Nouvelles méthodes et algorithmes d'équilibrage actif de charge pour les systèmes de batterie au lithium-ion

New active charge balancing methods and algorithms for lithium-ion battery systems

• Auteur / Autrice : Manuel Räber
• Direction : Djafar Ould Abdeslam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, électrotechnique et automatique
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique, Mathématiques, Automatique et Signal (Mulhouse) - Institut de Recherche en Informatique Mathématiques Automatique Signal - IRIMAS - UR 7499 / IRIMAS

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS (électronique)

Batteries lithium-ion

Électronique de puissance

Mots clés libres

Équilibrage actif

Batteries lithium-ion

Active balancing

Lithium ion batteries

Résumé

L'équilibrage actif de charge est une technique émergente pour mettre en œuvre des systèmes de batteries lithium-ion très performants. Six nouvelles méthodes actives d'équilibrage sont proposées dans cet article pour surmonter les limites d'efficacité et de puissance des architectures d'équilibrage actuelles. Les six méthodes sont différentes, mais liées en termes de principe de fonctionnement. Commun à toutes, elles sont basées sur des convertisseurs DC/DC non isolés et une matrice de commutation MOSFET. En fonction du flux de puissance et de la configuration de la matrice de commutation, elles sont capables d'équilibrer des cellules arbitraires d'un système de batterie à des courants élevés. Les cellules adjacentes peuvent être équilibrées simultanément. La comparaison des performances est basée sur des simulations numériques de lots utilisant les valeurs de rendement calculées et mesurées des prototypes de convertisseurs DC/DC. Les résultats de la simulation sont comparés à une méthode classique d'équilibrage actif C2St2C (Cell-to-stack-tocell) et à un équilibrage passif. Pour un système donné avec huit cellules de batterie en série, les simulations montrent un rendement d'équilibrage global allant jusqu'à 93,6%, contre 89,6% pour C2St2C et une réduction du temps d'équilibrage pouvant atteindre 27.5%. La capacité utilisable passe de 97,1% dans un système équilibré passivement à 99,7% pour les nouvelles méthodes. Une simulation des systèmes est mise en place pour montrer le principe de fonctionnement des nouvelles méthodes et vérifier les calculs numériques. Enfin, un prototype a été développé qui intègre deux des types d'équilibrage proposés. Les premiers tests ont confirmé sa capacité à équilibrer activement un système de batterie avec une grande efficacité.

Active charge balancing is an emerging technique to implement high performing lithium-ion battery systems. Six new active balancing methods are proposed in this thesis to overcome efficiency and power limitations of present balancing architectures. The six methods are different but related in terms of their working principles. Common to all, they rely on the use of non-isolated DC/DC converters and a MOSFET switch-matrix. Depending on the power flow and the switch-matrix configuration, they are able to balance arbitrary cells of a battery system at high currents. Adjacent cells can be balanced simultaneously. The performance comparison is based on batch numerical simulations using calculated and measured efficiency values of DC/DC converter prototypes. The hereby engaged balancing algorithms were implemented in MATLAB. In comparison with the introduced methods, a classic active balancing method C2St2C (Cell-to-stack-to-cell) and passive balancing were analysed as well. For the given system setting with eight battery cells in series, the simulations show an overall balancing efficiency of up to 93.6%, compared to 89.6% for C2St2C and a reduction in balancing time by up to 27.5%. The usable capacity increases from 97.1% in a passively balanced system to 99.7% for the new methods which results in a 2.6% higher battery capacity. A system simulation was set up to demonstrate the working principle of the new methods and verify the numerical calculations. Finally, a hardware prototype was developed which integrates two of the suggested balancing types. First tests have confirmed its ability to actively balance the different state of charge levels of the cells in battery system with high efficacy.