figure 3.15 : Densité spectrale du bruit à 20°C et une fréquence de 1 KHz 65

Figure 3.16 : Densité spectrale du bruit à 0°C et à la fréquence 2 KHz 66

Figure 3.17 : Densité spectrale du bruit à 20°C et à la fréquence 2 KHz 66

Figure 3.18 : Densité spectrale du bruit à 40°C et à la fréquence 2 KHz 67

Figure 3.19 : Densité spectrale du bruit de la cellule 3 à 0°C et à la fréquence bruit 4KHz 67

Figure 3.20 : Densité spectrale du bruit de la cellule 2 à 0°C et à la fréquence bruit 4KHz 68

Figure 3.21 : Erreur maximal absolue de la cellule deux, le bleu correspond à la valeur de l'erreur de la LTC6802, le noir correspond à la valeur de l'erreur de la MAX11068 68

Figure II.1 : Processus d'échantillonnage à traversée de niveau 74

Figure II.2 : Erreur du temps de quantification du LC-ADC 77

Liste des tableaux

liste de tableaux

Tableau 1.1: Caractéristiques des batteries rechargeables actuellement utilisées 19

Tableau 2.1 : Composition de la batterie VL34480 28

Tableau 3.1 : Tableau de comparaison entre le MAX11068 et le LTC6802 [9, 10] 55

Tableau II.1: Caractéristiques du LC-ADC face aux ADC classiques 78

Tableau II.2: LC-ADC comparé à une sélection d'architecture de conversion A/N opérationnelles 79

Liste des abréviations

AC: Alternative Current

ADC: Analog to Digital Convertor

AGP: Amplificateur à Gain Programmable

Ah : Ampères-heures

BEV: Battery Electric Vehicle BMS: Battery Management System CAN: Controller Area Network

CAN: Convertisseur Analogique-Numérique

CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor

DC : Direct Curent

ENOB: Effective Number of Bits FEM: Force Electromotrice

FIR: Finite Impulse Response HEV: Hybrid Electric Vehicle HT: High Temperature

LC-ADC: Level Crossing ADC

LCSS: Level Crossing Sampling Schema

LSB: Least Significant Bit LT: Low Temperature

MSB: Most Significant Bit OV: Overvoltage

PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle

SAR: Successive Approximation Register

SNR: Signal to Noise Ratio SoC: State of Charge

SOD: State of Discharge

SoH: State of Health

UPS: Uninterruptible Power Supply UV: Undervoltage

VE: Electric Vehicle

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