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

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

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Introduction générale

La découverte de Rachid Yazami en 1980, au Centre National de Recherche Scientifique et à l'institut de technologie de Grenoble, a marqué une nouvelle piste dans le domaine des batteries. Ce chercheur a pu intercaler le lithium dans le graphite. Cette découverte a permis de rendre les batteries au lithium rechargeable. Cet apport fut atteint dix ans après la proposition de la première batterie au lithium.

Les premières batteries au lithium contiennent cette substance chimique sous forme métallique, ce qui engendre des problèmes de stabilité et de sécurité. Pour remédier à ces limitations, la solution fut de l'utiliser sous la forme ionique.

1991 a marqué une nouvelle étape pour ce type de batterie. Sony a lancé la production de cette technologie. A partir de cette date, les batteries Li-Ion n'ont cessé d'évoluer en termes de composition chimique, de densité énergétique, etc.

Du fait de la tendance actuelle vers les applications mobile, tels que la téléphonie portable, les tablettes numériques, les ordinateurs portables, les véhicules électriques, les satellites, etc., les fabricants ont adopté cette technologie. Ce choix est justifié par le faible poids, la petite taille, la haute densité énergétique, etc., de cette batterie.

Les batteries Li-Ion ont nécessairement recours à un système de gestion, le BMS (Battery Management System). Ce dispositif assure l'utilisation optimale de l'énergie emmagasinée au sein de la batterie et une durée de vie maximale.

Sur le marché, plusieurs fabricants proposent différents systèmes de gestion de batteries. En majorité, ces systèmes se basent sur une architecture multiplexée qui fait appel à un seul convertisseur analogique numérique. Cette solution permet de réduire la taille du système et essentiellement son coût.

Ce travail entre dans le cadre de l'étude des différents problèmes liés à cette solution. L'objectif principal de ce projet est de comparer de façon relative deux différentes

technologies d'acquisition de données, à savoir la MAX11068 de Maxim Semiconductors et la LTC6802 de Linear Technology, en termes de diaphonie et d'injection de charge.

Ce document se compose de trois chapitres : le premier chapitre présente le cadre générale de ce projet. En effet, il définit les différentes terminologies liées à la batterie Li-Ion. En plus, il présente le système de gestion de ce type de batterie ainsi que les différentes fonctionnalités qu'il assure.

Pour mieux comprendre cette technologie, le deuxième chapitre traite d'avantage son comportement électrochimique. Ce chapitre commence par présenter la batterie VL34480, la batterie sur laquelle les tests ont été réalisés. Ensuite, l'étude et la mise en oeuvre de trois différents modèles de batterie Li-Ion sont proposées.

Le dernier chapitre est réservé pour présenter le système de mesure multiplexé. Il s'intéresse en particulier aux deux systèmes étudiés. Puis, il présente le test effectué pour évaluer les problèmes reliés à cette architecture, ainsi que les résultats de ce test et le résultat de comparaison entre les deux BMS étudiés.

Le chapitre 1: Les batteries: Principes

et Système de Gestion

1.1. Introduction

Du fait du progrès technologique et de l'évolution rapide des systèmes mobiles, de nombreuses habitudes changent. L'individu demande de plus en plus d'applications portables. Cette nouvelle tendance crée une forte demande en source d'alimentation qui doit être la plus efficace possible, que ce soit en termes de fiabilité, de temps de charge ou de décharge et surtout de surface occupée. Par rapport à tous ces points, la batterie lithium-ion figure apparaît comme la solution la plus adaptée.

Après le mauvais démarrage des batteries en lithium métallique au début des années quatre-vingt-dix, les batteries lithium-ion, connues comme les batteries les plus sûres, ont rapidement récupéré le retard. De nos jours, cette technologie est concurrentielle vis à vis des domaines à haute exigence tel que les applications militaires et spatiales.

Ce chapitre s'intéresse en premier lieu, à définir le principe de fonctionnement des batteries ; ses terminologies ainsi qu'une classification de différents types de batteries. Ensuite nous porterons une attention particulière sur le système de gestion de batterie Lithium-Ion(BMS), son utilité et ses fonctionnalités.

1.2. Principe de fonctionnement d'une batterie

Une batterie est un dispositif qui convertit l'énergie chimique directement en énergie électrique [1]. Il se compose d'une ou plusieurs cellules voltaïques [2]. Chaque cellule voltaïque se compose de deux demi-cellules connectées en série par un électrolyte conducteur contenant des anions (ions négatifs) et des cations (ions positifs). Une demi-cellule contient l'électrolyte et une électrode utilisée pour la migration des anions, c'est l'anode ou l'électrode négative. L'autre demi-cellule comprend l'électrolyte et l'électrode utilisée pour la migration des cations, c'est la cathode ou l'électrode positive. Le principe d'une cellule voltaïque est représenté à travers la figure 1.1.

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

La réaction redox, définie comme l'abréviation du processus d'oxydoréduction, fait fonctionner la batterie. La réduction (ajout d'électrons) se produit aux cations au niveau de la cathode, tandis que l'oxydation (enlèvement d'électrons) se produit aux anions au niveau de l'anode. Les électrodes ne se touchent pas les unes aux autres, mais elles sont électriquement reliées par l'électrolyte, qui peut être solide ou liquide. De nombreuses cellules utilisent deux demi-cellules avec des différents électrolytes. Dans ce cas, chaque demi-cellule est enfermée dans un conteneur, et un séparateur qui est perméable aux ions, mais la majorité des électrolytes n'empêche pas le mélange.

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