FR3160471A1 - METHOD FOR DETECTING LITHIUM FORMATION ON AN ELECTRODE IN A LITHIUM-ION BATTERY - Google Patents
METHOD FOR DETECTING LITHIUM FORMATION ON AN ELECTRODE IN A LITHIUM-ION BATTERYInfo
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Abstract
L’invention concerne un procédé de détection d’une formation de lithium dans une batterie lithium-ion pour au moins un régime de charge 1a, dit « régime de base », comprenant les étapes consistant à : appliquer le régime de base 1a, ayant un premier courant I1a, et un régime de charge 2a, dit « régime secondaire », ayant un deuxième courant I2a ; acquérir la tension et la quantité de charge Q de la batterie, au cours du régime de base 1a et du régime secondaire 2a ; déterminer un rapport entre d’une part la différence entre la tension dans le régime de base 1a et celle dans le régime secondaire 2a, et d’autre part la différence entre le premier courant de charge I1a et le second courant de charge I2a, en fonction de la quantité de charge Q ; et détecter l’apparition de lithium en fonction dudit rapport. Figure 2 The invention relates to a method for detecting lithium formation in a lithium-ion battery for at least one charging regime 1a, called the "basic regime," comprising the steps of: applying the basic regime 1a, having a first current I1a, and a charging regime 2a, called the "secondary regime," having a second current I2a; acquiring the voltage and the charge quantity Q of the battery, during the basic regime 1a and the secondary regime 2a; determining a ratio between, on the one hand, the difference between the voltage in the basic regime 1a and that in the secondary regime 2a, and, on the other hand, the difference between the first charging current I1a and the second charging current I2a, as a function of the charge quantity Q; and detecting the appearance of lithium as a function of said ratio. Figure 2
Description
L’invention concerne un procédé de détection d’une formation de lithium, notamment de lithium métallique, sur une électrode dans une batterie lithium-ion. L’invention concerne en outre un système de gestion de batterie Lithium-ion configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.The invention relates to a method for detecting a formation of lithium, in particular metallic lithium, on an electrode in a lithium-ion battery. The invention further relates to a lithium-ion battery management system configured to implement the method according to the invention.
Dans le contexte général de décarbonation des transports, il existe une demande de plus en plus importante de véhicules électriques à la fois rechargeables rapidement et disposant d’une grande autonomie. Cette demande concerne aussi bien des véhicules légers, tels que des vélos, trottinettes, ou autres deux-roues motorisés, que des véhicules lourds, par exemple des voitures de toutes tailles, ou des camions. La technologie des batteries lithium-ion (ou « batteries Li-ion ») est actuellement la plus prometteuse grâce à ses performances en termes de densité d’énergie massique ou volumique et de puissance.In the general context of decarbonizing transport, there is a growing demand for electric vehicles that are both quickly rechargeable and have a long range. This demand concerns both light vehicles, such as bicycles, scooters, or other motorized two-wheelers, as well as heavy vehicles, for example cars of all sizes, or trucks. Lithium-ion battery technology (or "Li-ion batteries") is currently the most promising thanks to its performance in terms of mass or volume energy density and power.
Les batteries lithium-ion fonctionnent sur le principe de l’intercalation alternative des ions lithium entre un matériau formant une électrode positive et un matériau formant une électrode négative. Typiquement, dans un fonctionnement normal, l’électrode positive a un potentiel électrique élevé par rapport à celui du lithium métallique ; et l’électrode négative a un potentiel électrique proche de celui du lithium métallique, tout en lui restant supérieur. Les ions lithium circulent de l’électrode positive vers l’électrode négative, pour être intégrés dans cette dernière.Lithium-ion batteries operate on the principle of alternating intercalation of lithium ions between a material forming a positive electrode and a material forming a negative electrode. Typically, during normal operation, the positive electrode has a high electrical potential compared to that of metallic lithium; and the negative electrode has an electrical potential close to that of metallic lithium, but still higher. Lithium ions flow from the positive electrode to the negative electrode, to be integrated into the latter.
Cependant, lors d’une charge rapide des batteries lithium-ion, le potentiel de l’électrode négative est susceptible de tomber plus bas que celui du lithium métallique: les ions lithium ne s’intègrent alors plus à l’électrode négative et se déposent à la surface de celle-ci. Il se forme un dépôt non désiré de lithium métallique sur l’électrode négative, notamment sous forme de dendrites. Ce phénomène de formation de lithium (ou « lithium plating » en anglais) entraîne de graves dommages sur la batterie s’il se produit fréquemment lors des charges. Ainsi, on observe en pratique une perte accélérée de la capacité de la batterie, et une probabilité plus élevée de courts-circuits entre les électrodes positive et négative. Il est dès lors crucial, notamment pour les constructeurs de véhicules électriques, d’être capable de détecter la formation de lithium sur l’électrode négative dans les batteries Li-ion tout au long de leur vie. Ceci notamment afin d’ajuster les programmes de charge rapide pour éviter la formation de lithium.However, during fast charging of lithium-ion batteries, the potential of the negative electrode is likely to fall lower than that of metallic lithium: the lithium ions then no longer integrate into the negative electrode and are deposited on its surface. An unwanted deposit of metallic lithium forms on the negative electrode, particularly in the form of dendrites. This phenomenon of lithium plating causes serious damage to the battery if it occurs frequently during charging. In practice, we observe an accelerated loss of battery capacity, and a higher probability of short circuits between the positive and negative electrodes. It is therefore crucial, particularly for manufacturers of electric vehicles, to be able to detect the formation of lithium on the negative electrode in Li-ion batteries throughout their life. This is particularly in order to adjust fast charging programs to avoid lithium formation.
On connait une méthode de détection en temps réel du phénomène de dépôt de lithium sur l’électrode négative. Elle est notamment décrite dans la publication de brevet US 10,126,367 B2. La méthode se base sur la dérivée du potentiel de charge (ou « charging voltage derivative » en anglais) et consiste à monitorer au cours d’une charge à taux de charge constant, la variation dU/dQ de la tension U aux bornes de la batterie par unité de charge échangée en fonction de la quantité de charge Q stockée dans la batterie Li-ion. L’apparition d’un pic sur la courbe dU/dQ indique le début d’un dépôt de lithium sur l’électrode négative. Cependant, cette méthode est efficace sur des batteries Li-ion ayant une tension en circuit ouvert ou OCV (pour « Open Circuit Voltage » en anglais) qui est régulière. Cette caractéristique est fortement liée au matériau de l’électrode positive. Ainsi, cela est le cas pour des batteries Li-ion dont l’électrode positive est en NMC 622, c’est-à-dire comprenant 60% de nickel, 20% de Manganèse et 20% de cobalt. Par contre, des batteries Li-ion dont l’électrode positive est en certains matériaux peuvent présenter plusieurs fortes variations de pente dans la courbe dU/dQ rendant difficile l’identification du pic significatif d’une formation de lithium. C’est notamment le cas lorsque l’électrode positive est en NMC 811. La
Il est donc recherché une méthode de détection de la formation de lithium sur l’électrode négative lors d’une charge de batterie Li-ion qui soit suffisamment précise, notamment pour des batteries Li-ion telles que leur OCV est irrégulier.Therefore, a method for detecting the formation of lithium on the negative electrode during Li-ion battery charging is sought which is sufficiently precise, particularly for Li-ion batteries such as their OCV is irregular.
A cet effet, l’invention propose un procédé de détection d’une formation de lithium sur une électrode dans une batterie lithium-ion, comportant la détection de la formation de lithium pour au moins un régime de charge, dit « régime de base », comprenant les étapes consistant à :
- appliquer le régime de base, ayant un premier courant de charge, et un régime de charge, dit« régime secondaire », ayant un deuxième courant de charge, la valeur absolue de la différence entre le taux de charge dans le régime de base et le taux de charge dans le régime secondaire étant inférieure à un seuil ;
- acquérir la tension aux bornes de la batterie et la quantité de charge de la batterie, au cours du régime de base et du régime secondaire ;
- déterminer un rapport entre d’une part la différence entre la tension aux bornes de la batterie dans le régime de base et celle dans le régime secondaire, et d’autre part la différence entre le premier courant de charge et le second courant de charge, en fonction de la quantité de charge ; et
- pour le régime de base, détecter l’apparition d’une formation de lithium en fonction de la valeur dudit rapport.
- applying the basic regime, having a first charging current, and a charging regime, called “secondary regime”, having a second charging current, the absolute value of the difference between the charging rate in the basic regime and the charging rate in the secondary regime being less than a threshold;
- acquire the battery terminal voltage and the battery charge quantity, during the basic regime and the secondary regime;
- determining a ratio between, on the one hand, the difference between the voltage at the terminals of the battery in the basic regime and that in the secondary regime, and on the other hand the difference between the first charging current and the second charging current, as a function of the quantity of charge; and
- for the basic regime, detect the appearance of lithium formation based on the value of said ratio.
Ledit rapport a l’avantage d’être relativement constant au début d’une charge, notamment lorsque la charge débute à partir d’une faible quantité de charges stockées dans la batterie, puis de s’effondrer quand il y a formation de lithium sur l’électrode négative. Cette variation forte du rapport permet de mieux identifier l’apparition d’un dépôt de lithium. La variation dudit rapport a l’avantage d’être plus régulière que celle de la courbe dU/dQ utilisée dans l’art antérieur. En outre, le procédé selon l’invention est efficace, quel que soit l’OCV du matériau de l’électrode positive.Said ratio has the advantage of being relatively constant at the start of a charge, in particular when the charge begins from a small quantity of charges stored in the battery, then of collapsing when there is formation of lithium on the negative electrode. This strong variation of the ratio makes it possible to better identify the appearance of a lithium deposit. The variation of said ratio has the advantage of being more regular than that of the dU/dQ curve used in the prior art. In addition, the method according to the invention is effective, whatever the OCV of the material of the positive electrode.
Selon un mode de réalisation, l’apparition d’un dépôt de lithium correspond à un dernier maximum, notamment un dernier maximum local, dudit rapport, précédant une chute d’au moins 10% dudit rapport.According to one embodiment, the appearance of a lithium deposit corresponds to a last maximum, in particular a last local maximum, of said ratio, preceding a fall of at least 10% of said ratio.
Selon un mode de réalisation, la valeur absolue de la différence entre le taux de charge du régime de base et le taux de charge du régime secondaire est inférieure à 0,5 et de préférence inférieure à 0,25.According to one embodiment, the absolute value of the difference between the load rate of the basic regime and the load rate of the secondary regime is less than 0.5 and preferably less than 0.25.
Selon un mode de réalisation, l’application du régime de base et du régime secondaire s’effectue en alternance au cours d’une charge de la batterie lithium-ion.According to one embodiment, the application of the basic regime and the secondary regime is carried out alternately during a charge of the lithium-ion battery.
Selon une variante, le régime secondaire est appliqué sur des durées négligeables par rapport aux durées sur lesquelles le régime de base est appliqué.According to one variant, the secondary regime is applied over periods that are negligible compared to the periods over which the basic regime is applied.
Selon une variante, le procédé comprend l’émission d’un signal de détection de formation de lithium lorsque la valeur du rapport devient inférieure ou égale à un seuil.According to one variant, the method comprises emitting a lithium formation detection signal when the value of the ratio becomes less than or equal to a threshold.
Selon une variante, ledit seuil est fonction de la quantité de charge Q de la batterie et est égal à :According to a variant, said threshold is a function of the quantity of charge Q of the battery and is equal to:
où Qtotest la quantité de charge maximale de la batterie en mAh, R0est la valeur initiale du rapport lors d’une charge de la batterie à partir d’un état de charge inférieur à 0,1Qtot, α est une constante comprise entre 0,75 et 0,95.where Q tot is the maximum charge quantity of the battery in mAh, R 0 is the initial value of the ratio when charging the battery from a state of charge less than 0.1Q tot , α is a constant between 0.75 and 0.95.
Selon une variante, le procédé comprend :
- lorsque la charge de la batterie a lieu depuis un état de charge inférieur ou égal à 0,1Qtot:
- la détermination du paramètre R0en calculant la moyenne dudit rapport pour des quantités de charge inférieures ou égales à 0,2Qtot;
- le stockage du paramètre R0dans une mémoire ; et
- l’utilisation du paramètre R0stocké en mémoire pour la détermination du seuil rs(Q) pour les quantités de charge supérieurs à 0,2Qtot,
- ou, lorsque la charge de la batterie a lieu depuis un état de charge supérieur à 0,1Qtot, l’utilisation du dernier paramètre R0stocké en mémoire pour la détection de la formation de lithium au cours de la charge.
- when the battery is charged from a state of charge less than or equal to 0.1Q total :
- determining the parameter R 0 by calculating the average of said ratio for load quantities less than or equal to 0.2Q total ;
- storing the parameter R 0 in a memory; and
- the use of the parameter R 0 stored in memory for the determination of the threshold r s (Q) for the quantities of charge greater than 0.2Q tot ,
- or, when the battery is charged from a state of charge greater than 0.1Q tot , the use of the last parameter R 0 stored in memory for the detection of lithium formation during charging.
Selon une variante, le procédé comprend :
- la comparaison entre les deux dernières valeurs du paramètre R0déterminées chacune lors d’une charge de la batterie depuis un état de charge inférieur ou égal à 0,1Qtot, et
- lorsque la différence entre lesdites deux dernières valeurs du paramètre R0est supérieure à un seuil, l’émission d’un signal de défaut de la batterie.
- the comparison between the last two values of the parameter R 0 each determined during a charge of the battery from a state of charge less than or equal to 0.1Q tot , and
- when the difference between the last two values of parameter R 0 is greater than a threshold, the emission of a battery fault signal.
Selon une variante, la charge de la batterie lithium-ion est une charge rapide présentant des paliers de courant de charge décroissants, le procédé comprenant la détection de la formation de lithium pour une pluralité de régimes de base, chaque régime de base correspondant à un desdits paliers de courant.According to a variant, the charging of the lithium-ion battery is a rapid charge having decreasing charging current levels, the method comprising detecting the formation of lithium for a plurality of basic regimes, each basic regime corresponding to one of said current levels.
Selon un mode de réalisation :
- l’application du régime de base s’effectue sur une première charge complète de la batterie, la tension aux bornes de la batterie étant acquise en fonction de la quantité de charge de la batterie,
- l’application du régime secondaire s’effectue sur une deuxième charge complète de la batterie, la tension aux bornes de la batterie étant acquise en fonction de la quantité de charge de la batterie.
- the application of the basic regime is carried out on a first complete charge of the battery, the voltage at the terminals of the battery being acquired according to the quantity of charge of the battery,
- the application of the secondary regime is carried out on a second complete charge of the battery, the voltage at the battery terminals being acquired according to the quantity of charge of the battery.
Selon une variante, le procédé comprend :
- la détection d’un dépôt de lithium pour une pluralité de régimes de base ;
- le stockage dans une mémoire d’une table comprenant, pour chacun de la pluralité de régime de base, la quantité de charge respectif à partir duquel il y a apparition d’un dépôt de lithium ; et
- lors d’une charge ultérieure de la batterie, l’utilisation de ladite table pour détecter l’apparition d’une formation de lithium sur une électrode en fonction du courant de charge appliqué et de la quantité de charge de la batterie.
- the detection of a lithium deposit for a plurality of basic regimes;
- storing in a memory a table comprising, for each of the plurality of basic regimes, the respective charge quantity from which a lithium deposit appears; and
- upon subsequent charging of the battery, using said table to detect the occurrence of lithium formation on an electrode as a function of the charging current applied and the amount of battery charge.
Système de gestion de batterie lithium-ion configuré pour mettre en œuvre un procédé de détection d’une formation de lithium sur une électrode selon l’invention au cours d’une charge de la batterie lithium-ion.Lithium-ion battery management system configured to implement a method for detecting a formation of lithium on an electrode according to the invention during charging of the lithium-ion battery.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux figures annexées suivantes :
Other characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the description which follows in relation to the following appended figures:
Un premier exemple de procédé selon l’invention va être décrit en relation avec les figures 2 à 4. Le procédé permet de détecter la formation de lithium, notamment de lithium métallique, sur une électrode négative d’une batterie lithium ion.A first example of a method according to the invention will be described in relation to figures 2 to 4. The method makes it possible to detect the formation of lithium, in particular metallic lithium, on a negative electrode of a lithium ion battery.
A cet effet, le procédé comporte la détection de la formation de lithium sur un régime de charge, dit régime de base 1a, ayant un premier courant de charge I1a. Comme par exemple illustré en
Le régime secondaire 2a est choisi de sorte que le taux de charge C1 du régime de base 1a et le taux de charge C2 du régime secondaire 2a soient proches. A cet égard, le régime secondaire 2a peut avoir un courant de charge I2aplus élevé ou plus faible que le courant de charge I1adans le régime de base 1a. Autrement dit, le régime de base 1a et le régime secondaire 2a sont choisis de sorte que la valeur absolue de la différence C2-C1 entre le taux de charge C1 dans le régime de base 1a et le taux de charge C2 dans le régime secondaire 2a soit inférieure à un seuil.The secondary regime 2a is chosen so that the charge rate C1 of the base regime 1a and the charge rate C2 of the secondary regime 2a are close. In this respect, the secondary regime 2a may have a higher or lower charge current I 2a than the charge current I 1a in the base regime 1a. In other words, the base regime 1a and the secondary regime 2a are chosen so that the absolute value of the difference C2-C1 between the charge rate C1 in the base regime 1a and the charge rate C2 in the secondary regime 2a is less than a threshold.
Comme par exemple illustré en
La
En particulier, la quantité de charges pour laquelle il y a apparition d’un dépôt de lithium correspond à un dernier maximum, notamment un dernier maximum local, du rapport R précédant une chute d’au moins 10% dudit rapport. En considérant une valeur de chute faible on peut détecter la formation de lithium au plus tôt, mais on court alors le risque de fausses détections dues à des variations intrinsèques de la courbe du rapport. En prenant une valeur de chute plus élevée on peut éviter une fausse détection, mais possiblement au détriment de la précision de la détection de la formation de lithium.In particular, the amount of charge for which a lithium deposit appears corresponds to a last maximum, in particular a last local maximum, of the ratio R preceding a fall of at least 10% of said ratio. By considering a low fall value, the formation of lithium can be detected as early as possible, but there is then the risk of false detections due to intrinsic variations in the ratio curve. By taking a higher fall value, a false detection can be avoided, but possibly to the detriment of the accuracy of the detection of lithium formation.
Le taux de charge C1 du régime de base 1a et celui C2 du régime secondaire 2a sont de préférence proches pour que la détection de la formation de lithium par le rapport R soit significative. Par exemple, la valeur absolue de la différence entre le taux de charge C1 du régime de base 1a et le taux de charge C2 du régime secondaire 2a est inférieure ou égale à 0,5 et de préférence inférieure à 0, 25. Cependant, la valeur absolue de la différence entre le taux de charge C1 du régime de base 1a et le taux de charge C2 du régime secondaire 2a est de préférence suffisamment grande pour donner un résultat significatif, compte tenu d’une précision avec laquelle les tensions U1aU2asont acquises.The charge rate C1 of the basic regime 1a and that C2 of the secondary regime 2a are preferably close so that the detection of lithium formation by the ratio R is meaningful. For example, the absolute value of the difference between the charge rate C1 of the basic regime 1a and the charge rate C2 of the secondary regime 2a is less than or equal to 0.5 and preferably less than 0.25. However, the absolute value of the difference between the charge rate C1 of the basic regime 1a and the charge rate C2 of the secondary regime 2a is preferably large enough to give a meaningful result, taking into account the precision with which the voltages U 1a U 2a are acquired.
Le premier exemple 3 de procédé est selon un premier mode de réalisation dans lequel le régime de base 1a et le régime secondaire 2a sont appliqués en alternance au cours d’une charge de la batterie. Autrement dit, au cours d’une même charge, le régime de base 1a et le régime secondaire 2a sont appliqués successivement. Ainsi, en monitorant le rapport R entre le régime de base 1a et le régime secondaire 2a, on peut détecter l’apparition d’un dépôt de lithium au cours même de la charge. En particulier, le procédé selon ce mode de réalisation permet une détection en temps réel d’une apparition d’un dépôt de lithium au cours de la charge. Notamment, dans le contexte de la présente demande, on entend par « charge », l’application sans interruption d’un courant électrique aux bornes de la batterie Li-ion en vue d’augmenter la quantité de charges stockées dans la batterie.The first method example 3 is according to a first embodiment in which the basic regime 1a and the secondary regime 2a are applied alternately during a charge of the battery. In other words, during the same charge, the basic regime 1a and the secondary regime 2a are applied successively. Thus, by monitoring the ratio R between the basic regime 1a and the secondary regime 2a, it is possible to detect the appearance of a lithium deposit during the charge itself. In particular, the method according to this embodiment allows real-time detection of the appearance of a lithium deposit during the charge. In particular, in the context of the present application, the term “charge” means the uninterrupted application of an electric current to the terminals of the Li-ion battery in order to increase the quantity of charges stored in the battery.
Notamment, le régime secondaire 2a est appliqué sur des durées négligeables par rapport aux durées sur lesquelles le régime de base 1a est appliqué. En particulier, le régime de base 1a est un régime nominal de la charge. Le régime secondaire 2a est donc suffisamment court pour ne pas perturber la charge de la batterie avec le régime de base. Notamment, le rapport entre une durée d’application du régime secondaire et une durée d’application du régime de base est inférieur ou égal à 10-2. L’application du régime secondaire 2a prend notamment la forme d’impulsions au cours du régime de base 1a. Par exemple, une occurrence du régime secondaire 2a a une durée comprise entre 1s et 10s. Ainsi, en
De préférence, le régime secondaire 2a est appliqué périodiquement. Ainsi, le rapport R peut être déterminé régulièrement au cours de la charge, et permettre alors une détection régulière d’un dépôt de lithium sur l’électrode négative. Par exemple, le régime secondaire 2a est appliqué avec une période Ts comprise entre 50s et 1000s. Notamment, une période Ts plus courte que 50s pourrait conduire à des perturbations du régime de base 1a, tandis que des périodes plus grandes que 1000s ne permettraient pas un échantillonnage assez précis pour détecter le moment du dépôt de lithium.Preferably, the secondary regime 2a is applied periodically. Thus, the ratio R can be determined regularly during charging, and then allow regular detection of lithium deposition on the negative electrode. For example, the secondary regime 2a is applied with a period Ts between 50s and 1000s. In particular, a period Ts shorter than 50s could lead to disturbances of the basic regime 1a, while periods greater than 1000s would not allow sampling precise enough to detect the moment of lithium deposition.
De préférence, la différence entre le taux de charge C1 du régime de base 1a et le taux de charge C2 du régime secondaire 2a est inférieure ou égale à 0,5 et de préférence inférieure à 0,25. Ainsi, en
Comme par exemple illustré en
En
En comparant les courbes entre elles, on constate notamment que plus le taux de charge est élevé plus la chute du rapport R indicatrice d’une formation de lithium est marquée et apparait précocement. En particulier, la chute du rapport R reste suffisamment marquée pour un régime de base ayant un taux de charge supérieur ou égal à un seuil, par exemple 0.75C, notamment pour un exemple de batterie de type NMC 811-graphite. Cependant, le taux de charge minimal pour lequel la chute du rapport R reste significative dépend du type de batterie Li-ion et de son état de vieillissement.Comparing the curves with each other, we note in particular that the higher the charge rate, the more the drop in the R ratio, indicating lithium formation, is marked and appears earlier. In particular, the drop in the R ratio remains sufficiently marked for a basic regime having a charge rate greater than or equal to a threshold, for example 0.75C, in particular for an example of an NMC 811-graphite type battery. However, the minimum charge rate for which the drop in the R ratio remains significant depends on the type of Li-ion battery and its state of aging.
En particulier, la batterie est apte à recevoir une quantité de charge maximale Qtot. Notamment, pour des quantités de charges stockées Q inférieures à 0,2Qtot, le rapport R est sensiblement constant pour une quantité de charge donnée quel que soit le régime de charge considéré. Ceci est notamment le cas dans des conditions de fonctionnement normales, c’est-à-dire hors de toute formation de lithium sur l’électrode négative. Par exemple en
Une telle décroissance est par exemple représentée en
Où Qtotest la quantité de charge maximale de la batterie en mAh,
R0est la valeur initiale du rapport lors d’une charge de la batterie à partir d’un état de charge inférieur à 0,1Qtot.Where Q tot is the maximum charge quantity of the battery in mAh,
R 0 is the initial value of the ratio when charging the battery from a state of charge less than 0.1Q tot .
Lorsque du lithium commence à se former sur l’électrode négative, il y a une chute relativement forte du rapport R. Le dernier maximum avant la chute du rapport R est notamment à environ 8 mAh pour le premier exemple 3 de procédé. Cependant pour éviter de fausses détections, on peut choisir de déclencher l’émission d’un signal de détection de formation de lithium lorsque la valeur du rapport R devient inférieure ou égale à un seuil rs. Le seuil rsest par exemple défini par l’expression :When lithium begins to form on the negative electrode, there is a relatively sharp drop in the R ratio. The last maximum before the drop in the R ratio is notably around 8 mAh for the first process example 3. However, to avoid false detections, one can choose to trigger the emission of a lithium formation detection signal when the value of the R ratio becomes less than or equal to a threshold r s . The threshold r s is for example defined by the expression:
Où α est une constante comprise entre 0,75 et 0,95.Where α is a constant between 0.75 and 0.95.
Ainsi, le seuil rsest notamment une translation de la droite r correspondant à l’allure du rapport R dans les conditions normales de fonctionnement, avec un facteur réducteur α. Par exemple, le facteur réducteur α est égal à 0.90. En particulier, le franchissement du seuil rsprovoquera l’émission d’un signal de détection d’un dépôt de lithium sur l’électrode négative. En cas d’un échauffement de la batterie au cours de la charge, l’allure du rapport R peut varier, le seuil rspeut alors être adapté. Notamment, un échauffement de la batterie se traduit par une pente décroissante moyenne plus importante du rapport R avant la zone de formation de lithium. Cependant, une chute brutale du rapport R restera encore significative d’une formation de lithium. Le seuil rsest de préférence corrigé pour tenir compte de l’échauffement.Thus, the threshold r s is in particular a translation of the straight line r corresponding to the shape of the ratio R under normal operating conditions, with a reduction factor α. For example, the reduction factor α is equal to 0.90. In particular, crossing the threshold r s will cause the emission of a signal detecting a lithium deposit on the negative electrode. In the event of heating of the battery during charging, the shape of the ratio R may vary, the threshold r s can then be adapted. In particular, heating of the battery results in a greater average decreasing slope of the ratio R before the lithium formation zone. However, a sudden drop in the ratio R will still be significant of lithium formation. The threshold r s is preferably corrected to take into account the heating.
La détection de l’apparition d’un dépôt de lithium peut être faite par un autre moyen que le franchissement d’un seuil. Par exemple, elle peut être faite par la détermination de la pente locale du rapport R, notamment après filtrage du bruit. Ou alors, par la détection par une intelligence artificielle d’un profil en S du rapport R, ledit profil étant significatif de l’apparition du dépôt de lithium.The detection of the appearance of a lithium deposit can be done by means other than crossing a threshold. For example, it can be done by determining the local slope of the R ratio, in particular after noise filtering. Or, by the detection by artificial intelligence of an S-shaped profile of the R ratio, said profile being significant of the appearance of the lithium deposit.
La valeur initiale R0du rapport R peut être déterminée lors de la charge. C’est notamment le cas lorsque la charge démarre à partir d’une quantité de charges de la batterie qui est inférieure à 0,1Qtot. La valeur initiale R0peut alors correspondre à la moyenne du rapport R pour des quantités de charges inférieures ou égales à 0,2Qtot. La valeur initiale R0ainsi déterminée est alors stockée dans une mémoire, notamment une mémoire d’un système de gestion de batterie, pour être utilisée dans la détermination du seuil rspour les quantités de charges supérieures à 0,2Qtot.The initial value R 0 of the ratio R can be determined during charging. This is particularly the case when charging starts from a battery charge quantity that is less than 0.1Q tot . The initial value R 0 can then correspond to the average of the ratio R for charge quantities less than or equal to 0.2Q tot . The initial value R 0 thus determined is then stored in a memory, particularly a memory of a battery management system, to be used in determining the threshold r s for charge quantities greater than 0.2Q tot .
Alternativement, la valeur initiale R0utilisée dans la charge peut être une valeur stockée en mémoire, notamment dans une mémoire d’un système de gestion de batterie. C’est notamment le cas lorsque la charge de la batterie s’effectue à partir d’une quantité de charge de la batterie qui est supérieure à 0,1Qtot. En particulier, la valeur initiale R0correspond alors à la dernière valeur stockée en mémoire lors d’une charge précédente à partir d’une quantité de charges inférieure à 0,1Qtot.Alternatively, the initial value R 0 used in the charge may be a value stored in memory, in particular in a memory of a battery management system. This is particularly the case when the battery is charged from a battery charge quantity that is greater than 0.1Q tot . In particular, the initial value R 0 then corresponds to the last value stored in memory during a previous charge from a charge quantity less than 0.1Q tot .
La détermination de la valeur initiale R0peut être réalisée à chaque charge de la batterie débutant à partir d’une quantité de charges stockées initiale inférieure ou égale à 0,1Qtot. La détermination de la valeur initiale R0peut aussi être réalisée toutes les X charges débutant à partir d’une quantité de charges stockées initiale inférieure ou égale à 0,1Qtot, X étant un entier naturel.The determination of the initial value R 0 can be carried out at each charge of the battery starting from an initial quantity of stored charges less than or equal to 0.1Q tot . The determination of the initial value R 0 can also be carried out every X charges starting from an initial quantity of stored charges less than or equal to 0.1Q tot , X being a natural number.
L’évolution de la valeur initiale R0au cours des charges de la batterie peut être significative d’un vieillissement de la batterie. Par exemple, on peut comparer les deux dernières valeurs du paramètre R0déterminées chacune lors d’une charge de la batterie. Une forte différence entre ces deux dernières valeurs du paramètre R0peut être significative d’une détérioration brutale et importante de la batterie. Ainsi, on peut prévoir que lorsque la différence entre les deux dernières valeurs du paramètre R0est supérieure à un seuil, il y a émission d’un signal de défaut de la batterie, notamment par un système de gestion de la batterie.The evolution of the initial value R 0 during battery charging can be significant of battery aging. For example, we can compare the last two values of the parameter R 0 each determined during a battery charge. A large difference between these last two values of the parameter R 0 can be significant of a sudden and significant deterioration of the battery. Thus, we can predict that when the difference between the last two values of the parameter R 0 is greater than a threshold, a battery fault signal is emitted, in particular by a battery management system.
Le premier exemple 3 de procédé a été décrit avec un régime de base 1a, ayant un premier courant de charge I1aconstant, et un régime secondaire 2a ayant un courant de charge I2aconstant, comme par exemple illustré en
Les figures 5 et 6 représentent un troisième exemple de charge rapide 5, dans lequel le courant de charge varie au cours de la charge. L’exemple de charge rapide 5 est notamment mis en œuvre sur une batterie Li-ion de type NMC 811-graphite. En
Notamment, le troisième exemple de procédé est appliqué avec un premier régime de base 1a, ayant un courant de charge constant I1acorrespondant au premier palier de courant. Puis, le troisième exemple de procédé est appliqué avec un deuxième régime de base 1b, ayant un courant de charge constant I1bcorrespondant au deuxième palier de courant, et ainsi de suite pour le ou les autres paliers de courant.In particular, the third method example is applied with a first basic regime 1a, having a constant load current I 1a corresponding to the first current level. Then, the third method example is applied with a second basic regime 1b, having a constant load current I 1b corresponding to the second current level, and so on for the other current level(s).
Le troisième exemple de procédé peut être mis en œuvre avec un régime secondaire 2a ayant un courant de charge I2asupérieur au courant de charge I1adu régime de base 1a, ou avec un régime secondaire 2a’ ayant un courant de charge I2a’inférieur au courant de charge I1adu régime de base 1a. Notamment, une charge de la batterie peut être mise en œuvre avec le troisième exemple de procédé n’utilisant que des impulsions positives, c’est-à-dire avec un régime secondaire 2a ayant un courant de charge supérieur à celui du régime de base 1a ; ou que des impulsions négatives, c’est-à-dire avec un régime secondaire 2a’ ayant un courant de charge I2a’inférieur à celui du régime de base 1a ; ou les deux.The third method example can be implemented with a secondary regime 2a having a charging current I 2a greater than the charging current I 1a of the base regime 1a, or with a secondary regime 2a' having a charging current I 2a' less than the charging current I 1a of the base regime 1a. In particular, charging of the battery can be implemented with the third method example using only positive pulses, i.e. with a secondary regime 2a having a charging current greater than that of the base regime 1a; or only negative pulses, i.e. with a secondary regime 2a' having a charging current I 2a' less than that of the base regime 1a; or both.
La
La
La
Un autre exemple de procédé selon l’invention va maintenant être décrit en relation avec les figures 9 à 12. Ces figures présentent des graphes acquis sur une batterie Li-ion de type NMC 811-graphite. Cependant, des résultats similaires peuvent être obtenus sur une batterie Li-ion d’un autre type. Le procédé permet de détecter la formation de lithium, notamment de lithium métallique, sur une électrode négative d’une batterie lithium-ion.Another example of a method according to the invention will now be described in relation to Figures 9 to 12. These figures show graphs acquired on a Li-ion battery of the NMC 811-graphite type. However, similar results can be obtained on a Li-ion battery of another type. The method makes it possible to detect the formation of lithium, in particular metallic lithium, on a negative electrode of a lithium-ion battery.
A cet effet, le procédé comporte la détection de la formation de lithium sur un régime de charge, dit « régime de base » Ia. Comme par exemple illustré en
Le régime secondaire IIa est choisi de sorte que le taux de charge C1 du régime de base Ia et le taux de charge C2 du régime secondaire IIa soient proches. A cet égard, le régime secondaire IIa peut avoir un courant de charge I2aplus élevé ou plus faible que le courant de charge I1adans le régime de base Ia. Autrement dit, le régime de base Ia et le régime secondaire IIa sont choisis de sorte que la valeur absolue de la différence C2-C1 entre le taux de charge C1 dans le régime de base Ia et le taux de charge C2 dans le régime secondaire IIa soit inférieure à un seuil. Par exemple, en
La tension UIaaux bornes de la batterie Li-ion est acquise pendant le régime de base Ia, de même que la tension UIIaaux bornes de la batterie pendant le régime secondaire IIa. La quantité de charge Q de la batterie est également acquise, notamment en parallèle à l’acquisition des tensions UIa, UIIaaux bornes de la batterie pendant le régime de base Ia et le régime secondaire IIa. Comme par exemple illustré en
La
En particulier, la quantité de charge pour laquelle il y a apparition d’un dépôt de lithium correspond à un dernier maximum, notamment un dernier maximum local, du rapport R précédant une chute d’au moins 10% dudit rapport. En considérant une valeur de chute faible on peut détecter la formation de lithium au plus tôt, mais on court alors le risque de fausses détections dues à des variations intrinsèques de la courbe du rapport. En prenant une valeur de chute plus élevée on peut éviter une fausse détection, mais possiblement au détriment de la précision de la détection de la formation de lithium.In particular, the amount of charge for which a lithium deposit appears corresponds to a last maximum, in particular a last local maximum, of the ratio R preceding a drop of at least 10% of said ratio. By considering a low drop value, the formation of lithium can be detected as early as possible, but there is then the risk of false detections due to intrinsic variations in the ratio curve. By taking a higher drop value, a false detection can be avoided, but possibly to the detriment of the accuracy of the detection of lithium formation.
Le taux de charge C1 du régime de base Ia et celui C2 du régime secondaire IIa sont de préférence proches pour que la détection de la formation de lithium par le rapport R soit significative. Par exemple, la valeur absolue de la différence entre le taux de charge C1 du régime de base Ia et le taux de charge C2 du régime secondaire IIa est inférieure à 0,5 et de préférence inférieure à 0, 25. Cependant, la valeur absolue de la différence entre le taux de charge C1 du régime de base Ia et le taux de charge C2 du régime secondaire IIa est de préférence suffisamment grande pour donner un résultat significatif, compte tenu d’une précision avec laquelle les tensions UI a, UII asont acquises.The charge rate C1 of the basic regime Ia and that C2 of the secondary regime IIa are preferably close so that the detection of lithium formation by the ratio R is meaningful. For example, the absolute value of the difference between the charge rate C1 of the basic regime Ia and the charge rate C2 of the secondary regime IIa is less than 0.5 and preferably less than 0.25. However, the absolute value of the difference between the charge rate C1 of the basic regime Ia and the charge rate C2 of the secondary regime IIa is preferably large enough to give a meaningful result, taking into account the precision with which the voltages U I a , U II a are acquired.
L’exemple de procédé est selon un deuxième mode de réalisation dans lequel le régime de base Ia est appliqué sur une première charge complète de la batterie ; et le régime secondaire IIa est appliqué sur une deuxième charge complète de la batterie. Autrement dit, dans le deuxième mode de réalisation, le régime de base Ia et le régime secondaire IIa sont appliqués au cours de charges différentes. Sur la première charge, la tension UIaaux bornes de la batterie est acquise en fonction de la quantité de charge Q de la batterie. Sur la deuxième charge, la tension UI I aaux bornes de la batterie est acquise en fonction de la quantité de charge Q de la batterie. Le procédé selon le deuxième mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsqu’il est possible de réaliser un calibrage de la batterie Li-ion, soit en fin de la chaine de production de la batterie, ou sur un banc de test du véhicule lorsque la batterie est montée dans celui-ci. Ainsi, avec le procédé selon le deuxième mode de réalisation, on peut déterminer pour le régime de base Ia, la charge de batterie à partir de laquelle il y a apparition du dépôt de lithium. Cette information peut être alors stockée dans une mémoire, notamment dans une mémoire d’un système de gestion de la batterie, pour une utilisation au cours de la vie de la batterie. Par exemple, l’information peut être utilisée pour stopper ou changer le régime de charge, lorsque la batterie est chargée avec le régime de base et que la charge de la batterie atteint la charge identifiée au préalable, à partir de laquelle il y a formation d’un dépôt de lithium.The exemplary method is according to a second embodiment in which the basic regime Ia is applied to a first complete charge of the battery; and the secondary regime IIa is applied to a second complete charge of the battery. In other words, in the second embodiment, the basic regime Ia and the secondary regime IIa are applied during different charges. On the first charge, the voltage U Ia at the terminals of the battery is acquired as a function of the charge quantity Q of the battery. On the second charge, the voltage U I I a at the terminals of the battery is acquired as a function of the charge quantity Q of the battery. The method according to the second embodiment is particularly advantageous when it is possible to carry out a calibration of the Li-ion battery, either at the end of the battery production line, or on a vehicle test bench when the battery is mounted therein. Thus, with the method according to the second embodiment, it is possible to determine for the basic regime Ia, the battery charge from which the lithium deposit appears. This information may then be stored in a memory, in particular in a memory of a battery management system, for use during the life of the battery. For example, the information may be used to stop or change the charging rate, when the battery is charged with the basic rate and the battery charge reaches the previously identified charge, from which a lithium deposit is formed.
De préférence, l’exemple de procédé est mis en œuvre pour plusieurs régimes de base. Par exemple, la
En particulier, l’exemple de procédé de détection de la formation de lithium est efficace pour un régime de charge ayant un taux de charge supérieur ou égal à un seuil. Par exemple, en
Pour comparaison, la
Ainsi, pour chacun des régimes de charge appliqués, on obtient à partir de l’allure du rapport R, la quantité de charge respective à partir de laquelle il y a formation d’un dépôt de lithium. Ces informations peuvent être stockées sous forme de table dans une mémoire, notamment une mémoire d’un système de gestion de la batterie.Thus, for each of the charging regimes applied, the respective charge quantity from which a lithium deposit is formed is obtained from the shape of the ratio R. This information can be stored in the form of a table in a memory, in particular a memory of a battery management system.
Notamment, lors d’une charge ultérieure de la batterie, les informations stockées dans la table permettent de déterminer l’apparition d’une formation de lithium en fonction du courant de charge, c’est-à-dire du taux de charge, et de la quantité de charge stockée dans la batterie. Ainsi, avant d’atteindre la quantité de charge à partir de laquelle il y a formation de lithium, on peut effectuer un changement vers un régime de charge plus avantageux, à savoir un régime de charge pour lequel la quantité de charge pour laquelle il y a formation de lithium est plus élevée.In particular, during a subsequent charge of the battery, the information stored in the table makes it possible to determine the occurrence of lithium formation as a function of the charging current, i.e. the charging rate, and the quantity of charge stored in the battery. Thus, before reaching the quantity of charge from which lithium formation occurs, a change can be made to a more advantageous charging regime, i.e. a charging regime for which the quantity of charge for which lithium formation occurs is higher.
Les graphes illustrés sur les figures sont acquis à température constante, telle que 25°C. Cependant, la température pourrait être variable tout en permettant une application du procédé selon l’invention. Les exemples de procédés ont été décrits avec des valeurs de taux de charge qui sont illustratives. D’autres valeurs de taux de charge peuvent être utilisées tout en restant dans l’esprit de l’invention.The graphs illustrated in the figures are acquired at a constant temperature, such as 25°C. However, the temperature could be variable while still allowing application of the method according to the invention. The example methods have been described with loading rate values which are illustrative. Other loading rate values can be used while remaining within the spirit of the invention.
Claims (13)
- appliquer le régime de base 1a, Ia, ayant un premier courant de charge I1a, IIa, et un régime de charge 2a, IIa, dit « régime secondaire », ayant un deuxième courant de charge I2a, IIIa, la valeur absolue de la différence entre le taux de charge C1 dans le régime de base 1a, Ia et le taux de charge C2 dans le régime secondaire 2a, IIa étant inférieure à un seuil ;
- acquérir la tension U aux bornes de la batterie et la quantité de charge Q de la batterie, au cours du régime de base 1a, Ia et du régime secondaire 2a, IIa ;
- déterminer un rapport R entre d’une part la différence ΔU entre la tension U1a, UI aaux bornes de la batterie dans le régime de base 1a, Ia et celle U2 a, UII adans le régime secondaire 2a, IIa, et d’autre part la différence ΔI entre le premier courant de charge I1a, IIaet le second courant de charge I2 a, II I a, en fonction de la quantité de charge Q ; et
- pour le régime de base 1a, Ia, détecter l’apparition d’une formation de lithium en fonction de la valeur dudit rapport R.
- applying the basic regime 1a, Ia, having a first charging current I 1a , I Ia , and a charging regime 2a, IIa, called “secondary regime”, having a second charging current I 2a , I IIa , the absolute value of the difference between the charging rate C1 in the basic regime 1a, Ia and the charging rate C2 in the secondary regime 2a, IIa being less than a threshold;
- acquire the voltage U at the terminals of the battery and the quantity of charge Q of the battery, during the basic regime 1a, Ia and the secondary regime 2a, IIa;
- determining a ratio R between on the one hand the difference ΔU between the voltage U 1a , U I a at the terminals of the battery in the basic regime 1a, Ia and that U 2 a , U II a in the secondary regime 2a, IIa, and on the other hand the difference ΔI between the first charging current I 1a , I Ia and the second charging current I 2 a , I I I a , as a function of the quantity of charge Q; and
- for the basic regime 1a, Ia, detect the appearance of lithium formation as a function of the value of said ratio R.
Où Qtotest la quantité de charge maximale de la batterie en mAh, R0est la valeur initiale du rapport lors d’une charge de la batterie à partir d’un état de charge inférieur à 0,1Qtot, α est une constante comprise entre 0,75 et 0,95.Method according to the preceding claim, in which said threshold r s is a function of the quantity of charge Q of the battery and is equal to:
Where Q tot is the maximum charge quantity of the battery in mAh, R 0 is the initial value of the ratio when charging the battery from a state of charge less than 0.1Q tot , α is a constant between 0.75 and 0.95.
- lorsque la charge de la batterie a lieu depuis un état de charge inférieur ou égal à 0,1Qtot:
- la détermination du paramètre R0en calculant la moyenne dudit rapport R pour des quantités de charge Q inférieurs ou égales à 0,2Qtot;
- le stockage du paramètre R0dans une mémoire ; et
- l’utilisation du paramètre R0stocké en mémoire pour la détermination du seuil rspour les quantités de charge supérieures à 0,2Qtot,
- ou, lorsque la charge de la batterie a lieu depuis un état de charge supérieur à 0,1Qtot, l’utilisation du dernier paramètre R0stocké en mémoire pour la détection de la formation de lithium au cours de la charge.
- when the battery is charged from a state of charge less than or equal to 0.1Q total :
- determining the parameter R 0 by calculating the average of said ratio R for quantities of charge Q less than or equal to 0.2Q total ;
- storing the parameter R 0 in a memory; and
- the use of the parameter R 0 stored in memory for the determination of the threshold r s for load quantities greater than 0.2Q tot ,
- or, when the battery is charged from a state of charge greater than 0.1Q tot , the use of the last parameter R 0 stored in memory for the detection of lithium formation during charging.
- la comparaison entre les deux dernières valeurs du paramètre R0déterminées chacune lors d’une charge de la batterie depuis un état de charge inférieur ou égal à 0,1Qtot, et
- lorsque la différence entre lesdites deux dernières valeurs du paramètre R0est supérieure à un seuil, l’émission d’un signal de défaut de la batterie.
- the comparison between the last two values of the parameter R 0 each determined during a charge of the battery from a state of charge less than or equal to 0.1Q tot , and
- when the difference between the last two values of parameter R 0 is greater than a threshold, the emission of a battery fault signal.
- l’application du régime de base Ia s’effectue sur une première charge complète de la batterie, la tension U aux bornes de la batterie étant acquise en fonction de la quantité de charge Q de la batterie,
- l’application du régime secondaire IIa s’effectue sur une deuxième charge complète de la batterie, la tension U aux bornes de la batterie étant acquise en fonction de la quantité de charge Q de la batterie.
- the application of the basic regime Ia is carried out on a first complete charge of the battery, the voltage U at the terminals of the battery being acquired as a function of the quantity of charge Q of the battery,
- the application of the secondary regime IIa is carried out on a second complete charge of the battery, the voltage U at the terminals of the battery being acquired as a function of the quantity of charge Q of the battery.
- la détection d’un dépôt de lithium pour une pluralité de régimes de base ;
- le stockage dans une mémoire d’une table comprenant, pour chacun de la pluralité de régime de base, la quantité de charge respectif à partir duquel il y a apparition d’un dépôt de lithium ; et
- lors d’une charge ultérieure de la batterie, l’utilisation de ladite table pour détecter l’apparition d’une formation de lithium sur une électrode en fonction du courant de charge appliqué et de la quantité de charge de la batterie.
- the detection of a lithium deposit for a plurality of basic regimes;
- storing in a memory a table comprising, for each of the plurality of basic regimes, the respective charge quantity from which a lithium deposit appears; and
- upon subsequent charging of the battery, using said table to detect the occurrence of lithium formation on an electrode as a function of the charging current applied and the amount of battery charge.
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