FR3141532A1 - ENERGY MANAGEMENT SYSTEM DURING ANALYSIS BY ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY OF A BATTERY PACK - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un ensemble comportant : - un bloc batterie (10) comprenant une pluralité de modules de puissance (11) constitués chacun de plusieurs cellules (15) électrochimiques, - au moins un équipement électrique (16) haute tension comportant une capacité de filtrage (20), - un système (30) de gestion d’énergie lors d'une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique, ledit système (30) de gestion d'énergie étant connecté électriquement à la capacité de filtrage (20) et comprenant: - un convertisseur (31) de courant fréquentiel apte à générer, à partir d'une tension du bloc batterie (10), un signal de courant à fréquence variable destiné à exciter les cellules (15) du bloc batterie (10) au cours d'une phase d'excitation, et - un dispositif élévateur de tension (32) permettant un déchargement de la capacité de filtrage (20) dans les modules de puissance (11) lorsque ladite capacité de filtrage (20) est chargée suite à la phase d'excitation. Figure 1The invention relates to an assembly comprising: - a battery pack (10) comprising a plurality of power modules (11) each consisting of several electrochemical cells (15), - at least one high-voltage electrical equipment (16) comprising a capacity filtering (20), - an energy management system (30) during an analysis by electrochemical impedance spectroscopy, said energy management system (30) being electrically connected to the filtering capacitor (20) and comprising: - a frequency current converter (31) capable of generating, from a voltage of the battery pack (10), a variable frequency current signal intended to excite the cells (15) of the battery pack (10) during an excitation phase, and - a voltage booster device (32) allowing unloading of the filtering capacity (20) in the power modules (11) when said filtering capacity (20) is charged further in the excitement phase. Figure 1
Description
La présente invention porte sur un système de gestion d’énergie lors d'une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique d’un bloc batterie. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec des blocs batteries embarqués dans les véhicules automobiles de type électrique ou hybride, c’est-à-dire un véhicule utilisant une source d'énergie électrique et une autre source d'énergie, notamment une source d'énergie thermique, hydrogène, ou pneumatique.The present invention relates to a system for managing energy during electrochemical impedance spectroscopy analysis of a battery pack. The invention finds a particularly advantageous application with battery packs embedded in motor vehicles of electric or hybrid type, that is to say a vehicle using a source of electrical energy and another source of energy, in particular a source thermal, hydrogen, or pneumatic energy.
De façon connue en soi, un bloc batterie comprend une pluralité de modules de puissance et un module de commande ou BMS (pour "Battery Management System" en terminologie Anglo-saxonne ou « Système de Gestion de Batterie » en langue française) assurant une gestion de l'énergie électrique stockée par les modules de puissance.In a manner known per se, a battery pack comprises a plurality of power modules and a control module or BMS (for "Battery Management System" in Anglo-Saxon terminology or "Battery Management System" in French) ensuring management electrical energy stored by the power modules.
Les modules de puissance sont connectés électriquement entre eux via des pistes électriquement conductrices (dites "busbars" en anglais). Chaque module de puissance est constitué de plusieurs cellules électrochimiques. Par "cellule électrochimique", on entend une cellule générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-Ion), de type nickel-hydrure métallique (ou Ni-Mh), de type nickel-cadmium (Ni-Cd), lithium-fer-phosphate (LFP), au plomb, à l'état solide, ou tout autre type de batterie adapté à l’application. Chaque module de puissance est surveillé à l’aide d'une unité de contrôle dite CMC (pour "Cell Module Controller" selon la terminologie anglo-saxonne).The power modules are electrically connected to each other via electrically conductive tracks (called “busbars” in English). Each power module is made up of several electrochemical cells. By "electrochemical cell" is meant a cell generating current by chemical reaction, for example of the lithium-ion type (or Li-Ion), of the nickel-metal hydride type (or Ni-Mh), of the nickel-cadmium type ( Ni-Cd), lithium-iron-phosphate (LFP), lead-acid, solid-state, or any other battery type suitable for the application. Each power module is monitored using a control unit called CMC (for “Cell Module Controller” according to Anglo-Saxon terminology).
La spectroscopie d'impédance électrochimique est un procédé connu permettant de déterminer l'état de fonctionnement des cellules du bloc batterie. Ce procédé consiste à faire circuler un signal électrique de fréquence variable à l'intérieur des cellules. Une signature d'impédance est calculée à partir du rapport entre une tension mesurée au niveau de chaque cellule et un courant parcourant la cellule. La comparaison de cette signature d'impédance par rapport à des références permet de déterminer l'état de fonctionnement des cellules.Electrochemical impedance spectroscopy is a known method for determining the operating state of battery pack cells. This process consists of circulating an electrical signal of variable frequency inside the cells. An impedance signature is calculated from the ratio between a voltage measured at each cell and a current flowing through the cell. Comparing this impedance signature with references makes it possible to determine the operating state of the cells.
Dans les procédés connus, l'énergie accumulée lors de l'analyse est soit dissipée dans une résistance et donc perdue, soit réinjectée dans un réseau électrique basse tension du véhicule qui ne présente pas toujours une capacité disponible pour pouvoir emmagasiner cette énergie.In known methods, the energy accumulated during the analysis is either dissipated in a resistance and therefore lost, or reinjected into a low voltage electrical network of the vehicle which does not always have an available capacity to be able to store this energy.
L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un ensemble comportant :
- un bloc batterie comprenant une pluralité de modules de puissance constitués chacun de plusieurs cellules électrochimiques,
- au moins un équipement électrique haute tension comportant une capacité de filtrage,
- un système de gestion d’énergie lors d'une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique, ledit système de gestion d'énergie étant connecté électriquement à la capacité de filtrage et comprenant:
- un convertisseur de courant fréquentiel apte à générer, à partir d'une tension du bloc batterie, un signal de courant à fréquence variable destiné à exciter les cellules du bloc batterie au cours d'une phase d'excitation, et
- un dispositif élévateur de tension permettant un déchargement de la capacité de filtrage dans les modules de puissance lorsque ladite capacité de filtrage est chargée suite à la phase d'excitation.The invention aims to effectively remedy this drawback by proposing a set comprising:
- a battery pack comprising a plurality of power modules each made up of several electrochemical cells,
- at least one high voltage electrical equipment comprising a filtering capacity,
- an energy management system during an analysis by electrochemical impedance spectroscopy, said energy management system being electrically connected to the filtering capacity and comprising:
- a frequency current converter capable of generating, from a voltage of the battery pack, a current signal at variable frequency intended to excite the cells of the battery pack during an excitation phase, and
- a voltage booster device allowing unloading of the filtering capacity in the power modules when said filtering capacity is charged following the excitation phase.
L'invention permet ainsi de récupérer dans le bloc batterie l'énergie électrique utilisée lors de l'analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique. L’invention limite ainsi les pertes d’énergie tout en garantissant que l’énergie peut être récupérée temporairement par la ou les capacités de filtrage du ou des équipements électriques avant d'être réinjectée dans la batterie.The invention thus makes it possible to recover in the battery block the electrical energy used during the analysis by electrochemical impedance spectroscopy. The invention thus limits energy losses while ensuring that energy can be temporarily recovered by the filtering capacity(s) of the electrical equipment(s) before being reinjected into the battery.
Selon une réalisation de l'invention, ledit ensemble comporte une unité de contrôle de batterie.According to one embodiment of the invention, said assembly comprises a battery control unit.
Selon une réalisation de l'invention, l'unité de contrôle de batterie est apte à commander le convertisseur de courant fréquentiel.According to one embodiment of the invention, the battery control unit is capable of controlling the frequency current converter.
Selon une réalisation de l'invention, l’unité de contrôle de batterie est configurée pour calculer au moins une partie d’une signature d’impédance des cellules du bloc batterie à partir de valeurs de tension mesurées à des bornes des cellules et de valeurs de courant traversant ces cellules.According to one embodiment of the invention, the battery control unit is configured to calculate at least part of an impedance signature of the cells of the battery pack from voltage values measured at the terminals of the cells and values current passing through these cells.
Selon une réalisation de l'invention, l'unité de contrôle de batterie est apte à piloter le dispositif élévateur de tension pour commander le déchargement de la capacité de filtrage dans les modules de puissance.According to one embodiment of the invention, the battery control unit is able to control the voltage booster device to control the unloading of the filtering capacity in the power modules.
Selon une réalisation de l'invention, le convertisseur de courant fréquentiel est configuré pour générer un signal carré à fréquence variable.According to one embodiment of the invention, the frequency current converter is configured to generate a square wave at variable frequency.
Selon une réalisation de l'invention, le dispositif élévateur de tension est configuré pour permettre un déchargement de la capacité de filtrage à courant constant.According to one embodiment of the invention, the voltage booster device is configured to allow unloading of the filtering capacity at constant current.
Selon une réalisation de l'invention, une unité de contrôle est associée à chaque module de puissance, chaque unité de contrôle étant apte à mesurer une tension de chaque cellule composant ledit module de puissance lors de la phase d'excitation.According to one embodiment of the invention, a control unit is associated with each power module, each control unit being able to measure a voltage of each cell composing said power module during the excitation phase.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant un ensemble tel que précédemment défini.The invention also relates to a motor vehicle comprising an assembly as previously defined.
Selon une réalisation de l'invention, le véhicule automobile est de type électrique ou hybride.According to one embodiment of the invention, the motor vehicle is of the electric or hybrid type.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.The invention will be better understood on reading the following description and examining the accompanying figures. These figures are given for illustrative purposes only but in no way limit the invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.Identical, similar, or analogous elements retain the same reference from one figure to another.
La
Les modules de puissance 11 sont connectés électriquement entre eux via des pistes électriquement conductrices 13 (dites "busbars" en anglais). Chaque module de puissance 11 est constitué de plusieurs cellules électrochimiques 15. Par "cellule électrochimique", on entend une cellule générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-Ion), de type nickel-hydrure métallique (ou Ni-Mh), de type nickel-cadmium (Ni-Cd), lithium-fer-phosphate (LFP), au plomb, à l'état solide, ou tout autre type de batterie adapté à l’application.The power modules 11 are electrically connected to each other via electrically conductive tracks 13 (called "busbars" in English). Each power module 11 is made up of several electrochemical cells 15. By "electrochemical cell" is meant a cell generating current by chemical reaction, for example of the lithium-ion (or Li-Ion) type, of the nickel-metal hydride type (or Ni-Mh), nickel-cadmium (Ni-Cd), lithium-iron-phosphate (LFP), lead-acid, solid-state, or any other type of battery suitable for the application.
L'ensemble des modules de puissance 11 est relié électriquement à au moins un équipement électrique 16 haute tension par l'intermédiaire de relais 17. L’équipement électrique 16 comporte une capacité de filtrage 20. Les relais 17 sont aptes à sélectivement autoriser ou bloquer une connexion électrique entre le bloc batterie 10 et le ou les équipements électriques 16. Un dispositif de précharge 21 comportant un relai 22 associé à une résistance 23 permet de charger la capacité de filtrage 20 de l'équipement électrique 16 avant de fermer les relais 17 pour éviter un pic de courant au moment de la fermeture des relais 17. Un fusible 25 assure une protection électrique de l’installation.All of the power modules 11 are electrically connected to at least one high voltage electrical equipment 16 via relays 17. The electrical equipment 16 includes a filtering capacity 20. The relays 17 are capable of selectively authorizing or blocking an electrical connection between the battery pack 10 and the electrical equipment(s) 16. A precharging device 21 comprising a relay 22 associated with a resistor 23 makes it possible to charge the filtering capacity 20 of the electrical equipment 16 before closing the relays 17 to avoid a current peak when the relays 17 close. A 25 fuse provides electrical protection for the installation.
Les équipements électriques 16 haute tension sont constitués notamment par un ou plusieurs moteurs électriques de traction, un ou plusieurs convertisseurs continu-continu permettant d'interconnecter le réseau électrique haute tension alimenté par le bloc batterie 10 avec un réseau électrique basse tension (non représenté) sur lequel sont connectés des consommateurs électriques du véhicule automobile, tel qu'un système d'éclairage, une interface homme-machine de type tablette tactile par exemple, des actionneurs de vitres ou de sièges, un calculateur moteur, voire même un démarreur dans le cas d'un véhicule hybride embarquant un moteur thermique. Tout autre équipement électrique 16 peut être connecté au bloc batterie 10.The high voltage electrical equipment 16 is constituted in particular by one or more electric traction motors, one or more DC-DC converters making it possible to interconnect the high voltage electrical network powered by the battery pack 10 with a low voltage electrical network (not shown) to which electrical consumers of the motor vehicle are connected, such as a lighting system, a human-machine interface of the touch tablet type for example, window or seat actuators, an engine computer, or even a starter in the case of a hybrid vehicle incorporating a thermal engine. Any other electrical equipment 16 can be connected to the battery pack 10.
Le module de commande 12 BMS comporte une unité de contrôle de batterie 27 dite TBMU (pour "Traction Batterie Management Unit" en terminologie anglo-saxonne ou « Unité de Gestion d’une Batterie de Traction » en langue française) apte à gérer l'énergie électrique du bloc batterie 10. L'unité de contrôle de batterie 27 est également apte à effectuer une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique des cellules 15 du bloc batterie 10.The BMS control module 12 includes a battery control unit 27 called TBMU (for "Traction Battery Management Unit" in Anglo-Saxon terminology or "Traction Battery Management Unit" in French) capable of managing the electrical energy of the battery pack 10. The battery control unit 27 is also capable of carrying out an analysis by electrochemical impedance spectroscopy of the cells 15 of the battery pack 10.
Le module de commande 12 comporte également des unités de contrôle 28 dites CMC pour "Cell Module Controller" en terminologie anglo-saxonne associées chacune à un module de puissance 11. Chaque module de puissance 11 est ainsi surveillé par une unité de contrôle 28 associée. Les unités de contrôle 28 permettent de mesurer une tension continue de chaque cellule 15 composant ledit module de puissance 11 lors d'une phase d'excitation des cellules 15 décrite plus en détails ci-après. Un ampèremètre 29 permet de mesure un courant parcourant les cellules 15.The control module 12 also includes control units 28 called CMC for "Cell Module Controller" in Anglo-Saxon terminology each associated with a power module 11. Each power module 11 is thus monitored by an associated control unit 28. The control units 28 make it possible to measure a direct voltage of each cell 15 composing said power module 11 during an excitation phase of the cells 15 described in more detail below. An ammeter 29 makes it possible to measure a current flowing through the cells 15.
Par ailleurs, un système 30 de gestion d’énergie lors d'une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) est connecté électriquement à la capacité de filtrage 20.Furthermore, an energy management system 30 during an analysis by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is electrically connected to the filtering capacity 20.
Ce système 30 comporte un convertisseur 31 de courant fréquentiel apte à générer, à partir d'une tension du bloc batterie 10, un signal de courant Iexc à fréquence variable destiné à exciter les cellules 15 du bloc batterie 10 au cours d'une phase d'excitation. Le convertisseur 31 est de type DC-AC ("Direct Current-Alternative Current" en terminologie anglo-saxonne). De préférence, le convertisseur 31 de courant fréquentiel est configuré pour générer un signal carré positif à fréquence variable. Le signal Iexc présente une amplitude maximale Imax par exemple de l'ordre de 2 A et une fréquence variant entre 10mHz et 4 kHz. En variante, le convertisseur 31 peut générer un signal sinusoïdal.Le convertisseur 31 de courant fréquentiel est commandé par l'unité de contrôle de batterie 27 qui contrôle la fréquence du signal de courant Iexc à fréquence variable.This system 30 comprises a frequency current converter 31 capable of generating, from a voltage of the battery pack 10, a current signal Iexc at variable frequency intended to excite the cells 15 of the battery pack 10 during a phase d 'excitement. The converter 31 is of the DC-AC type ("Direct Current-Alternative Current" in Anglo-Saxon terminology). Preferably, the frequency current converter 31 is configured to generate a positive square signal at variable frequency. The signal Iexc has a maximum amplitude Imax, for example of the order of 2 A and a frequency varying between 10mHz and 4 kHz. Alternatively, the converter 31 can generate a sinusoidal signal.The frequency current converter 31 is controlled by the battery control unit 27 which controls the frequency of the current signal Iexc at variable frequency.
Le système 30 comporte également un dispositif élévateur de tension 32 permettant un déchargement de la capacité de filtrage 20 dans les modules de puissance 11 lorsque ladite capacité de filtrage 20 est chargée après la phase d'excitation. Le dispositif élévateur de tension est un convertisseur de type DC-DC.The system 30 also includes a voltage booster device 32 allowing unloading of the filtering capacity 20 in the power modules 11 when said filtering capacity 20 is loaded after the excitation phase. The voltage booster device is a DC-DC type converter.
L'unité de contrôle de batterie 27 est apte à piloter le dispositif élévateur de tension 32 pour commander le déchargement de la capacité de filtrage 20 dans les modules de puissance 11.The battery control unit 27 is able to control the voltage booster device 32 to control the unloading of the filtering capacity 20 in the power modules 11.
On décrit ci-après le fonctionnement du système 30 de gestion d'énergie lors de l'analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Lorsque le système 30 est activé, les moyens de coupure électrotechniques 17, 22 sont dans un état ouvert.The operation of the energy management system 30 during analysis by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is described below. When the system 30 is activated, the electrotechnical cutting means 17, 22 are in an open state.
Le système 30 sollicite, via le convertisseur 31 de courant fréquentiel, le bloc batterie 10 avec le signal alternatif Iexc à fréquence variable au cours d'une phase d'excitation, tel que cela est illustré par la
Pendant ce balayage en fréquence, les unités de contrôle 28 assurent la mesure de la tension sur les cellules 15 du blocs batterie 10 tandis que le courant traversant les cellules 15 est mesuré par l'ampèremètre 29.During this frequency sweep, the control units 28 measure the voltage on the cells 15 of the battery pack 10 while the current passing through the cells 15 is measured by the ammeter 29.
Lorsque la capacité de filtrage 20 est pleinement chargée, l’unité de contrôle de batterie 27 calcule au moins une partie d’une signature d’impédance des cellules 15 du bloc batterie 10 à partir de valeurs de tension mesurées aux bornes des cellules 15 et de valeurs de courant traversant ces cellules 15. La signature d’impédance est une impédance complexe.When the filter capacitor 20 is fully charged, the battery control unit 27 calculates at least part of an impedance signature of the cells 15 of the battery pack 10 from voltage values measured across the cells 15 and of current values passing through these cells 15. The impedance signature is a complex impedance.
La capacité de filtrage 20 étant pleinement chargée et le calcul de la signature d'impédance non terminé, l'unité de contrôle de batterie 27 pilote le dispositif élévateur de tension 32 pour décharger la capacité de filtrage 20 dans le bloc batterie 10.The filtering capacitor 20 being fully charged and the calculation of the impedance signature not completed, the battery control unit 27 controls the voltage raising device 32 to discharge the filtering capacitor 20 in the battery block 10.
A cet effet, comme cela est illustré par la
Afin de terminer l’opération de mesure de spectroscopie, on recommence l’opération d'excitation des cellules 15 via le système 30.In order to complete the spectroscopy measurement operation, we start the operation of excitation of the cells 15 again via the system 30.
Les étapes sont répétées autant que nécessaire afin de finir le balayage spectroscopique complet de l'ensemble des cellules 15 du bloc batterie 10. A la fin du procédé, on dispose de la signature d'impédance de l'ensemble des cellules 15 qui peut être comparée avec des valeurs ou des gabarits de référence pour en déduire un état de fonctionnement des cellules 15 du bloc batterie 10.The steps are repeated as much as necessary in order to complete the complete spectroscopic scanning of all the cells 15 of the battery pack 10. At the end of the process, we have the impedance signature of all the cells 15 which can be compared with reference values or templates to deduce an operating state of the cells 15 of the battery pack 10.
Claims (10)
- un bloc batterie (10) comprenant une pluralité de modules de puissance (11) constitués chacun de plusieurs cellules (15) électrochimiques,
- au moins un équipement électrique (16) haute tension comportant une capacité de filtrage (20),
- caractérisé en ce que ledit ensemble comporte en outre un système (30) de gestion d’énergie lors d'une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique, ledit système (30) de gestion d'énergie étant connecté électriquement à la capacité de filtrage (20) et comprenant:
- un convertisseur (31) de courant fréquentiel apte à générer, à partir d'une tension du bloc batterie (10), un signal de courant (Iexc) à fréquence variable destiné à exciter les cellules (15) du bloc batterie (10) au cours d'une phase d'excitation, et
- un dispositif élévateur de tension (32) permettant un déchargement de la capacité de filtrage (20) dans les modules de puissance (11) lorsque ladite capacité de filtrage (20) est chargée suite à la phase d'excitation.Set comprising:
- a battery pack (10) comprising a plurality of power modules (11) each made up of several electrochemical cells (15),
- at least one high voltage electrical equipment (16) comprising a filtering capacity (20),
- characterized in that said assembly further comprises an energy management system (30) during an analysis by electrochemical impedance spectroscopy, said energy management system (30) being electrically connected to the filtering capacity (20) and comprising:
- a frequency current converter (31) capable of generating, from a voltage of the battery pack (10), a current signal (Iexc) at variable frequency intended to excite the cells (15) of the battery pack (10) during an excitement phase, and
- a voltage booster device (32) allowing unloading of the filtering capacity (20) in the power modules (11) when said filtering capacity (20) is charged following the excitation phase.
Motor vehicle according to claim 9, characterized in that it is of the electric or hybrid type.
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