Mesurer l'état de charge (SOC) d'une batterie Lithium-Ion

Il existe plusieurs manières pour mesurer l’état de charge (SoC) ou la profondeur de décharge (DoD) d’une batterie. Certaines méthodes nécessitent un équipement quelquefois complexe (Spectroscopie d’impédance ou mesure d’hydrométrie pour les batteries au Plomb). Ces méthodes ne rentrent pas dans le cadre de cet article. Dans cet article, nous présenterons les 2 méthodes les plus communes pour estimer l’état de charge (SoC) d’une batterie : Méthode OCV (Open Circuit Voltage ou Tension en Circuit Ouvert) et Methode coulométrique par l'utilisation d'un compteur de coulomb.

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1/ Mesure d’état de charge (SoC) par méthode OCV (Open Circuit Voltage ou Tension en circuit ouvert)

Tous les types de batteries ont un point commun : la tension a leur borne diminue ou augmente en fonction de leur niveau de charge. La tension sera maximale lorsque la batterie est totalement chargée et minimal lorsqu’elle est vide.

Cette relation entre tension et SOC dépend directement de la technologie de batterie utilisée. A titre d’exemple, le schéma ci dessous compare les courbes de décharge entre une batterie 48V au plomb et son équivalent Lithium Fer Phosphate (LiFePO4).

On peut constater que les batteries au plomb ont une courbe relativement linéaire, ce qui permet une bonne estimation de l’état de charge : pour une tension mesurée, il est possible d’estimer assez précisément la valeur du SoC associée.

Par contre, les batteries Lithium-ion ont une courbe de décharge beaucoup plus « plate » , celà signifie que pour une large plage de fonctionnement, la tension aux bornes de la batterie évolue très faiblement. &nbsp

Dans la famille Li-ion, la technologie lithium-fer-phosphate possède la courbe de décharge la moins pentue, ce qui rend très difficile l’estimation du SoC sur une simple mesure de tension.
En effet, l’écart de tension est si faible entre deux niveaux de charge, qu’il n’est pas possible d’estimer avec grande précision l’état de charge.

Le diagramme ci dessous montre que la différence de mesure de tension entre une valeur de SOC de 40% et 80% est de 6.0 V pour la technologie plomb-acide, tandis qu’elle n’est que de seulement 0,5V pour le Lithium Ferro Phosphate !

Cependant, il est possible d’utiliser des indicateurs de charge étalonnés spécifiquement pour les batteries lithium fer phosphate (LiFePO4). Une mesure précise, couplée à une courbe de charge modélisée, permet d’obtenir des mesures de SoC avec une précision de 10 à 15%.

2/ Mesure d’état de charge (SoC) par Compteur de Coulomb

Pour suivre l’état de charge lors de l’utilisation de la batterie, la méthode la plus intuitive consiste à suivre le courant en l’intégrant durant l’utilisation des cellules. Cette intégration donne de manière directe la quantité de charges électriques injectées ou soutirées à la batterie permettant ainsi de quantifier précisément le SoC de la batterie.

Contrairement à la méthode OCV, cette méthode est en mesure de déterminer l’évolution de l’état de charge pendant l’utilisation de la batterie. Elle ne nécessite pas que la batterie soit au repos pour effectuer une mesure précise.

Bien que la mesure du courant soit effectuée par une résistance de précision, de faibles erreurs de mesures interviennent, liées à la fréquence échantillonnage de la mesure. Pour corriger ces erreurs marginales, le compteur de Coulomb est ré-étalonné automatiquement à chaque cycle de charge.

Les mesures de SoC effectuées par comptage de coulomb permettent une erreur de mesure inférieure à 1%, ce qui permet une indication très précise de l’énergie restante dans la batterie. Contrairement à la méthode OCV, le comptage de coulomb est indépendant des fluctuations de puissance délivrée par la batterie (qui engendrent des chutes de tension de la batterie), et la précision reste constante quelque soit l’utilisation de la batterie.

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