FR2934374A1 - Procede de determination de la capacite maximale d'une batterie d'un vehicule automobile - Google Patents

Abstract

Selon ce procédé de détermination de la capacité maximale (Qmax) d'une batterie de véhicule automobile, au moins un capteur fournit la tension aux bornes de la batterie et le courant circulant dans la batterie. Il comporte les étapes suivantes : - détermination de l'état de charge (SOC) de la batterie ou mesure d'une grandeur physique (OCV) significative de l'état de charge de la batterie, - mesures du courant afin de déterminer par intégration des variations de charge (?Q) de la batterie, - détermination à partir des mesures réalisées d'un ratio entre la variation de charge (?Q) de la batterie et la variation (?SOC) correspondante de l'état de charge de la batterie, et - extrapolation de la détermination précédente de la valeur de la capacité maximale (Qmax) de la batterie, la courbe donnant la charge d'une batterie en fonction de son état de charge étant une droite.

Description

La présente invention concerne un procédé de détermination de la capacité maximale d'une batterie d'un véhicule automobile. Dans les véhicules automobiles modernes, qu'il s'agisse de véhicules dit "hybrides" ou non, il devient de plus en plus nécessaire de pouvoir gérer l'énergie électrique à bord du véhicule. À bord de ce véhicule, une batterie d'accumulateurs, appelée par la suite batterie, sert à alimenter tous les appareils électriques. Une génératrice, appelée habituellement alternateur, constitue une source d'alimentation en énergie électrique pour la batterie. Dans cette batterie, l'électricité est emmagasinée sous une forme chimique au cours d'une charge et la batterie restitue cette énergie sous forme électrique pendant des phases de décharge. De plus en plus d'appareils électriques sont présents à bord d'un véhicule automobile et il est donc important de pouvoir déterminer l'état de la batterie pour une bonne gestion des divers systèmes du véhicule fonctionnant à l'électricité. Il est important dans une batterie de connaître d'une part son état de charge et d'autre part son état de santé. L'état de la charge de la batterie indique, en pourcentage, la charge de la batterie par rapport à sa charge maximale appelée aussi capacité maximale. Son état de santé dépend quant à lui de paramètres tels la résistance interne de la batterie, sa capacité de charge maximale, et son taux d'autodécharge. La présente invention concerne plus particulièrement la détermination, ou l'estimation, de la capacité maximale d'une batterie utilisée dans un véhicule automobile. La connaissance de cette capacité maximale permet alors de connaître l'un des principaux paramètres permettant de déterminer l'état de santé de la batterie d'un véhicule automobile. Pour connaître la capacité maximale d'une batterie, il convient de réaliser une charge complète d'une batterie puis de la décharger entièrement jusqu'à un état entièrement déchargé et de mesurer la quantité d'énergie, mesurée en Ah, à une température donnée. On considérera ici par exemple que la batterie est entièrement chargée lorsque la tension à ses bornes est supérieure à 16,5 V pendant une phase de charge de cette batterie. La batterie, durant la phase de décharge, sera considérée comme entièrement déchargée lorsque la tension à ses bornes descendra en-dessous de 10,5 V. Ce procédé pour déterminer la capacité maximale d'une batterie peut être réalisé en laboratoire mais peut difficilement être mis en oeuvre à bord d'un véhicule automobile. Actuellement, il n'est pas connu de mesurer directement dans un véhicule, lors de l'utilisation de ce véhicule, la capacité maximale de charge d'une batterie. On peut remarquer ici qu'il est tout à fait déconseillé d'avoir, même temporairement, une batterie entièrement déchargée dans un véhicule automobile. La présente invention a alors pour but de fournir un procédé permettant de déterminer la capacité maximale d'une batterie dans un véhicule automobile. Ce procédé permettra de préférence une utilisation en temps réel et pourra être implémenté dans un calculateur de bord bon marché. Le procédé selon l'invention devra de préférence être suffisamment complexe pour fournir une indication fiable mais, d'un autre côté, ne pas être trop complexe pour faciliter son implémentation à bord d'un véhicule automobile. À cet effet, la présente invention propose un procédé de détermination de la capacité maximale d'une batterie de véhicule automobile dans lequel au moins un capteur fournit la tension aux bornes de la batterie et le courant circulant dans la batterie. Selon la présente invention, ce procédé comporte les étapes suivantes : - détermination de l'état de charge de la batterie ou mesure d'une grandeur physique significative de l'état de charge de la batterie, - mesures du courant afin de déterminer par intégration des variations de charge de la batterie, - détermination à partir des mesures réalisées d'un ratio entre la variation de charge de la batterie et la variation correspondante de l'état de charge de la batterie, et - extrapolation de la détermination précédente de la valeur de la capacité maximale de la batterie, la courbe donnant la charge d'une batterie en fonction de son état de charge étant une droite. Un tel procédé peut être mis en oeuvre à bord d'un véhicule lors de l'utilisation normale de celui-ci. Il permet ainsi de surveiller au cours de l'utilisation d'une batterie de véhicule automobile que sa capacité maximale reste dans des limites acceptables pour permettre un bon fonctionnement du véhicule et on peut prévoir qu'un signal est fourni lorsque la capacité maximale de la batterie descend en dessous d'une limite prédéterminée. La connaissance de la capacité maximale de la batterie permet également, avec d'autres paramètres, de déterminer l'état de santé de la batterie. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre en utilisant uniquement deux points de mesure, et en déterminant d'une part la variation de charge et d'autre part la variation d'état de charge entre les deux points de mesure et en faisant enfin le ratio entre ces deux variations. Toutefois, il est préférable de faire un plus grand nombre de mesures pour obtenir un résultat plus fiable. Dans ce cas, on peut prévoir que l'équation de la droite donnant la charge de la batterie en fonction de son état de charge est déterminée par régression linéaire en utilisant la méthode des moindres carrés, à partir d'un nombre de points de mesure supérieur à trois. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les points de mesure pris en compte correspondent à des points de mesure pour lesquels l'état de charge est connu avec une bonne fiabilité. Selon cette forme de réalisation du procédé selon l'invention, les points de mesure pris en compte correspondent par exemple à l'un des trois états suivants : - régime stationnaire après une période de longueur prédéterminée durant laquelle le courant était nul ou quasi-nul, et/ou - la batterie est entièrement chargée, et/ou - la batterie est entièrement déchargée. Pour une meilleure fiabilité du calcul de la capacité maximale de la batterie, il est proposé que le ratio entre la variation de charge et la variation d'état de charge est réalisé uniquement si la variation de charge est significative et est supérieure à 5 Ah. Pour les mêmes raisons, on peut prévoir que le ratio entre la variation de charge et la variation d'état de charge est réalisé uniquement si la variation d'état de charge est significative et est supérieure à 8%.

Pour une meilleure précision sur le calcul de la variation de charge, il est avantageux que la détermination par intégration des variations de charge de la batterie prenne en compte des pertes de courant internes à la batterie à partir d'une courbe prédéterminée donnant ces pertes de courant internes en fonction de la température de la batterie et de la tension à ses bornes.

Pour déterminer l'état de charge d'une batterie lors de la détermination de sa capacité maximale, on peut prévoir d'utiliser un procédé d'estimation de cet état de charge dans lequel : - des variations de courant sont mesurées à des intervalles de temps prédéterminés afin de déterminer par intégration des variations de charge de la batterie, - une tension modélisée est déterminée en fonction du courant et de la température à l'aide d'un modèle théorique, - la tension modélisée comporte au moins une composante correspondant à la charge de la batterie et au moins une composante correspondant à la polarisation de la batterie, - la tension estimée est comparée à la tension mesurée afin de déterminer une erreur de tension, - une adaptation du modèle théorique est réalisée en fonction de la phase de fonctionnement de la batterie et en fonction de l'erreur de tension déterminée, et - l'adaptation est réalisée pour le calcul théorique de l'état de charge de la batterie et/ou pour le calcul de la composante correspondant à la polarisation de la batterie, - l'estimation de l'état de charge de la batterie étant déterminée à l'aide du modèle théorique adapté. La présente invention concerne également un programme d'ordinateur stocké sur un support d'informations, ledit programme comportant des instructions permettant la mise en oeuvre d'un procédé de détermination tel que décrit ci-dessus, lorsque ce programme est chargé et exécuté par un système informatique. Elle concerne également un système informatique tel par exemple un calculateur destiné à être embarqué à bord d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens adaptés à mettre en oeuvre un procédé tel que décrit ci-dessus. Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la 10 description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels : La figure 1 illustre schématiquement différentes manières pour déterminer la charge d'une batterie, La figure 2 illustre par un exemple l'influence de la température sur la charge d'une batterie, 15 La figure 3 est un schéma pour la modélisation d'une batterie utilisée dans la présente invention, La figure 4 illustre un procédé pour la détermination de l'état de charge de la batterie schématisée sur la figure 3, La figure 5 est un schéma utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention et 20 représentant la charge d'une batterie en fonction de son état de charge, La figure 6 montre un exemple de courbe illustrant des variations de charge d'une batterie au cours du temps pour la mise en oeuvre de l'invention, La figure 7 illustre schématiquement un procédé pour le calcul de la capacité maximale d'une batterie, et 25 La figure 8 illustre une variante du procédé de la figure 7. La capacité maximale Qmax d'une batterie est la quantité maximale totale d'énergie pouvant être contenue dans la batterie. La détermination de cette quantité maximale Qmax permet d'avoir des informations quant à l'état de santé de la batterie. Des pertes de capacité, temporaires ou permanentes, peuvent apparaître lors de l'utilisation 30 de la batterie en fonction notamment du type d'utilisation : cycles répétitifs, décharges complètes, utilisation dans des conditions de températures extrêmes, poussières, actions chimiques, perte de liquide, ... La description qui suit indique comment il est possible d'estimer la capacité maximale d'une batterie à partir d'une mesure de tension, d'une mesure de courant et d'une mesure de température, cette estimation étant réalisée de 35 manière autonome à bord d'un véhicule automobile. La définition de la capacité maximale Qmax peut être définie comme étant la charge d'une batterie lorsque son état de charge, ou SOC, est à 100%. Cet état de charge SOC peut varier quant à lui de 0% à 100%. On peut définir chimiquement l'état de charge SOC d'une batterie. Cette définition est alors liée à la densité de l'acide se trouvant dans la batterie. Cet état de charge est également fonction de la tension en circuit ouvert (en anglais Open Circuit Voltage) ou en abrégé OCV. Pour ces deux mesures (densité d'acide et mesure d'OCV), il faut que la batterie soit au repos, de préférence depuis plusieurs heures, et qu'aucun courant ne traverse cette batterie. On remarque que la tension OCV aux bornes de la batterie varie quasi linéairement avec l'état de charge SOC. Cette relation n'est pas dépendante de la capacité maximale de la batterie mais uniquement de la température et du type de batterie utilisé (plomb-acide, NiCd, ...).

Pour une batterie, la différence entre les valeurs maximales et minimales d'OCV correspond à la variation totale de la charge de la batterie et donc à la capacité maximale Qmax de ladite batterie. La définition de la valeur maximale de l'état de charge SOC de la batterie (100%) correspond au point de charge atteint lorsque la tension aux bornes de la batterie grimpe au-delà de 16,5 V au cours d'une phase de charge constante, dans des conditions normales de température. Dans la pratique, l'état de charge maximum est atteint après une charge sous une tension constante d'au moins 15 V durant au moins 12 heures dans des conditions normales de température. À l'opposé, la définition de l'état de charge SOC minimal (0%) correspond à la charge atteinte lorsque la tension aux bornes de la batterie tombe subitement en-dessous de 10,5 V au cours d'une décharge constante, dans des conditions normales de température. Cet état de charge minimal est atteint à différents niveaux dans la pratique, et dépend du taux de décharge de la batterie. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Peukert. En effet, il est établi que la capacité maximale d'une batterie varie en fonction de la rapidité avec laquelle elle se décharge. On appelle ainsi Cn la capacité d'une batterie lorsque celle-ci se décharge de manière constante pendant n heures. L'équation de Peukert donne la capacité Cn en fonction du courant de décharge ICn de la manière suivante : Cn * (ICn)(Pk-1) = constante avec Pk constante de Peukert valant environ 1,14. Si, après avoir atteint l'état de charge SOC minimal (0%), on mesure la tension OCV aux bornes de la batterie après un temps de repos, on remarque que cette tension varie en fonction du taux de décharge In = Cn/n. Ceci est illustré également sur la figure 1 où l'on remarque que pour une même batterie, lorsqu'elle est déchargée en 5 heures C5, la tension OCV à l'état déchargé vaut 11,75 V. Lorsque la même batterie est déchargée avec un taux de décharge constant durant 20 heures C20, cette tension est de 11,6 V. De même, au bout d'une décharge de 100 heures C100 la tension en circuit ouvert de la batterie est de 11,35 V. Ces valeurs sont uniquement des valeurs données à titre illustratif et peuvent bien entendu varier d'une batterie à une autre. Ainsi, différents protocoles sont utilisés pour déterminer la charge d'une batterie. En Europe, ce protocole est appelé C20 car il prévoit une décharge de la batterie en 20 heures. Dans d'autres pays, le Japon par exemple, le protocole utilisé est appelé C5 et prévoit une décharge en 5 heures. Le protocole C100, prévoyant une décharge en 100 heures, est utilisé notamment pour les batteries de véhicules électriques. Par la suite, l'estimation de la capacité maximale Qmax se reporte à un seul protocole de détermination et le protocole C20 est choisi pour la suite de la présente description. On détermine alors une capacité maximale Qmax_C20. Une relation permet toutefois de déterminer Qmax_Cn en fonction de Qmax_C20. En effet, d'après la loi de Peukert, on a : Cn * (ICn)Pk-' = constante = C20 * (IC20)P" avec ICn = Cn/n et donc IC20 = C20/20 On déduit de cette équation l'équation suivante : Cn = C20 * (n/20)(1-1/Pk) = C20 * kn avec kn = (n/20)(1-1/Pk) On a donc finalement : Qmax_Cn = Qmax_C20 * kn À titre d'application numérique, on a par exemple : Qmax_C5 = 0,84 x Qmax_C20 et plus généralement : Qmax_C5 < Qmax_C20 < Qmax_C100 La figure 2 représente l'influence de la température sur l'état de charge d'une batterie. Lorsque les températures sont basses, l'énergie pouvant être extraite de la batterie est moindre. En fait, l'état de charge SOC exprimé en % ne varie pas en fonction de la température, seule l'énergie (en Ah) est modifiée. La courbe sur la figure 2 illustre la quantité d'énergie disponible en fonction de la température. L'échelle en pourcentage correspond à l'état de charge SOC de la batterie à 25°C. Il ressort de cette figure, qu'à 25° la capacité Qmax est nominale. À 0°C, la capacité de la batterie est moindre d'environ 20%, à -30°C, la capacité de la batterie a perdu près de 50% tandis qu'à -50°C, la batterie est quasiment totalement gelée. Après réchauffage, l'énergie est à nouveau disponible pour réaliser une décharge. Le phénomène est donc réversible. Ainsi, nous considérons que la capacité 35 maximale Qmax ne dépend pas de la température.

Pour déterminer la capacité maximale Qmax d'une batterie, la présente invention propose de faire l'analyse de l'état de charge de la batterie et de la variation de charge (en Ah) de celle-ci. On a représenté sur la figure 3 différents éléments pris en compte dans la présente invention pour réaliser une estimation de la charge d'une batterie. Cette batterie modélisée est représentée sur la figure 3 et comprend tout d'abord un élément aux bornes duquel règne une tension Ve. Cette dernière vaut généralement 11,5 V. Au-dessus de cet élément aux bornes duquel règne une différence de potentiel constante, se trouve sur la figure 3 une capacité appelée Cc qui permet "d'emmagasiner" l'énergie contenue dans la batterie. Lorsque cette capacité est entièrement chargée, la tension Vc à ses bornes vaut environ 1,3 V. Les différents éléments constituant la batterie présentent une résistance regroupée ici en une seule résistance appelée Ri. Selon la loi d'Ohm, une tension apparaît aux bornes de cette résistance lorsque celle-ci est traversée par un courant I.

De façon connue, lorsqu'une batterie est utilisée, une tension de polarisation, appelée ici Vp, apparaît. Cette tension est positive lorsque la batterie est en charge et négative lorsque la batterie se décharge. Cette tension de polarisation Vp résulte du courant circulant dans la batterie et de la température à laquelle celle-ci se trouve. Cette polarisation comporte à la fois une composante statique et une composante dynamique.

Sur la figure 3, la composante statique de la batterie est appelée Gp et on suppose que cette valeur dépend du courant circulant dans la batterie, de la charge (SOC) et de la température T de la batterie. La composante dynamique de la tension de polarisation correspond à un amortissement de premier ordre de cette tension dans le temps. Cet amortissement est réalisé avec une constante de temps 'Lp. Cette constante de temps varie selon l'état de la batterie. Elle est ainsi inférieure en phase de décharge par rapport à une phase de charge. Cette constante de temps, en circuit ouvert, a une valeur supérieure par rapport à une phase en circuit fermé. De manière connue également, cette constante de temps est plus grande à froid qu'à chaud.

Enfin, il existe également dans une batterie une perte de courant symbolisée sur la figure 3 par Al et désigné parfois sous le terme "gassing effect". En régime permanent, lorsqu'aucun courant ne circule dans la batterie et que tous les effets de polarisation ont disparu (il faut parfois attendre plusieurs jours), la tension apparente Vout aux bornes de la batterie correspond à Ve + Vc.

En régime transitoire, en charge, en décharge ou en circuit ouvert, il convient de prendre en compte : le courant effectif , lui même prenant en compte la perte de courant (gassing effect), la valeur de la tension Vc qui dépend de la charge de la capacité Cc, la perte de tension liée à la résistance interne Ri de la batterie, la tension de polarisation Vp liée au courant, au temps et à la température, et la tension aux bornes de la batterie étant la somme des tensions évoquée précédemment. L'état de charge de la batterie est appelée SOC. Il correspond au ratio entre la charge actuelle de la batterie et sa capacité maximale. On a ainsi : SOC [%] = Q/Qmax. Pour la mise en oeuvre de l'invention, des capteurs mesurent au niveau de la batterie, le courant, la tension et la température. À intervalles réguliers, des mesures sont réalisées et on calcule à partir de ces mesures des variations de courant et des variations de tension. Ces mesures sont par 15 exemple réalisées toutes les 10ms ou 100ms. Dans le procédé d'estimation de la charge de la batterie (SOC) proposé ici, on observe les paramètres (courant, tension, température) de la batterie et on voit comment celle-ci réagit. Parallèlement, un modèle estime, en fonction des paramètres et de leurs variations, comment la batterie devrait réagir. Ce modèle est adapté automatiquement en 20 fonction des réactions de la batterie qui sont mesurées. Le modèle utilisé pour la batterie est décrit plus haut. Par la suite, sont détaillés les calculs permettant d'estimer la tension aux bornes de la batterie afin de déterminer l'état de charge de celle-ci. Tout d'abord, il convient de déterminer le courant efficace à prendre en 25 compte. Ce courant correspond au courant total auquel on retire la perte de courant Al. Cette perte de courant est calculée à partir de la température et de la tension. La perte de courant peut être calculée par une formule ou bien être déterminée par consultation d'une table. Cette perte de courant est croissante avec la température et est également croissante avec la tension. 30 Pour le calcul de la tension Vc, deux modes de calculs peuvent être adoptés. On peut soit réaliser une intégration linéaire, soit réaliser une intégration non linéaire. Pour la réalisation d'une intégration linéaire, on part de l'équation suivante : Vcn = Vcn_1 + AA.h /Qmax [Ah] * Vcmax Dans cette équation, Vcn est la nouvelle valeur de la tension Vc à déterminer 35 tandis que Vcn_, est l'ancienne valeur déterminée de Vc.

Dans cette équation AA.h correspond à une variation de charge et est calculé en multipliant la valeur du courant (corrigé) par la durée de l'intervalle d'échantillonnage. On a alors : SOC = VcNcmax [%] Avec Vcmax = 1,3 V habituellement. Toutefois on préfère réaliser une intégration non linéaire. Ici, le nouvel état de charge est déterminé en fonction de l'ancien selon l'équation suivante : SOC, = SOCS,_1 + AA.h / Qmax [Ah] * 100 [%] La tension Vc est alors déterminée à partir de l'état de charge SOC.

Pour le calcul de la tension aux bornes de Ri, on suppose que la valeur de cette résistance est connue et la tension est alors calculée en utilisant la loi d'Ohm. Comme déjà indiqué plus haut, la tension de polarisation présente une composante statique et une composante dynamique. Le comportement de cette composante dynamique étant différent en charge ou en décharge de la batterie, il est proposé de couper le signal de tension Vp en deux signaux séparés, un signal positif intégrant les effets dus à la charge et un signal négatif reflétant les effets dus à la décharge. On obtient alors les équations suivantes : Vp = Vp(CH) + Vp(DCH) où Vp(CH) correspond à la tension de polarisation en charge et Vp(DCH) correspond à la tension de polarisation lors d'une décharge. Finalement, on obtient l'équation suivante pour la tension aux bornes de la batterie : Vout =Ve+Vc+Ri*l+Vp Cette tension, calculée comme indiqué précédemment, correspond à la tension modélisée représentant la réponse de la batterie à un courant donné. Comme toute modélisation, celle-ci présente des erreurs qu'il est nécessaire de corriger. Il est proposé ici de réaliser une adaptation du modèle.

Plusieurs adaptations peuvent être réalisées et combinées pour obtenir une correction globale correcte. L'adaptation est faite en fonction de la phase dans laquelle se trouve la batterie. On peut ainsi prévoir une adaptation lorsque la batterie est en circuit ouvert, une adaptation agissant sur le modèle de polarisation de la batterie et des adaptations lorsque l'état de charge de la batterie est proche de 0% ou de 100%.

Lorsque la batterie est en circuit ouvert, la tension à ses bornes Vout, tend assez précisément vers sa tension en circuit ouvert OCV. avec Vp(CH) = VPstat (CH) * Vp dyn (Ch) >0 et Vp(DCH) = VP stat (DCH) * Vp dyn (DCH) <0 L'estimation faite de l'état de charge SOC peut alors être corrigée pour devenir égale à la valeur correspondante de la tension en circuit ouvert OCV par une opération d'intégration en boucle fermée de l'erreur entre la valeur actuelle de l'état de charge et la valeur de l'état de charge équivalente à la tension en circuit ouvert OCV. Lorsque le régime permanent est atteint, les deux valeurs doivent être égales (et dépendent de la température). Les gains de cette opération dépendent de l'amortissement de la tension de polarisation et de la température : plus la polarisation est amortie, meilleurs sont les gains et plus la température est basse, plus les gains sont bas. Le terme correctif pourra prendre la forme suivante : OSOC_corr = Kp * SOC_error + Ki * J SOC_error. dt dans laquelle SOC_error = SOC OCV û SOC_est On obtient alors : SOC, = SOC1 _1 + ASOC_corr Une minuterie est par exemple utilisée dès qu'une phase de charge ou de décharge de la batterie s'achève. On peut prévoir que cette minuterie se déclenche lorsque la valeur du courant passe sous un seuil prédéterminé, ce seuil étant bien entendu relativement bas. La correction de l'état de charge est alors réalisée lorsque la minuterie est enclenchée depuis un temps relativement important, par exemple plusieurs heures. On fait alors converger l'estimation de l'état de charge SOC vers la valeur SOC_OCV qui est l'état de charge correspondant à la tension en circuit ouvert de la batterie. Les gains Kp et Ki mentionnés dans l'équation précédente dépendent de la valeur de temps indiquée par la minuterie. On peut éventuellement prévoir Ki = 0. Il est également possible de faire une extrapolation d'une part de la tension depuis que la batterie est en circuit ouvert et d'autre part de l'estimation de l'état de charge. Si l'extrapolation faite de l'état de charge ne correspond pas à la valeur de l'état de charge correspondant à la tension en circuit ouvert OCV extrapolée, une correction doit alors être réalisée. Parallèlement aux adaptations réalisées en circuit ouvert, une adaptation 30 concernant la polarisation peut être réalisée tant durant une phase de charge, que pendant une phase de décharge ou en circuit ouvert. Le modèle de polarisation est représentatif des impédances non linéaires du circuit telles que décrites plus haut. Le comportement de cette polarisation peut largement varier d'une batterie à une autre et une auto-adaptation est donc ici nécessaire. 35 Pour réaliser cette adaptation concernant la polarisation d'une batterie, la tension de sortie mesurée est comparée en permanence à la tension de sortie calculée. On réalise en permanence une correction en fonction de la différence entre la tension

11 mesurée et la tension calculée afin de compenser l'erreur sur la tension de polarisation et/ou la tension de charge (aux bornes de la capacité) ou la tension interne en circuit ouvert. Lorsque l'état de charge SOC est supposé être le plus fiable, l'adaptation est réalisée en appliquant un terme correctif à la tension de polarisation. On utilise ici un facteur de correction pVp. Dans une forme de réalisation préférée, un facteur de correction pVpCH est utilisé après une charge de la batterie tandis qu'un facteur pVpDCH est appliqué après une phase de décharge. Par contre, lorsque la tension de polarisation calculée est supposée être 10 fiable, l'adaptation est réalisée sur l'estimation de l'état de charge SOC et on utilise alors le facteur correctif déjà évoqué plus haut, ASOC_corr. La figure 4 illustre le procédé d'estimation selon l'invention mettant en oeuvre des adaptations tant sur l'état de charge que sur la tension de polarisation. Sur la figure 4, la référence 2 représente la modélisation de la batterie tandis 15 que la référence 4 représente les moyens d'auto-adaptation. Comme il ressort de la description faite plus haut, des capteurs mesurent la tension V, le courant I et la température T de la batterie. Ces données sont injectées dans la modélisation de la batterie 2 afin de fournir une tension estimée Vout_est. Par ailleurs, cette tension Vout est mesurée et a la valeur Vout mes. Les deux valeurs sont 20 comparées et le résultat de cette comparaison est introduit dans les moyens d'auto-adaptation 4. Ceux-ci fournissent alors des termes correctifs \SOC_corr et pVpCH et pVpDCH. La stratégie de combinaison de la correction de l'état de charge et de la tension de polarisation est gérée selon un schéma de principe prenant en compte le 25 courant, la tension et la température ainsi que l'historique des corrections réalisées. Un indicateur de confiance concernant la tension de polarisation peut être utilisé. Cet indicateur sera élevé après une longue phase en circuit ouvert ou après une longue phase durant laquelle le courant est sensiblement constant. Par contre, la confiance dans la tension de polarisation sera faible durant des phases de transition ou 30 après une variation significative du courant. Des adaptations sur la valeur de l'état de charge seront donc réalisées lorsque l'indicateur de confiance sur la valeur de polarisation est élevée. D'autres adaptations peuvent également être réalisées. En effet, le système peut détecter automatiquement quelques situations typiques, notamment lorsque l'état de 35 charge est proche de 0% ou proche de 100%. Lors d'une phase de décharge, lorsque l'état de charge atteint la limite de 0%, la tension de sortie décroît soudainement et très rapidement. Cette situation peut être facilement détectée en mesurant le gradient de tension. Ainsi par exemple, si Vout décroît jusqu'à prendre une valeur inférieure à 10,5 V avec un gradient négatif sensible, ou si un courant de charge atteint une valeur très importante avec cependant une valeur Vout relativement faible, par exemple inférieure à 13,5 V, alors, l'estimation de l'état de charge SOC de la batterie est corrigée pour converger vers la limite inférieure de 0% correspondant à la température mesurée. Si l'état de charge est encore positif, alors l'état de charge estimé est réduit à 0%. Par contre, si l'état de charge estimé a déjà atteint 0% et tend à être négatif, alors l'état de charge est maintenu à 0%. De manière similaire, il est possible de détecter un état de charge voisin de 100% durant une phase de charge de la batterie. La tension de sortie croît alors rapidement et soudainement, de telle sorte que l'état de charge voisin de 100% peut être facilement détecté en mesurant le gradient de tension.

Ainsi par exemple, si Vout augmente et dépasse 16,5 V, avec un gradient de tension important ou si le courant de charge atteint OA avec une tension sensiblement stabilisée à un valeur relativement haute, par exemple supérieure à 14 V, alors l'estimation de l'état de charge SOC est corrigée pour converger vers la valeur de 100%. Si l'état de charge estimé est encore inférieur à 100%, alors cet état de charge est augmenté pour atteindre la valeur de 100%. Par contre, si l'état de charge estimé a déjà atteint 100% et tend à devenir supérieur à 100%, alors l'état de charge estimé est maintenu à 100%. Le procédé décrit ci-dessus permet ainsi d'obtenir une bonne estimation de l'état de charge d'une batterie. Lors d'une première utilisation, par exemple après un changement de batterie, une période d'adaptation est le plus souvent nécessaire. Le procédé décrit ci-dessus, grâce notamment à l'adaptation de la tension de polarisation, permet d'obtenir assez rapidement une bonne estimation de l'état de charge. Ce procédé permet une estimation de la charge de la batterie durant toutes les phases d'utilisation de celle-ci. La valeur estimée est réajustée en permanence par comparaison entre une tension modélisée et une tension mesurée. Ceci permet d'avoir une estimation fiable de l'état de charge de la batterie tout au long de la vie de la batterie, même lorsque cette dernière vieillit. Pour déterminer alors la capacité maximale Qmax de la batterie, il est prévu de choisir deux points de mesure de l'état de charge SOC correspondant à une valeur stable de l'état de charge. Entre ces deux points successifs, on considère alors la variation de charge Q(Ah) et cette variation de charge est mise en rapport avec la variation de l'état de charge SOC. La figure 5 illustre ainsi une détermination de la capacité maximale d'une batterie. Pour deux points successifs auxquels correspondent des états de charge SOC1 et SOC2 et entre lesquels on a une variation de charge AQ21. on calcule le rapport suivant : AQ211(SOC2 - SOC1) Ce rapport correspond à la pente de la droite représentée sur la figure 5. Il correspond également à la capacité maximale Qmax. On remarque que pour deux points de mesure pour lesquels l'état de charge SOC est stable, il est équivalent de déterminer une variation d'état de charge ou une variation de la tension en circuit ouvert (OCV) puisque en régime constant ces deux 10 grandeurs dépendent linéairement l'une de l'autre. En théorie, les divers points de mesure se trouvent tous sur la même droite. Toutefois, il est clair qu'en pratique les points de mesure ne sont pas toujours situés sur la droite théorique. Pour la détermination de Qmax, au lieu de faire une détermination à partir de deux points de mesure, il est possible de prendre un plus grand nombre de 15 points de mesure, comme suggéré sur la figure 5, et, à partir de ces points de mesure, de déterminer par régression linéaire par exemple une droite. La pente de cette droite donnera la valeur Qmax, de même que pour le calcul avec deux points de mesure. Pour déterminer la droite à partir des points de mesure, on peut utiliser par exemple la méthode connue de l'homme du métier sous le nom de méthode des moindres 20 carrés. La détermination de la capacité maximale Qmax est alors réalisée à partir d'un nombre prédéterminé de mesures, par exemple p mesures. Ainsi au bout de p mesures, on peut effectuer une première estimation de Qmax. Lors de la mesure p+1, une nouvelle estimation de Qmax en utilisant les mesures 2,..., p+1 peut être réalisée. Il est également possible d'attendre d'avoir effectué 2p mesures pour réaliser une nouvelle estimation de 25 Qmax. La méthode utilisée ici pour la détermination de la capacité maximale Qmax d'une batterie permet de déterminer une perte de capacité de la batterie due à une "stratification" (défaut dû à une inhomogénéité dans l'électrolyte de la batterie). En effet, un tel défaut dans la batterie modifie la tension en circuit ouvert OCV de la batterie et 30 modifie donc la pente de la droite déterminée selon le procédé de la présente invention. Une valeur Qmax moindre est ainsi détectée. Par contre, si la batterie est "gelée", ceci n'est pas détectable par le procédé selon l'invention car les valeurs de tension en circuit ouvert de la batterie ne sont pas affectées. Ici, c'est la mesure de température qui est réalisée qui permet de déterminer la limite d'état de charge SOC en-dessous de laquelle il 35 ne faut pas solliciter la batterie. La détermination de la valeur Qmax doit être réalisée de préférence à partir de points de mesure correspondant à un état établi de la batterie. Des courbes complètes illustrant l'état de charge SOC en fonction du temps ainsi que la charge (en Ah) en fonction du temps montrent toutes les phases de transition. On réalise de préférence une sélection de points de mesure sur ces courbes comme décrit ci-après. Il est proposé ici, pour une forme de réalisation préférée de l'invention, de se concentrer sur des régimes établis et pour lesquels la valeur de l'état de charge SOC est bien connue. On peut ainsi par exemple choisir des mesures correspondant aux états suivants : - après un repos suffisamment long, c'est-à-dire après une longue période au cours de laquelle le courant était nul ou quasiment nul (c'est-à-dire inférieur à une valeur prédéterminée de l'ordre de quelques mA). La tension aux bornes de la batterie atteint alors une valeur OCV qui est stable, permettant ainsi de déterminer l'état de charge SOC de manière sûre. - lorsqu'une valeur limite de 100% de l'état de charge est atteint : la batterie n'accepte plus la charge ou une hausse importante de la tension de polarisation est 15 observée du fait de l'état de charge complet. - lorsque l'état de charge atteint une limite proche de 0% : ici, on observe par exemple une chute importante de la tension de polarisation due à l'état déchargé de la batterie. De même qu'il est important de déterminer des points pour lesquels l'état de 20 charge SOC peut être déterminé de manière sûre, il convient également d'avoir une détermination fiable de la charge (en Ah) reçue ou délivrée par la batterie entre les deux points de mesure. Un compteur de charge fonctionnant par intégration du courant, calcule les variations de charge entre deux points de mesure. La valeur du courant prise en compte pour la détermination de la charge doit être corrigée de manière à ne pas inclure 25 les pertes de courant évoquées plus haut et correspondant à l'effet "gassing" évoqué plus haut. Cet effet est dû à l'émission d'hydrogène et d'oxygène sous phase gazeuse à chaque pôle de la batterie du fait de l'électrolyse de l'eau avec perte d'ions H+ et O-. Ces pertes de courant peuvent être estimées à partir de la tension et de la température mesurées et être éventuellement corrigées en fonction de l'état de charge SOC de la 30 batterie et/ou du courant mesuré dans le cas de certains types de batteries. Les pertes de courant dus à l'effet "gassing" augmentent avec la température et la tension. Il est important de tenir compte de ces pertes de courant pour éviter par exemple que le compteur comptabilisant les charges fournies ou reçues par la batterie incrémente des valeurs alors que par exemple l'état de charge de la batterie est élevé et 35 que le courant traversant celle-ci est utilisé uniquement pour maintenir une polarisation positive de la batterie sans charger celle-ci.

La figure 6 illustre une variation de l'état de charge SOC d'une batterie en fonction du temps. On a également représenté sur cette figure la qualité de la valeur de l'état de charge SOC. On détermine ainsi sur cette courbe, donné à titre d'exemple, sept points de mesure. On calcule alors à chaque point de mesure la variation d'état de charge par rapport à la mesure précédente et le compteur de charge incrémente la charge délivrée ou reçue par la batterie. On calcule ensuite les rapports AQ/ASOC pour obtenir la capacité maximale Qmax de la batterie. La figure 7 illustre schématiquement un module permettant de déterminer la capacité maximale Qmax d'une batterie. Ce module comporte cinq entrées : une pour l'état de charge SOC, une pour l'indice de confiance SOC_qual de la mesure de l'état de charge, une correspondant à la mesure de courant I effectuée, une correspondant à la mesure de tension U effectuée et une dernière correspondant à la température T mesurée. Dans le module représenté sur la figure 7, un premier sous-module détermine les points de référence choisis pour réaliser une estimation de la capacité maximale Qmax de la batterie. Le premier sous-module (en haut sur la figure 7) présente alors une sortie utilisée pour réaliser l'activation d'un second sous-module (en bas de la figure 7) à l'intérieur duquel est calculé la valeur de Qmax. Le calcul de Qmax est réalisé ici comme décrit précédemment. La figure 8 montre une variante de réalisation d'un module permettant de calculer la capacité maximale d'une batterie. Les entrées ici sont identiques aux entrées de la figure 7. Quand il est activé, le premier sous-module (à gauche sur la figure 8) détermine des variations d'état de charge ASOC et des variations de charge AQ. Les résultats fournis par ce premier sous-module sont alors injectés dans un second sous-module (à droite sur la figure 8) qui détermine alors la capacité maximale Qmax de la batterie. Lors de la détermination de la capacité maximale d'une batterie en utilisant par exemple l'un ou l'autre des modules des figures 7 et 8, il convient de choisir des points de mesure comme indiqué plus haut pour lesquels la détermination de l'état de charge SOC est fiable. Il convient également d'avoir des variations de l'état de charge et de la charge qui sont significatives. On peut par exemple prévoir une variation de charge au moins égale à 10 Ah et une variation d'état de charge supérieure à 15%. Les valeurs de capacité maximale Qmax délivrées par les modules des figures 7 et 8 (ou par d'autres modules de calcul) seront de préférence filtrées. On réduit ainsi les perturbations dues à des erreurs provenant de la valeur de l'état de charge SOC. Il convient toutefois de déterminer assez rapidement une perte de charge de la batterie. Toutefois, avant d'obtenir une bonne estimation de la capacité maximale de la batterie, plusieurs mesures sont nécessaires. Ainsi, pour un fonctionnement "normal" d'un véhicule, il faudra effectuer des mesures sur environ une à deux semaines pour obtenir une bonne estimation de la capacité maximale de la batterie. Après cette période de "calibration", une altération de la capacité de la batterie doit être rapidement détectée pour pouvoir être signalée. Enfin, dans certains cas, il est difficile d'avoir des mesures correspondant à des états stables. Par exemple certaines remorques de camions sont alimentées en permanence en électricité avec des courants de l'ordre de quelques Ampères. Dans ce cas, si une décharge modérée est détectée, le gradient de la tension décroit linéairement avec l'état de charge. Ainsi le gradient dSOC/dt varie linéairement avec la capacité maximale Qmax. On peut ainsi réaliser une mesure dans ce cas d'un régime qui est quasiment stable. Comme montré plus haut, la présente invention permet de mesurer la capacité réelle d'une batterie par extrapolation et/ou régression linéaire à l'aide de points d'état de charge choisis. Cette détermination peut être réalisée au cours du fonctionnement normal d'un véhicule automobile.

Les résultats obtenus par la présente invention peuvent ensuite servir à déterminer l'état de santé de la batterie. La présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif ni aux variantes évoquées. Elle concerne également les autres variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier, dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la capacité maximale (Qmax) d'une batterie de véhicule automobile dans lequel au moins un capteur fournit la tension aux bornes de la batterie et le courant circulant dans la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - détermination de l'état de charge (SOC) de la batterie ou mesure d'une grandeur physique (OCV) significative de l'état de charge de la batterie, - mesures du courant afin de déterminer par intégration des variations de charge (AQ) de la batterie, - détermination à partir des mesures réalisées d'un ratio entre la variation de 10 charge (AQ) de la batterie et la variation (ASOC) correspondante de l'état de charge de la batterie, et - extrapolation de la détermination précédente de la valeur de la capacité maximale (Qmax) de la batterie, la courbe donnant la charge d'une batterie en fonction de son état de charge étant une droite. 15
2. 2. Procédé de détermination selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'équation de la droite donnant la charge (Q) de la batterie en fonction de son état de charge (SOC) est déterminée par régression linéaire en utilisant la méthode des moindres carrés.
3. 3. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé 20 en ce que les points de mesure pris en compte correspondent à des points de mesure pour lesquels l'état de charge (SOC) est connu avec une bonne fiabilité.
4. 4. Procédé de détermination selon la revendication 3, caractérisé en ce que les points de mesure pris en compte correspondent à l'un des trois états suivants : - régime stationnaire après une période de longueur prédéterminée durant 25 laquelle le courant était nul ou quasi-nul, et/ou - la batterie est entièrement chargée, et/ou - la batterie est entièrement déchargée. 7. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ratio entre la variation de charge (AQ) et la variation d'état de charge (ASOC) 30 est réalisé uniquement si la variation de charge (AQ) est significative et est supérieure à 5Ah. 8. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ratio entre la variation de charge (AQ) et la variation d'état de charge (ASOC) est réalisé uniquement si la variation d'état de charge (ASOC) est significative et est 35 supérieure à 8%. 9. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 6, caractériséen ce que la détermination par intégration des variations de charge (4Q) de la batterie prend en compte des pertes de courant internes à la batterie à partir d'une courbe prédéterminée donnant ces pertes de courant internes en fonction de la température de la batterie et de la tension à ses bornes. 8. Procédé de détermination selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'état de la charge (SOC) de la batterie est estimé par un procédé dans lequel : - des variations de courant sont mesurées à des intervalles de temps prédéterminés afin de déterminer par intégration des variations de charge de la batterie, - une tension modélisée est déterminée en fonction du courant et de la température à l'aide d'un modèle théorique, - la tension modélisée comporte au moins une composante correspondant à la charge de la batterie et au moins une composante correspondant à la polarisation de la batterie, - la tension estimée est comparée à la tension mesurée afin de déterminer 15 une erreur de tension, - une adaptation du modèle théorique est réalisée en fonction de la phase de fonctionnement de la batterie et en fonction de l'erreur de tension déterminée, et - l'adaptation est réalisée pour le calcul théorique de l'état de charge de la batterie et/ou pour le calcul de la composante correspondant à la polarisation de la 20 batterie, - l'estimation de l'état de charge de la batterie étant déterminée à l'aide du modèle théorique adapté. 9. Programme d'ordinateur stocké sur un support d'informations, ledit programme comportant des instructions permettant la mise en oeuvre d'un procédé de 25 détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, lorsque ce programme est chargé et exécuté par un système informatique. 10. Système informatique tel par exemple un calculateur destiné à être embarqué à bord d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens adaptés à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.