Les batteries se fanent en vieillissant, perdant lentement leur puissance et leur capacité de stockage.
Comme chez les humains, le vieillissement se déroule différemment d’une batterie à l’autre, et il est quasiment impossible de mesurer ou de modéliser tous les mécanismes d’interaction qui contribuent au déclin. En conséquence, la plupart des systèmes utilisés pour gérer judicieusement les niveaux de charge et pour estimer l’autonomie des voitures électriques sont presque aveugles aux changements dans le fonctionnement interne de la batterie.
Au lieu de cela, ils fonctionnent plus comme un médecin prescrivant un traitement sans connaître l’état du cœur et des poumons d’un patient, et les façons particulières dont l’environnement, le mode de vie, le stress et la chance les ont ravagés ou épargnés. Si vous avez conservé un ordinateur portable ou un téléphone pendant suffisamment d’années, vous avez peut-être vu où cela vous mène: les estimations de l’autonomie restante de la batterie ont tendance à diverger davantage de la réalité au fil du temps.
Désormais, un modèle développé par des scientifiques de l’Université de Stanford offre un moyen de prédire l’état réel d’une batterie rechargeable en temps réel. Le nouvel algorithme combine les données des capteurs avec la modélisation informatique des processus physiques qui dégradent les cellules de la batterie lithium-ion pour prédire la capacité de stockage restante et le niveau de charge de la batterie .
«Nous avons exploité des paramètres électrochimiques qui n’avaient jamais été utilisés auparavant à des fins d’estimation», a déclaré Simona Onori, professeur adjoint d’ingénierie des ressources énergétiques à la School of Earth, Energy & Environmental Sciences de Stanford (Stanford Earth). La recherche paraît le 11 septembre dans la revue IEEE Transactions on Control Systems Technology .
La nouvelle approche pourrait aider à ouvrir la voie à des blocs-batteries plus petits et à une plus grande autonomie dans les véhicules électriques. Les constructeurs automobiles d’aujourd’hui construisent une capacité de réserve en prévision d’une certaine quantité inconnue de décoloration, ce qui ajoute des coûts et des matériaux supplémentaires, y compris certains qui sont rares ou toxiques. De meilleures estimations de la capacité réelle d’une batterie permettront un tampon plus petit.
«Avec notre modèle, il est toujours important de faire attention à la façon dont nous utilisons le système de batterie», a expliqué Onori. “Mais si vous avez plus de certitude quant à la quantité d’énergie que votre batterie peut contenir tout au long de son cycle de vie, vous pouvez utiliser davantage cette capacité. Notre système révèle où se trouvent les bords, de sorte que les batteries peuvent être utilisées avec plus de précision.”
La précision des prévisions de ce modèle – à moins de 2% de la durée de vie réelle de la batterie, d’après les expériences, pourrait également faciliter et moins cher la mise en service de vieilles batteries de voitures électriques pour stocker l’énergie pour le réseau électrique. “Dans l’état actuel des choses, les batteries retirées des voitures électriques varieront considérablement en termes de qualité et de performances”, a déclaré Onori. “Il n’y a pas eu de méthode fiable et efficace pour les standardiser, les tester ou les certifier d’une manière qui les rend compétitifs avec de nouvelles batteries conçues sur mesure pour le stockage stationnaire.”
Abandonner les anciennes hypothèses
Chaque batterie a deux électrodes – la cathode et l’anode – prenant en sandwich un électrolyte, généralement un liquide. Dans une batterie lithium-ion rechargeable, les ions lithium font la navette entre les électrodes pendant la charge et la décharge. Une voiture électrique peut fonctionner avec des centaines ou des milliers de ces petites cellules de batterie, assemblées dans un gros bloc-batterie qui représente généralement environ 30% du coût total du véhicule.
Les systèmes de gestion de batterie traditionnels reposent généralement sur des modèles qui supposent que la quantité de lithium dans chaque électrode ne change jamais, a déclaré l’auteur principal de l’étude Anirudh Allam, un Ph.D. étudiant en génie des ressources énergétiques. «En réalité, cependant, le lithium est perdu dans des réactions secondaires à mesure que la batterie se dégrade», a-t-il dit, «de sorte que ces hypothèses aboutissent à des modèles inexacts».
Onori et Allam ont conçu leur système avec des estimations continuellement mises à jour des concentrations de lithium et un algorithme dédié pour chaque électrode, qui s’ajuste en fonction des mesures du capteur lorsque le système fonctionne. Ils ont validé leur algorithme dans des scénarios réalistes en utilisant du matériel standard de l’industrie.
Sur la route
Le modèle s’appuie sur les données des capteurs trouvés dans les systèmes de gestion de batterie fonctionnant dans les voitures électriques sur la route aujourd’hui. “Notre algorithme peut être intégré dans les technologies actuelles pour les faire fonctionner de manière plus intelligente”, a déclaré Onori. En théorie, de nombreuses voitures déjà sur la route pourraient avoir l’algorithme installé sur leurs unités de commande électroniques, a-t-elle déclaré, mais les frais de ce type de mise à niveau rendent plus probable que les constructeurs automobiles envisagent l’algorithme pour les véhicules qui ne sont pas encore en production.
L’équipe a concentré ses expériences sur un type de batterie lithium-ion couramment utilisé dans les véhicules électriques (lithium-nickel manganèse oxyde de cobalt) pour estimer des variables internes clés telles que la concentration de lithium et la capacité des cellules. Mais le cadre est suffisamment général pour être applicable à d’autres types de batteries lithium-ion et pour tenir compte d’autres mécanismes de dégradation des batteries.
«Nous avons montré que notre algorithme n’est pas seulement un beau travail théorique qui peut fonctionner sur un ordinateur», a-t-elle déclaré. “Il s’agit plutôt d’un algorithme pratique et réalisable qui, s’il est adopté et utilisé demain dans les voitures, peut permettre de disposer de batteries plus durables, de véhicules plus fiables et de blocs-batteries plus petits.”
