Les systèmes batterie Li-ion

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Mireille Bouffard
il y a 8 ans
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1 Captronic 02 juillet 2015 Les systèmes batterie Li-ion

2 Battery R&T at CEA Micro-nanotechnologies and system integration Software-intensive systems New energy technologies and nanomaterials Solar/building employees 10 Research centers 4B annual budget 580 priority patents filed / year 120 new high tech companies created since 1984 Electric transport Thermal/biomass/H2 Nanomaterials / large surface electronics 2

3 Battery R&T at CEA Innovate and support industry on the whole value chain from materials to system applications 3

4 Press releases ou la vraie fausse information «une batterie permettant la recharge du véhicule en 10 minutes» 4

5 From system application to Battery system specification Usage / Mission Customer services Regulations Battery system specification Power mission profile Temperature mission profile Life time 5

Battery system design process Choose the adequate battery cell for the application Tests Characterization Modeling Algorithms Thermal Design Pack Architecture Connection Casing Sensors U, I, Temp,

6 Battery system design process Choose the adequate battery cell for the application Tests Characterization Modeling Algorithms Thermal Design Pack Architecture Connection Casing Sensors U, I, Temp, CPU Control algorithms State indicators SOC, SOH, BMS Actuators Safety, thermal, Cells Balancing Communication HMI Diagnostic ECUs Ensure safety Improve performances: Life Cycle Cost ( /kwh, /km) Improve service, maintenance, diagnosis Improve information for end user 6

7 Battery datasheet & SOC Charge 0,7C U: 3,6V Capacity: 2,9Ah E: U*Capacity = 10,4Wh Charge rate: 0,7C = 2,0A, 1,42h (85mn) Discharge rate: 2C = 5,8A, 30mn SOC: Instantaneous Capacity stored = % of Capacity SOC C Discharge 2C 7

8 Battery datasheet & SOC Charge 0,7C U: 3,6V Capacity: 2,9Ah E: U*Capacity = 10,4Wh Charge rate: 0,7C = 2,0A, 1,42h (85mn) Discharge rate: 2C = 5,8A, 30mn SOC: Instantaneous Capacity stored = % of Capacity SOC C Discharge 2C 8

9 Battery aging & SOH Charge 0,7C U: 3,6V Capacity: 2,9Ah E: U*Capacity = 10,4Wh Charge rate: 0,7C = 2,0A, 1,42h (85mn) Discharge rate: 2C = 5,8A, 30mn SOC: Instantaneous Capacity stored = % of Capacity SOH: Remaining Capacity = % of initial Capacity Internal Resistance (increase with aging) = f (I, DOD, Temp) Discharge 2C SOH SOC C DOD & Calendar aging = f (t, SOC, Temp) 9

10 Adaptive SOC, taking into account SOH SOC estimation using a Kalman filter combining coulomb counting method and Equivalent Electrical Circuit approach SOC(%) Influence of the Kalman Filter on an offset of the SOC estimation Influence de l'initialisation du Kalman kalman 1 RC 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% Temps(s) R e C R t Regular calibration of the SOC not only at rest but also during the use of the battery 10

11 Available Energy: SOE SOE = f (SOC, Power profile, Temp) SOE D O N N E E S E N T R E E P T Validation Exemple de tests, validation here à 0 C at 0 C SOE fonctio 60% 50% 40% EXPERIMEN- TATION U 30% 20% 10% SIMULATION SoE 0% Dernier pas 0% Simulation Experimentation (a) Error < +/-3% (b) 11

12 Characterize with standard protocol as many technologies as possible 12

13 Battery system sizing & management Modeling approach Charge rate C SOH DOD SOC + application energy modeling + mission profile Simulation Discharge rate Sizing & management Embedded capacity Usable DOD Charge algorithms Discharge algorithms SOC, SOH, SOE algorithms 13

14 Chemistry Cell design System architecture Which battery for each application Reliability & Safety Customer requirement (application, cost, life-span, ) 14

15 Abuse tests On distingue généralement tout un panel de tests en 3 catégories: Tests électriques - Surcharge - Surdécharge - Court-circuit (5mW, 50mW, 100mW) Tests mécaniques - Écrasement Très critiques - Vibration / choc - Impact / chute - Vide (simulation altitude) - Clou (pas une norme mais utilisé par tous) Tests thermiques - Feu - Choc thermique - Cyclage thermique - Stabilité thermique = emballement - Echauffement tunnel (130 C/10mn) Lien fort Lien fort 15

16 Température d'emballement (en C) Which battery for each application Thermal stability Températures d emballement vs technologie 120 LTO: attention à la cathode choisie!!! 110 Moyenne = 93 C Moyenne = 83 C Moyenne = 71 C densité volumique d'énergie (en Wh/l) Lien avec les tests mécaniques (clou, écrasement) 16

17 Thermal stability Cinétique d emballement vs technologie Très peu d échauffement et cinétique lente lors de l emballement thermique avec du LFP/G Le choix de la chimie induit des contraintes sur l architecture système 17

Cell design cylindrique prismatique polymère Critères (à chimie fixe) Tests

Tests thermiques + Le choix du design cellule induit des contraintes sur l

des polymères) Fabrication +++ ++ (bobinage à plat) + (temps de cycle,

18 Cell design cylindrique prismatique polymère Critères (à chimie fixe) Tests électriques ++ (venting) ++ (venting) - (gonflement) Tests mécaniques Tests thermiques + Le choix du design cellule induit des contraintes sur l architecture système Cyclage (gonflement) Calendaire (tenue des polymères) Fabrication (bobinage à plat) + (temps de cycle, déchet) Densité d énergie Assemblage module Gestion thermique + = - 18

19 Battery system architecture Spécification système batterie Durée de vie MTBF Disponibilité Maintenabilité Méthodologies Analyse fonctionnelle APR AMDEC SdF (SIL, ASIL) Environnement normatif par domaine d application Architecture système Architecture électrique Architecture mécanique/thermique/fluidique 19

personnes: Contacteur (+ pré-charge); Coupe circuit

20 Architecture électrique Surcharge/Sur-décharge, équilibrage: BMS Court-Circuit: Fusible Sécurité des personnes: Contacteur (+ pré-charge); Coupe circuit standard strings Modules série commutés DC/DC DC/DC F F F Hybridations E//P 20

21 Architecture mécanique/thermique/fluidique Tenue mécanique Refroidissement / Préchauffage Propagation de défaut (thermique) Évacuation des gaz TESLA Double casing Individually liquid cooled cells Exhaust gas / O2 management Fill rate 27% 21

22 Merci de votre attention 22