WO2017108536A1 - Procede d'evaluation de l'etat de charge d'une batterie - Google Patents

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WO2017108536A1
WO2017108536A1 PCT/EP2016/081020 EP2016081020W WO2017108536A1 WO 2017108536 A1 WO2017108536 A1 WO 2017108536A1 EP 2016081020 W EP2016081020 W EP 2016081020W WO 2017108536 A1 WO2017108536 A1 WO 2017108536A1
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battery
state
charge
evaluating
cells
Prior art date
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PCT/EP2016/081020
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Inventor
Jérémie JOUSSE
Arnaud Delaille
Elisabeth Lemaire
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating the state of charge of a battery. It also relates to a device for evaluating the state of charge of a battery implementing this method. Finally, it relates to a system comprising a battery and implementing this method of evaluating the state of charge of the battery.
  • the knowledge of the state of a battery includes in particular the calculation of its state of charge at any moment of its existence, also called SOC for its English name of "State Of Charge".
  • SOC state of Charge
  • a gauge (or indicator) of state of charge is generally associated with such a battery.
  • This gauge is managed by a battery management system, which implements the estimation of the state of charge of the battery from predefined algorithms and measurements made by sensors associated with the battery.
  • a first method of the state of the art to implement a resetting phase of the battery charge status gauge is to achieve a full charge of the battery. When the full charge is reached, the gauge is reset by its setting to 100%.
  • a second alternative method of the state of the art for implementing a phase of resetting the charge state of a battery is to achieve a full discharge of the battery, which allows to reach a state of charge zero that allows to reset the gauge to 0%.
  • these resetting phases finally consist of positioning the batteries in a fully charged or discharged configuration, for which their actual state of charge is known, to reset the estimation algorithms to this real value.
  • a disadvantage of these solutions of the state of the art is that they require the regular implementation of a charge or complete discharge of the battery, which causes a loss of time and does not allow the normal use of the battery during these resetting phases.
  • Another method of resetting the charge state of a battery is to measure the voltage across the battery.
  • this method requires having a very precise voltage sensor and a large measurement frequency.
  • this voltage measurement is then exploited by complex calculations, which require a high computing power.
  • a general object of the invention is to propose a solution for estimating the state of charge of a battery which does not include the disadvantages of the state of the art.
  • an object of the invention is to propose a solution for estimating the state of charge of a battery which makes it possible to improve the accuracy of the estimation while alleviating the estimation process.
  • the invention is based on a method of evaluating the state of charge of a battery comprising the association of several cells comprising at least one phase of estimating the state of charge of the battery by a battery.
  • the voltage measurements of the process are performed during charging or discharging of the battery.
  • the resetting phase may comprise the repetition of the measurement, analysis, and comparison steps as long as the comparison does not make it possible to detect a particular state of the battery, according to a predefined period.
  • the state of charge evaluation method may include measuring voltage values across a plurality of cells of the battery at a given time during a discharge phase of the battery during which it simultaneously supplies a load in normal operation. drums.
  • the step of measuring voltage values across a plurality of cells of the battery at a given instant may comprise measuring the voltage across all the cells of the battery or only part of the cells of the battery, in particular a plurality of cells connected in series.
  • the step of analyzing the measured voltage values may include all or part of the following calculations:
  • the method of evaluating the state of charge of a battery may include a detection step if the state of the battery allows the launch or not of a resetting phase, including in particular the verification of at least the one of the following two conditions:
  • the method of evaluating the state of charge of a battery may comprise a step of balancing the cells of the battery if the difference between the measured voltage values is beyond a threshold.
  • the battery may include a plurality of lithium ion negative graphite electrode cells and the actual known and predefined charge status of the battery may be around 60%.
  • the method for evaluating the state of charge of a battery may comprise a preliminary calibration step, consisting of a step of drawing at least a portion of the evolution curve of the voltage across a cell. of the battery in the charging and / or discharging phase, and the detection of at least one particular point of this curve, such as a landing or a zone of steep slope.
  • the invention also relates to a device for evaluating the state of charge of a battery comprising the association of several cells, comprising a computer and an electronic memory, characterized in that the device comprises a communication device with voltage sensors for receiving digital data of measurements of voltage values at the terminals of several cells of the battery, and in that the computer implements the method of evaluating the state of charge of the battery as described above .
  • the invention also relates to a computer medium readable by a management unit, characterized in that it comprises a registered computer program comprising computer program code means implementing and controlling the method for evaluating the state of charge of the battery as described above.
  • the invention also relates to a system comprising a battery comprising the association of several cells and a management unit comprising a computer, characterized in that it comprises several sensors for measuring voltage values across several cells of the battery. and a communication device between these sensors and the management unit computer, this management unit implementing the method of evaluating the state of charge of the battery as described above.
  • the management unit controls the use of the battery according to its state of charge evaluated by the method of evaluating the state of charge of the battery as described above.
  • FIG. 1 represents the evolution of the voltage at the terminals of a graphite negative-ion lithium-ion type battery during a discharge and a charge at a low current.
  • FIGS. 2 and 3 also show the evolution of the voltage at the terminals of a lithium-ion battery with negative graphite electrode during charging and subsequent discharge for respectively two different regimes.
  • FIGS. 4 to 5 represent the evolution of the dispersion between the voltages at the terminals of different cells of a battery as a function of time during a charge and a successive discharge for respectively two different regimes.
  • FIG. 6 diagrammatically represents a flowchart of the method for evaluating the state of charge of a battery according to one embodiment of the invention. For the sake of simplicity, similar elements will bear the same references in the different figures.
  • the method of evaluating the state of charge of a battery is particularly suitable for a battery comprising a multitude of elementary batteries, often referred to simply as cells, interconnected electrically in series and / or parallel. Such a battery is sometimes called a battery pack.
  • the method is also particularly suitable for a battery pack constructed with graphite-based negative electrode lithium-ion technology.
  • the method of evaluating the state of charge of a battery comprises an estimation phase, during which a method of estimating the state of charge is implemented, and a registration phase.
  • This resetting phase makes it possible, from a precise and actual state of charge value, to recalibrate the calculations implemented during the estimation phase, for example to modify the parameters of the calculations implemented by the algorithms used. during said estimation phase and updating the values of the parameters to take account of the aging of the battery, but also of any drift of the measurements made by the sensors.
  • This registration, or updating or compensation is carried out according to the same approach as that explained in connection with the state of the art.
  • the invention relates more specifically to the simple detection of a real value of registration.
  • the resetting phases according to the embodiment of the invention make it possible to obtain at least one accurate and reliable value of the state of charge of a battery, in a simpler way and less binding with the solutions of the state of the art, regardless of the aging of the battery.
  • This approach thus makes it possible to implement the registration phases according to a greater occurrence than with the methods of the state of the art, which makes it possible to improve overall the accuracy of the estimation of the state of charge. 'a battery.
  • This occurrence will be chosen to achieve an optimal compromise between a high accuracy of the estimation of the state of charge and the simplicity of the overall method of estimating the state of charge. It is also possible to choose a simpler and less robust state of charge estimation algorithm, whose performance decrease will at least be offset by more registration phases.
  • FIG. 1 shows a curve 2 which represents the evolution of the voltage at the terminals of an elementary lithium-ion battery as a function of time during its discharge, and a curve 3 which represents the evolution of the voltage at the terminals of said elementary lithium-ion battery as a function of time during charging. It appears that these two curves 2, 3 comprise different bearings 4 and intermediate zones 5 of steep slopes between these bearings.
  • FIGS 2 and 3 illustrate the same phenomenon for respectively two different regimes of charge and discharge.
  • Figure 2 shows the voltage measurements taken during charging and subsequent discharge at a C / 20 regime.
  • a first curve 3 which represents the evolution of the voltage at the terminals of a lithium-ion elementary battery as a function of time during its charging
  • a curve 2 which represents the evolution of the voltage at the terminals of said lithium battery. -iffy element as a function of time during its successive discharge in time.
  • These curves have steep lands and intermediate zones of steep slope, including a zone 5 identified and particularly interesting, which is a brief break in the curves between two levels, which will be exploited according to this embodiment of the invention.
  • These same figures represent the curves 6, 7 of evolution of the state of charge during respectively charging and discharging.
  • zone 5 in charge phase of the elementary battery appears for a state of charge of about 60%, while the zone 5 in the discharge phase appears for a state of charge of about 63%.
  • Figure 3 shows the same curves for a different regime of C / 100. This illustrates that the above phenomena are visible for any scheme.
  • the intermediate zones reproduce systematically at constant state of charge, and it is found that they testify in fact to a particular physical state of the battery. These zones 5 thus make it possible to detect this particular physical state of the battery, and to know the real state of charge of the battery in this particular state.
  • the different cells do not reach the bearings and the remarkable areas at the same time, because of the inevitable existence of a charge imbalance between cells. This time difference between them results in an increase in the difference between the voltages of the different cells at these remarkable areas.
  • the embodiment of the invention exploits this phenomenon to detect these remarkable areas by simply comparing the voltage measurements between the cells of the battery. This approach is thus very simple since it does not need to draw the curves 2, 3, or even require the calculation of a derivative of the voltage with respect to time to detect the changes of slope at the zones 5.
  • Figures 4 and 5 thus illustrate this approach for a test battery comprising eight lithium-ion cells connected in series, and for respectively two regimes of C / 100 and C / 5, where C corresponds to the nominal conditions.
  • the eight curves of evolution as a function of time of the charge and discharge voltage for respectively each of the cells of the battery are substantially superimposed on curves 3, 2.
  • Curve 8 represents the difference as a function of time between the maximum voltage and the minimum voltage of the voltage values at the terminals of the different cells of the battery. It can be seen that this curve 8 has a peak 9 at the level of the particular zones identified, which confirms the aforementioned phenomenon.
  • the embodiment of the invention thus relies on the identification of a particular zone 5, in charge or discharge of the battery, by the simple detection of a peak 9 during the comparison of the voltage measurements for the different cells, or more generally an increase in the dispersion of the voltage values across several cells of the battery.
  • Figure 5 illustrates two cycles of charging and discharging the battery. It is noted in this figure that the peaks 9 are less marked and therefore less identifiable than previously. Thus, this illustrates the fact that the embodiment of the invention preferably chooses a relatively low charging or discharging regime, C / 100 representing a good compromise. Indeed, the maximum difference (peak 9) can reach 20 mV during cycling at a rate of C / 100. It decreases for stronger currents and becomes harder to detect.
  • the battery during its charging or discharging, and in a determination of at least a maximum of the difference between these values, which makes it possible to detect the particular physical state of the battery and to deduce therefrom a real value of the state of charge of the battery, which is used for the resetting of the model of estimation of the state of charge of the battery, used out of the phases of registration.
  • the concept of the actual value of the state of charge is defined as opposed to an estimated value of the state of charge which corresponds to a value calculated by means of a state of charge calculation algorithm.
  • the calculation or estimation algorithms use values of physical quantities, for example the voltage at the battery terminals, to calculate an estimated value of the state of charge.
  • a particular actual value of the state of charge is obtained by detecting a characteristic physical phenomenon making it possible to affirm that the instantaneous value of the state of charge is equal to a known, predetermined value at the moment of the detecting said characteristic physical phenomenon. For example, for the zones 5 identified in FIGS. 2 and 3, the detection of these zones makes it possible to deduce from this that the cells of the battery, and therefore the battery itself, are in a state of actual charge of 60. % or 63%, as explained above.
  • FIG. 6 illustrates the steps of a resetting phase of a method for evaluating the state of charge of a battery according to one embodiment of the invention.
  • the method verifies whether the conditions are met for an efficient implementation of the registration of the state of charge SOC evaluation method. According to the embodiment, the following two conditions are verified in this first step E1:
  • the charge current I or charge applied is preferred under a maximum threshold IJimite, as explained above, for example less than or equal to C / 5;
  • the state of charge of the battery as estimated by the charge state gauge, even imperfect before it is reset, or by any other means, such as from a measurement of the vacuum voltage of the electrochemical system of the the battery, which can also be representative of the state of charge of the battery, must be within an acceptable range for the implementation of a resetting phase. It must indeed be in a position that will achieve one of the remarkable points 5 explained above.
  • a wide range is advantageously defined by 10% ⁇ SOC ⁇ 90%, to ensure that the battery is in an intermediate situation and not to the fully loaded or discharged extreme positions.
  • this range may be chosen between 40 and 70% in order to detect the zone previously identified which corresponds to a SOC close to 60%.
  • step E1 If the previous conditions chosen are not verified during this step E1, the registration phase is not engaged, and this step is periodically implemented until the desired conditions are met.
  • the resetting phase is performed in a charging or discharging phase of the battery, under predefined current conditions, preferably at a constant and low current.
  • the charging conditions are also preferably chosen to maintain the temperature of the battery substantially constant, avoiding for example the strong regimes.
  • the nominal load conditions given by the manufacturer, represent by way of example a solution, or a low current regime, for example of C / 100 as mentioned above, forms an advantageous solution.
  • the method then implements the following iterations, according to a chosen period:
  • the voltage values at the terminals of the different cells of the battery are measured at a given instant.
  • the measurements are carried out simultaneously or almost simultaneously for the different cells. Alternatively, they may be slightly offset in time.
  • the voltage values of all the cells are measured. Alternatively, the voltage of only a portion of these cells could be measured, their plurality being able to detect a dispersion of the measurements.
  • this analysis step can implement the following calculations:
  • this analysis step E4 implements the calculation of at least one variable Diff representative of the difference between the voltage measurements of different cells of the battery. Naturally, these different calculations can be combined and / or cumulated to improve the reliability of the analysis.
  • the analysis step E4 can implement an optional step, not shown, of detecting the abnormal voltage values, which are for example due to a measurement error or a failure of the associated cell, for set aside and do not take them into account in the analysis step E4.
  • the method implements a comparison step E5 which consists of a comparison of the at least one variable Diff with a threshold chosen only so as to identify a peak 9 as defined above. If the magnitude Diff is below the threshold, the peak is not reached and the steps E1 to E5, or even E3 to E5, are repeated. This repetition is done according to a chosen period, for example a second, adapted to detect the desired peak, that is to say in particular in a time step less than the time width of the peak to be detected.
  • the threshold is naturally fixed from the knowledge of the desired peak. It can depend on the current at the terminals of the battery, or even the temperature. More generally, this comparison step E5 makes it possible to detect the sharp increase in the difference between the voltage values at the terminals of different cells of the battery, which is significant for a particular physical state of the battery.
  • the method implements a step E10 of resetting as such the state of charge of the battery to the actual state of charge corresponding to the identified peak.
  • this real value is stored in an electronic memory associated with the battery management device. Note that the registration is similar to the state of the art, the invention is not specifically on this last step.
  • the comparative step E5 is performed from Diff magnitudes obtained on several successive iterations, especially if the measurement period is small, to guarantee with greater certainty the attainment of a peak 9.
  • the method may optionally implement a step of balancing all or part of the cells of the battery, not shown.
  • the magnitude Diff or more generally the difference between the voltage values at the terminals of the cells also represents the imbalance between the cells of the battery.
  • This imbalance phenomenon is advantageously exploited by the embodiment of the invention for resetting the state of charge of the battery but is not desirable for optimal performance of the battery in its power supply function of a battery. charge.
  • a balancing step is implemented, making it possible to reach a substantially identical state of charge for all battery cells.
  • This balancing can include the discharge of the most heavily loaded subsets.
  • the acceptable threshold of dispersion can be set equal to one or a few percent of the average value of the states of charge levels of the cells.
  • the implementation of steps E3 to E5 can then validate the correct balance of the battery. Naturally, even in the case of balancing, a natural imbalance will occur later, which will again allow the implementation of the registration of the battery by the method described above. It should be noted that the steps E3 to E5 explained above correspond in fact to a method of detecting an actual value of a state of charge of a battery, to which the invention also relates.
  • the state of charge evaluation method comprises a prior calibration step E0, which makes it possible to determine the particular zones of the curve of evolution of the voltage of a battery cell, as well as the actual values of state of charge. This data is then stored on an electronic memory accessible by the device for evaluating the state of charge of the battery.
  • the method described above achieves the desired objects and has the advantage of not requiring any charge or total discharge of the battery, or rest phase, for the resetting phase of its evaluation method of its state of charge. In addition, it can operate for a short period of charging or discharging the battery, since it is possible to engage the reset phase in an initial state of the battery near the particular point to be detected, which terminates the battery. recalibration phase. Thus, the registration phase becomes much less restrictive.
  • This method is also advantageously implemented during the normal simultaneous use of the battery, either during a charging phase, or in a discharge during a supply phase of a load connected to the battery.
  • the invention also relates to a device for evaluating the state of charge of a battery, which comprises hardware (hardware) and / or software (software), a management unit including at least one computer, for the method for evaluating the state of charge of the battery described above, and the implementation of the phases of registration detailed below. above.
  • This device controls in particular the steps of calculation, measurement and / or estimates of physical quantities, such as temperature, current, voltage, etc.
  • This device of the battery is integrated or not within the structure of the drums.
  • the device is connected to at least one sensor for measuring the voltage of each cell, or even only part of the cells of the battery, these sensors being linked by a communication device with the computer of the device, as well as also possibly a current sensor transmitted or coming from the battery, and / or a sensor for measuring the temperature of the battery.
  • This device further comprises an electronic memory for storing all or part of the values measured and / or calculated in the different steps of the method, as well as the digital calibration data.
  • the device thus comprises a computer medium readable by a management unit, which comprises a computer program recorded comprising computer program code means for implementing and controlling the method for evaluating the state of charge of the computer. battery as previously described.
  • SOH (tr) Ah (tr) / Ah (ti)
  • Ah (ti) is the total of the charge (in ampere-hours) received by the same battery in its new state under the same charging conditions.
  • the state of health of a battery is defined from the reference capacity of the battery, called Cref.
  • Cref This reference capacity represents the maximum amount of charge that the battery, initially charged, can restore during a discharge. It is thus defined by considering a load and a discharge carried out under nominal conditions (regimes or profile of current, temperature, criteria of end of charge and discharge). This reference capacity decreases with time, since with its aging, the battery becomes less efficient.
  • Cref (tO) is called the reference capacity of the battery at the initial time then Cref (t) its reference capacity at a time t
  • Cref (tO) is called the reference capacity of the battery at the initial time
  • the state of health SOH (t) of the battery at the instant moment t is defined as follows:
  • the phase of resetting the state of health of the battery comprises a step of measuring the charge Ah (tr) transmitted to the battery between its discharged state and its intermediate state corresponding to a particular point for which its state of charge is known, at the moment of registration. This same measurement is performed in the new state of the battery, for example during the calibration step, which thus makes it possible to measure and memorize the load Ah (ti) transmitted to the battery to the same point in the new condition of the battery.
  • the method deduces a real value of the state of health of the battery at time tr, by the following formula:
  • This real value is then used for a step of resetting the health calculation algorithm.
  • This phase of registration of the health status estimation algorithm can be combined with that of the state of charge estimation method, or even be distinct and independent.
  • the evaluation method can also implement a measurement of the temperature of the battery, to adapt the resetting value to this temperature.
  • the method may also include a step of measuring the temperature of the battery, and a step of cooling or heating the battery if the temperature of the battery is not within a range of plus or minus 20% around a value. reference temperature.
  • the invention also relates to a system comprising a battery composed of the association of several cells. It is particularly useful for systems where the charge / discharge current is low, and also interesting for applications where the battery rarely reaches the charge states of 0 or 100%. This is particularly the case of autonomous photovoltaic systems.
  • a system therefore comprises a battery, whose control is based on the evaluation of its state of charge implemented by the method described above.

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Abstract

Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie Abrégé descriptif : Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules comprenant au moins une phase d'estimation de l'état de charge de la batterie par un algorithme d'estimation de l'état de charge et au moins une phase de recalage de l'algorithme d'estimation mis en œuvre durant la phase d'estimation, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la mise en œuvre des étapes suivantes : - détection d'une valeur réelle d'un état de charge de la batterie à un instant donné par la mise en œuvre des étapes suivantes : - mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné; - analyse (E4) des valeurs de tension mesurées à l'étape précédente, dans le but de calculer au moins une grandeur représentative de l'écart entre ces valeurs; - comparaison (E5) de la au moins une grandeur calculée à l'étape précédente avec un seuil choisi de sorte à identifier un état particulier de la batterie correspondant à une valeur réelle d'état de charge connue et prédéfinie de la batterie, - recalage (E10) de l'algorithme d'estimation de l'état de charge de la batterie à partir de ladite valeur réelle d'état de charge audit instant donné.

Description

Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie
L'invention concerne un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie. Elle concerne aussi un dispositif d'évaluation de l'état de charge d'une batterie mettant en œuvre ce procédé. Enfin, elle concerne un système comprenant une batterie et mettant en œuvre ce procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie.
La connaissance de l'état d'une batterie (ou accumulateur électrochimique) comprend notamment le calcul de son état de charge à tout moment de son existence, aussi appelé SOC pour sa dénomination anglo-saxonne de « State Of Charge ». Pour cela, une jauge (ou indicateur) d'état de charge est généralement associée à une telle batterie. Cette jauge est gérée par un système de gestion de la batterie, qui met en œuvre l'estimation de l'état de charge de la batterie à partir d'algorithmes prédéfinis et de mesures réalisées par des capteurs associés à la batterie. Avec les solutions de l'état de la technique, on note une dégradation de cette estimation de l'état de charge d'une batterie avec le temps, et avec son vieillissement. Pour pallier à ce phénomène, il est connu de mettre en œuvre des phases dites de « recalage de la jauge d'état de charge », qui consistent en des adaptations avec le temps des algorithmes prédéfinis, par exemple des paramètres de ces algorithmes, pour leur permettre finalement d'atteindre une estimation fiable de manière durable. Une première méthode de l'état de la technique pour mettre en œuvre une phase de recalage de la jauge d'état de charge d'une batterie consiste à réaliser une pleine charge de la batterie. Lorsque la pleine charge est atteinte, la jauge est recalée par son réglage à 100%. Une seconde méthode alternative de l'état de la technique pour mettre en œuvre une phase de recalage de la jauge d'état de charge d'une batterie consiste à réaliser une pleine décharge de la batterie, qui permet d'atteindre un état de charge nul qui permet de recaler la jauge à 0%.
Ainsi, ces phases de recalage consistent finalement en un positionnement des batteries dans une configuration totalement chargée ou déchargée, pour laquelle leur état de charge réel est connu, pour recaler les algorithmes d'estimation sur cette valeur réelle. Naturellement, un inconvénient de ces solutions de l'état de la technique est qu'elles nécessitent la mise en œuvre régulière d'une charge ou décharge complète de la batterie, ce qui engendre une perte de temps et ne permet pas l'utilisation normale de la batterie pendant ces phases de recalage. Il existe une multitude d'applications d'une batterie pour lesquelles la batterie atteint très rarement naturellement ces situations extrêmes (SOC de 0 et 100%).
Une autre méthode de recalage de la jauge d'état de charge d'une batterie consiste à mesurer la tension aux bornes de la batterie. Cependant cette méthode nécessite d'avoir un capteur de tension très précis et une fréquence de mesure importante. De plus, cette mesure de tension est ensuite exploitée par des calculs complexes, qui nécessitent une puissance de calcul importante.
Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution d'estimation de l'état de charge d'une batterie qui ne comprend pas les inconvénients de l'état de la technique.
Plus particulièrement, un objet de l'invention est de proposer une solution d'estimation de l'état de charge d'une batterie qui permet d'améliorer la précision de l'estimation tout en allégeant le procédé d'estimation. A cet effet, l'invention repose sur un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules comprenant au moins une phase d'estimation de l'état de charge de la batterie par un algorithme d'estimation de l'état de charge et au moins une phase de recalage de l'algorithme d'estimation mis en œuvre durant la phase d'estimation, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la mise en œuvre des étapes suivantes :
- détection d'une valeur réelle d'un état de charge de la batterie à un instant donné par la mise en œuvre des étapes suivantes :
- mesure de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné ;
- analyse des valeurs de tension mesurées à l'étape précédente, dans le but de calculer au moins une grandeur représentative de l'écart entre ces valeurs ;
- comparaison de la au moins une grandeur calculée à l'étape précédente avec un seuil choisi de sorte à identifier un état particulier de la batterie correspondant à une valeur réelle d'état de charge connue et prédéfinie de la batterie,
- recalage de l'algorithme d'estimation de l'état de charge de la batterie à partir de ladite valeur réelle d'état de charge audit instant donné.
Les mesures de tension du procédé sont effectuées lors d'une charge ou d'une décharge de la batterie.
La phase de recalage peut comprendre la répétition des étapes de mesure, d'analyse, et de comparaison tant que la comparaison ne permet pas de détecter un état particulier de la batterie, selon une période prédéfinie. Le procédé d'évaluation de l'état de charge peut comprendre la mesure de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné pendant une phase de décharge de la batterie durant laquelle elle alimente simultanément une charge selon un fonctionnement normal de la batterie.
L'étape de mesure de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné peut comprendre la mesure de la tension aux bornes de toutes les cellules de la batterie ou d'une partie seulement des cellules de la batterie, notamment une pluralité de cellules connectées en série.
L'étape d'analyse des valeurs de tension mesurées peut comprendre tout ou partie des calculs suivants :
- la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale des tensions mesurées ;
- la prise en compte des deux plus grandes valeurs, ou des n plus grandes valeurs, comparées aux deux plus petites, ou aux n plus petites valeurs de tension mesurées ;
- un calcul statistique de type écart-type permettant de détecter une augmentation de la dispersion des valeurs de tension mesurées ;
- une mise à l'écart des valeurs de tension anormales pour ne pas les utiliser dans le calcul. Le procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie peut comprendre une étape de détection si l'état de la batterie permet le lancement ou non d'une phase de recalage, comprenant notamment la vérification d'au moins l'une des deux conditions suivantes :
- la vérification que le courant aux bornes de la batterie se trouve sous un seuil maximum ; - la vérification que l'état de charge de la batterie se trouve dans une plage intermédiaire, notamment entre 10% et 90%, voire entre 40 et 70%.
Le procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie peut comprendre une étape d'équilibrage des cellules de la batterie si l'écart entre les valeurs de tension mesurées se trouve au-delà d'un seuil.
La batterie peut comprendre plusieurs cellules lithium-ion à électrode négative de graphite et la valeur réelle d'état de charge connue et prédéfinie de la batterie peut être autour de 60%.
Le procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie peut comprendre une étape préalable de calibration, consistant en une étape de tracé d'au moins une partie de la courbe d'évolution de la tension aux bornes d'une cellule de la batterie en phase de charge et/ou de décharge, et la détection d'au moins un point particulier de cette courbe, comme un palier ou une zone de forte pente.
L'invention porte aussi sur un dispositif d'évaluation de l'état de charge d'une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules, comprenant un calculateur et une mémoire électronique, caractérisé en ce que le dispositif comprend un dispositif de communication avec des capteurs de tension pour recevoir des données numériques de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie, et en ce que le calculateur met en œuvre le procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie tel que décrit précédemment.
L'invention porte aussi sur un support informatique lisible par une unité de gestion, caractérisé en ce qu'il comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en œuvre et pilotage du procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie tel que décrit précédemment.
L'invention porte aussi sur un système comprenant une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules et une unité de gestion comprenant un calculateur, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs capteurs de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie et un dispositif de communication entre ces capteurs et le calculateur de l'unité de gestion, cette unité de gestion mettant en œuvre le procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie tel que décrit précédemment.
L'unité de gestion pilote l'utilisation de la batterie en fonction de son état de charge évalué par le procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie tel que décrit précédemment.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 représente l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie de type lithium-ion à électrode négative de graphite lors d'une décharge et d'une charge à faible courant.
Les figures 2 et 3 représentent aussi l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie de type lithium-ion à électrode négative de graphite lors d'une charge et d'une décharge successive pour respectivement deux régimes différents. Les figures 4 à 5 représentent l'évolution de la dispersion entre les tensions aux bornes de différentes cellules d'une batterie en fonction du temps lors d'une charge et d'une décharge successive pour respectivement deux régimes différents.
La figure 6 représente schématiquement un organigramme du procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention. Pour une raison de simplicité, des éléments semblables porteront les mêmes références sur les différentes figures.
Le procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie est particulièrement adapté à une batterie comprenant une multitude de batteries élémentaires, souvent appelées plus simplement cellules, reliées entre elles électriquement en série et/ou parallèles. Une telle batterie est parfois appelée pack batterie. Le procédé est aussi particulièrement adapté à un pack batterie construit avec la technologie lithium-ion à électrode négative à base de graphite.
Le procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon un mode de réalisation avantageux de l'invention comprend une phase d'estimation, durant laquelle une méthode d'estimation de l'état de charge est mise en œuvre, et une phase de recalage. Cette phase de recalage permet, à partir d'une valeur précise et réelle d'état de charge, de recaler les calculs mis en œuvre durant la phase d'estimation, pour modifier par exemple les paramètres des calculs mis en œuvre par les algorithmes utilisés lors de ladite phase d'estimation et actualiser les valeurs des paramètres pour tenir compte du vieillissement de la batterie, mais également d'une éventuelle dérive des mesures effectuées par les capteurs. Ce recalage, ou encore actualisation ou compensation, est réalisé selon la même approche que celui explicité en rapport avec l'état de la technique. L'invention porte plus précisément sur la détection simple d'une valeur réelle de recalage. Comme cela va être détaillé par la suite, les phases de recalage selon le mode de réalisation de l'invention permettent d'obtenir au moins une valeur précise et fiable de l'état de charge d'une batterie, de manière plus simple et moins contraignante qu'avec les solutions de l'état de la technique, quel que soit le vieillissement de la batterie. Cette approche permet ainsi de mettre en œuvre les phases de recalage selon une occurrence plus importante qu'avec les méthodes de l'état de la technique, ce qui permet d'améliorer globalement la précision de l'estimation de l'état de charge d'une batterie. Cette occurrence sera choisie pour atteindre un compromis optimal entre une grande précision de l'estimation de l'état de charge et la simplicité du procédé global d'estimation de l'état de charge. Il est aussi possible de choisir un algorithme d'estimation de l'état de charge plus simple et moins robuste, dont la baisse de performance sera au moins compensée par des phases de recalage plus nombreuses. Une phase de recalage de l'estimation de l'état de charge d'une batterie selon un mode de réalisation va maintenant être explicitée. Cette phase de recalage repose sur l'observation de l'évolution de la tension aux bornes de la batterie lors de sa charge ou de sa décharge. A cet effet, la figure 1 montre une courbe 2 qui représente l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa décharge, et une courbe 3 qui représente l'évolution de la tension aux bornes de ladite batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa charge. Il apparaît que ces deux courbes 2, 3 comprennent différents paliers 4 et des zones intermédiaires 5 de fortes pentes entre ces paliers.
Différentes études montrent que au moins certains de ces paliers 4 et zones intermédiaires 5 se produisent toujours à un état de charge SOC identique à chaque cycle, de manière indépendante du vieillissement de la batterie élémentaire.
Les figures 2 et 3 illustrent ce même phénomène pour respectivement deux régimes différents de charge et décharge.
La figure 2 représente les mesures de tension relevées lors d'une charge et d'une décharge successive à un régime de C/20. On retrouve une première courbe 3 qui représente l'évolution de la tension aux bornes d'une batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa charge, et une courbe 2 qui représente l'évolution de la tension aux bornes de ladite batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa décharge successive dans le temps. Ces courbes présentent bien des paliers et des zones intermédiaires de forte pente, dont une zone 5 identifiée et particulièrement intéressante, qui se présente comme une brève rupture des courbes entre deux paliers, qui sera exploitée selon ce mode de réalisation de l'invention. Ces mêmes figures représentent les courbes 6, 7 d'évolution de l'état de charge pendant respectivement la charge et la décharge. On note que la zone 5 en phase de charge de la batterie élémentaire apparaît pour un état de charge d'environ 60%, alors que la zone 5 en phase de décharge apparaît pour un état de charge d'environ 63%. La figure 3 représente les mêmes courbes pour un régime différent de C/100. Cela illustre que les phénomènes précédents sont visibles pour tout régime. En fait, les zones 5 intermédiaires se reproduisent systématiquement à état de charge constant, et on constate qu'elles témoignent en fait d'un état physique particulier de la batterie. Ces zones 5 permettent ainsi de détecter cet état physique particulier de la batterie, et de connaître l'état de charge réel de la batterie dans cet état particulier.
Lors de la charge et de la décharge d'un pack batterie constitué de plusieurs batteries élémentaires, aussi appelées cellules, assemblées en série, les différentes cellules n'atteignent pas les paliers et les zones 5 remarquables au même moment, du fait de l'existence inévitable d'un déséquilibre de charge entre les cellules. Ce décalage temporel entre elles se traduit par une augmentation de l'écart entre les tensions des différentes cellules au niveau de ces zones 5 remarquables. Le mode de réalisation de l'invention exploite ce phénomène pour détecter ces zones 5 remarquables par la simple comparaison des mesures de tension entre les cellules de la batterie. Cette approche est ainsi très simple puisqu'elle ne nécessite pas de tracer les courbes 2, 3, voire n'exige pas le calcul d'une dérivée de la tension par rapport au temps pour détecter les changements de pente au niveau des zones 5. Les figures 4 et 5 illustrent ainsi cette approche pour une batterie test comprenant huit cellules lithium-ion connectées en série, et pour respectivement deux régimes de C/100 et C/5, où C correspond aux conditions nominales. Sur ces deux figures, les huit courbes d'évolution en fonction du temps de la tension en charge et décharge pour respectivement chacune des cellules de la batterie sont sensiblement superposées sur des courbes 3, 2. Ces huit courbes se décalent légèrement sur les zones 5 identifiées précédemment, du fait du phénomène explicité ci-dessus. La courbe 8 représente la différence en fonction du temps entre la tension maximale et la tension minimale des valeurs de tension aux bornes des différentes cellules de la batterie. On s'aperçoit que cette courbe 8 présente un pic 9 au niveau des zones 5 particulières identifiées, ce qui confirme le phénomène susmentionné. Le mode de réalisation de l'invention repose ainsi sur l'identification d'une zone 5 particulière, en charge ou en décharge de la batterie, par la simple détection d'un pic 9 lors de la comparaison des mesures de tension pour les différentes cellules, ou plus généralement d'une augmentation de la dispersion des valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie.
En remarque, la figure 5 illustre deux cycles de charge et décharge de la batterie. On note sur cette figure que les pics 9 sont moins marqués et donc moins identifiables que précédemment. Ainsi, cela illustre le fait que le mode de réalisation de l'invention choisit de préférence un régime de charge ou décharge assez faible, C/100 représentant un bon compromis. En effet, l'écart maximal (pic 9) peut atteindre 20 mV lors d'un cyclage à un régime de C/100. Il diminue pour des courants plus forts et devient plus difficile à détecter.
Les constatations précédentes sont vraies pour des architectures de batteries plus ou moins complexes, comprenant par exemple une multitude de batteries élémentaires associées en série et/ou parallèle, formant un pack batterie. Ainsi, pour une batterie donnée, l'observation d'au moins un écart particulier, un maximum local de l'écart entre les tensions aux bornes des différentes cellules de la batterie permet d'indiquer avec une précision satisfaisante une valeur de l'état de charge de la batterie, que nous considérons comme une valeur réelle de cet état de charge. Sur la base de cette constatation, le principe mis en œuvre dans une phase de recalage d'un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie consiste en une analyse et comparaison des mesures de tension aux bornes des différentes cellules de la batterie lors de sa charge ou décharge, et en une détermination d'au moins un maximum de l'écart entre ces valeurs, qui permet de détecter l'état physique particulier de la batterie et d'en déduire avec précision une valeur réelle de l'état de charge de la batterie, qui sert au recalage du modèle d'estimation de l'état de charge de la batterie, utilisé hors des phases de recalage.
La notion de valeur réelle de l'état de charge est définie par opposition à une valeur estimée de l'état de charge qui correspond à une valeur calculée au moyen d'un algorithme de calcul de l'état de charge. Les algorithmes de calcul, ou d'estimation, utilisent des valeurs de grandeurs physiques, par exemple la tension aux bornes de la batterie, pour calculer une valeur estimée de l'état de charge. Au contraire, une valeur réelle particulière de l'état de charge est obtenue par détection d'un phénomène physique caractéristique permettant d'affirmer que la valeur instantanée de l'état de charge est égale à une valeur connue, prédéterminée, au moment de la détection dudit phénomène physique caractéristique. Par exemple, pour les zones 5 identifiées sur les figures 2 et 3, la détection de ces zones permet d'en déduire que les cellules de la batterie, et donc la batterie elle-même, se trouvent dans un état de charge réel de 60% ou 63%, comme explicité précédemment.
La figure 6 illustre les étapes d'une phase de recalage d'un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention. Dans une première étape E1 , le procédé vérifie si les conditions sont réunies pour une mise en œuvre efficace du recalage du procédé d'évaluation de l'état de charge SOC. Selon le mode de réalisation, les deux conditions suivantes sont vérifiées dans cette première étape E1 :
- le courant I de charge ou de décharge appliqué est préféré sous un seuil maximal IJimite, comme explicité précédemment, par exemple inférieur ou égal à C/5 ;
- l'état de charge de la batterie, tel qu'estimé par la jauge d'état de charge, même imparfaite avant son recalage, ou par tout autre moyen, comme à partir d'une mesure de tension à vide du système électrochimique de la batterie qui peut aussi être représentative de l'état de charge de la batterie, doit se trouver dans une fourchette acceptable pour la mise en œuvre d'une phase de recalage. Il faut en effet se trouver dans une position qui va permettre d'atteindre un des points 5 remarquables explicités précédemment. Dans l'exemple considéré, une fourchette large est avantageusement définie par 10% < SOC < 90%, pour garantir que la batterie se trouve dans une situation intermédiaire et non vers les positions extrêmes totalement chargée ou déchargée. En variante, cette fourchette peut être choisie entre 40 et 70 % dans l'optique de détecter la zone 5 précédemment identifiée qui correspond à un SOC voisin de 60%.
Si les conditions précédentes choisies ne sont pas vérifiées lors de cette étape E1 , la phase de recalage n'est pas engagée, et cette étape est remise en œuvre périodiquement jusqu'à atteindre les conditions recherchées.
En remarque, la phase de recalage est réalisée dans une phase de charge ou de décharge de la batterie, dans des conditions de courant prédéfinies, de préférence à courant constant et faible. D'autre part, les conditions de charge sont aussi de préférence choisies pour maintenir la température de la batterie sensiblement constante, en évitant par exemple les forts régimes. Les conditions nominales de charge, données par le constructeur, représentent à titre d'exemple une solution, ou un régime à faible courant, par exemple de C/100 comme mentionné précédemment, forme une solution avantageuse.
Si la phase de recalage est engagée, le procédé met alors en œuvre les itérations suivantes, selon une période choisie :
Dans une étape E3 de mesures, les valeurs de tension aux bornes des différentes cellules de la batterie sont mesurées, à un instant donné. De préférence, les mesures sont réalisées simultanément ou quasi- simultanément pour les différentes cellules. En variante, elles peuvent être légèrement décalées dans le temps. Selon le mode de réalisation, les valeurs de tension de toutes les cellules sont mesurées. En variante, la tension d'une partie seulement de ces cellules pourrait être mesurée, leur pluralité pouvant suffire à détecter une dispersion des mesures.
Ensuite, le procédé met en œuvre une étape E4 d'analyse des valeurs de tension mesurées à l'étape précédente, dans le but de détecter une augmentation de l'écart entre ces valeurs, comme explicité précédemment. Ainsi, cette étape d'analyse peut mettre en œuvre les calculs suivants :
- La différence entre la valeur maximale et la valeur minimale des tensions mesurées ;
- La prise en compte des deux plus grandes valeurs, ou des n plus grandes valeurs, comparées aux deux plus petites, ou aux n plus petites, par exemple en considérant la moyenne des deux ou n valeurs de tension considérées ;
- Tout calcul statistique de type écart-type permettant de détecter une dispersion des valeurs mesurées, une augmentation de l'écart entre les valeurs de tension mesurées. Plus généralement, cette étape E4 d'analyse met en œuvre le calcul d'au moins une grandeur Diff représentative de l'écart entre les mesures de tension de différentes cellules de la batterie. Naturellement, ces calculs différents peuvent être combinés et/ou cumulés, pour améliorer la fiabilité de l'analyse.
En remarque, l'étape E4 d'analyse peut mettre en œuvre une étape optionnelle, non représentée, de détection des valeurs de tension anormales, qui sont par exemple dues à une erreur de mesure ou à une défaillance de la cellule associée, pour les mettre de côté et ne pas les prendre en compte dans l'étape E4 d'analyse.
Ensuite, le procédé met en œuvre une étape E5 de comparaison qui consiste en une comparaison de la au moins une grandeur Diff avec un seuil choisi seuiM de sorte à identifier un pic 9 tel que défini précédemment. Si la grandeur Diff est sous le seuil, le pic n'est pas atteint et les étapes E1 à E5, voire E3 à E5, sont répétées. Cette répétition se fait selon une période choisie, par exemple de une seconde, adaptée pour détecter le pic recherché, c'est-à-dire notamment selon un pas de temps inférieur à la largeur temporelle du pic à détecter. Le seuil est naturellement fixé à partir de la connaissance du pic recherché. Il peut dépendre du courant aux bornes de la batterie, voire de la température. Plus généralement, cette étape E5 de comparaison permet de détecter la forte augmentation de l'écart entre les valeurs de tension aux bornes de différentes cellules de la batterie, significative d'un état physique particulier de la batterie.
Dans le cas contraire où le pic est considéré atteint, le procédé met en œuvre une étape E10 de recalage en tant que telle de l'état de charge de la batterie à la valeur réelle d'état de charge correspondant au pic identifié. En remarque, cette valeur réelle est mémorisée dans une mémoire électronique associée au dispositif de gestion de la batterie. En remarque, le recalage se fait de manière similaire à l'état de la technique, l'invention ne porte pas spécifiquement sur cette dernière étape.
Selon une variante de réalisation, l'étape E5 de comparaison est réalisée à partir de grandeurs Diff obtenues sur plusieurs itérations successives, notamment si la période de mesures est faible, pour garantir avec une plus grande certitude l'atteinte d'un pic 9.
D'autre part, le procédé peut optionnellement mettre en œuvre une étape d'équilibrage de tout ou partie des cellules de la batterie, non représentée. En effet, la grandeur Diff ou plus généralement l'écart entre les valeurs de tension aux bornes des cellules représente aussi le déséquilibre entre les cellules de la batterie. Ce phénomène de déséquilibre est avantageusement exploité par le mode de réalisation de l'invention pour le recalage de l'état de charge de la batterie mais n'est pas souhaitable pour une performance optimale de la batterie dans sa fonction d'alimentation d'une charge. Ainsi, si la grandeur Diff est supérieure à un certain seuil, qui peut être égal ou distinct du seuil seuiM mentionné ci-dessus, une étape d'équilibrage est mise en œuvre, permettant d'atteindre un état de charge sensiblement identique de toutes les cellules de la batterie. Cet équilibrage peut comprendre la décharge des sous-ensembles les plus chargés. A titre indicatif, et non limitatif, le seuil acceptable de dispersion peut être fixé égal à un ou à quelques pourcents de la valeur moyenne des niveaux d'états de charge des cellules. En remarque, la mise en œuvre des étapes E3 à E5 peut ensuite permettre de valider le bon équilibrage de la batterie. Naturellement, même en cas d'équilibrage, un déséquilibre naturel se produira ultérieurement, qui permettra de nouveau la mise en œuvre du recalage de la batterie par le procédé décrit précédemment. On note que les étapes E3 à E5 explicitées ci-dessus correspondent en fait à un procédé de détection d'une valeur réelle d'un état de charge d'une batterie, sur lequel porte aussi l'invention.
En remarque, le procédé d'évaluation d'état de charge selon le mode de réalisation de l'invention comprend une étape préalable de calibration E0, qui permet de déterminer les zones 5 particulières de la courbe d'évolution de la tension d'une cellule de la batterie, ainsi que les valeurs réelles associées d'état de charge. Ces données sont alors mémorisées sur une mémoire électronique accessible par le dispositif d'évaluation de l'état de charge de la batterie.
Le procédé décrit ci-dessus atteint les objets recherchés et présente l'avantage de ne pas nécessiter de charge ou de décharge totale de la batterie, ni de phase de repos, pour la phase de recalage de son procédé d'évaluation de son état de charge. De plus, il peut fonctionner sur une courte durée de charge ou de décharge de la batterie, puisqu'il est possible d'engager la phase de recalage dans un état initial de la batterie proche du point particulier à détecter, qui met fin à la phase de recalage. Ainsi, la phase de recalage devient beaucoup moins contraignante. Ce procédé est aussi avantageusement mis en œuvre pendant l'utilisation simultanée normale de la batterie, soit pendant une phase de charge, soit en décharge pendant une phase d'alimentation d'une charge connectée à la batterie.
L'invention porte aussi sur un dispositif d'évaluation d'état de charge d'une batterie, qui comprend des moyens matériels (hardware) et/ou logiciels (software), une unité de gestion dont au moins un calculateur, pour mettre en œuvre le procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie décrit précédemment, et la mise en œuvre des phases de recalage détaillées ci- dessus. Ce dispositif pilote notamment les étapes de calcul, de mesure et/ou d'estimations de grandeurs physiques, comme la température, le courant, la tension, ... Ce dispositif de la batterie est intégré ou non au sein de la structure de la batterie. Avantageusement, le dispositif est relié à au moins un capteur de mesure de la tension de chaque cellule, voire d'une partie seulement des cellules de la batterie, ces capteurs étant liés par un dispositif de communication avec le calculateur du dispositif, de même qu'aussi éventuellement un capteur du courant transmis ou provenant de la batterie, et/ou un capteur de mesure de la température de la batterie. Ce dispositif comprend de plus une mémoire électronique pour mémoriser tout ou partie des valeurs mesurées et/ou calculées dans les différentes étapes du procédé, ainsi que les données numériques de calibration. En remarque, le dispositif comprend donc un support informatique lisible par une unité de gestion, qui comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en œuvre et pilotage du procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie tel que décrit précédemment.
D'autre part, la gestion des batteries de l'état de la technique fait souvent appel à un indicateur complémentaire représentatif du vieillissement d'une batterie, souvent appelé par sa dénomination anglo-saxonne de « State Of Health » pour état de santé, ou plus simplement SOH. De manière similaire au phénomène explicité en référence avec l'estimation de l'état de charge, une estimation du SOH nécessite des phases de recalage pour pallier à la dérive des méthodes d'estimation. Un tel recalage repose en général sur une phase de décharge complète de la batterie suivie d'une charge complète, pour obtenir le total de la charge (en ampères-heures) Ah(tr) transmise à la batterie à l'instant tr de recalage pour qu'elle atteigne son état totalement chargé et équilibré. Cette mesure permet alors de calculer l'état de santé SOH(tr) de la batterie à l'instant tr par le calcul suivant : SOH(tr) = Ah(tr) / Ah(ti) où Ah(ti) est le total de la charge (en ampères-heures) reçue par la même batterie dans son état neuf dans les mêmes conditions de charge.
Dans le cas où la phase de recalage est mise en œuvre à partir d'un état totalement déchargé de la batterie, il est ainsi possible de mettre en œuvre de manière très similaire une phase de recalage d'un procédé d'estimation de l'état de santé SOH de la batterie. L'état de santé d'une batterie se définit à partir de la capacité de référence de la batterie, appelée Cref. Cette capacité de référence représente la quantité de charge maximale que la batterie, initialement chargée, peut restituer au cours d'une décharge. Elle se définit ainsi en considérant une charge et une décharge effectuées dans des conditions nominales (régimes ou profil de courant, température, critères de fin de charge et de décharge). Cette capacité de référence diminue avec le temps, puisqu'avec son vieillissement, la batterie devient moins performante. Ainsi, si on appelle Cref(tO) la capacité de référence de la batterie à l'instant initial puis Cref(t) sa capacité de référence à un instant t, l'état de santé SOH(t) de la batterie à l'instant t se définit de la manière suivante :
SOH(t) = Cref(t) / Cref(tO).
La phase de recalage de l'état de santé de la batterie comprend une étape de mesure de la charge Ah(tr) transmise à la batterie entre son état déchargé et son état intermédiaire correspondant à un point 5 particulier pour lequel son état de charge est connu, à l'instant de recalage. Cette même mesure est réalisée à l'état neuf de la batterie, par exemple lors de l'étape de calibration, qui permet ainsi de mesurer et de mémoriser la charge Ah(ti) transmise à la batterie jusqu'au même point particulier à l'état neuf de la batterie.
A partir de ces calculs, le procédé en déduit une valeur réelle de l'état de santé de la batterie à l'instant tr, par la formule suivante :
SOH(tr) = Ah(t) / Ah(ti)
Cette valeur réelle est ensuite utilisée pour une étape de recalage de l'algorithme de calcul de l'état de santé. Cette phase de recalage de l'algorithme d'estimation de l'état de santé peut être combinée à celle du procédé d'estimation de l'état de charge, voire être distincte et indépendante.
Selon une variante de réalisation non représentée, le procédé d'évaluation peut aussi mettre en œuvre une mesure de la température de la batterie, pour adapter la valeur de recalage à cette température. Le procédé peut aussi comprendre une étape de mesure de température de la batterie, et une étape de refroidissement ou de réchauffement de la batterie si la température de la batterie ne se trouve pas dans une plage de plus ou moins 20% autour d'une valeur de température de référence.
L'invention porte aussi sur un système comprenant une batterie composée de l'association de plusieurs cellules. Elle est notamment particulièrement utilisable pour les systèmes où le courant de charge/décharge est faible, et aussi intéressante pour les applications où la batterie atteint rarement les états de charge de 0 ou 100%. C'est notamment le cas des systèmes photovoltaïques autonomes. Un tel système comprend donc une batterie, dont le pilotage est basé sur l'évaluation de son état de charge mis en œuvre par le procédé décrit précédemment.

Claims

Revendications
1 . Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules comprenant au moins une phase d'estimation de l'état de charge de la batterie par un algorithme d'estimation de l'état de charge et au moins une phase de recalage de l'algorithme d'estimation mis en œuvre durant la phase d'estimation, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la mise en œuvre des étapes suivantes :
- détection d'une valeur réelle d'un état de charge de la batterie à un instant donné par la mise en œuvre des étapes suivantes :
- mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné ;
- analyse (E4) des valeurs de tension mesurées à l'étape précédente, dans le but de calculer au moins une grandeur représentative de l'écart entre ces valeurs ;
- comparaison (E5) de la au moins une grandeur calculée à l'étape précédente avec un seuil choisi de sorte à identifier un état particulier de la batterie correspondant à une valeur réelle d'état de charge connue et prédéfinie de la batterie,
- recalage (E10) de l'algorithme d'estimation de l'état de charge de la batterie à partir de ladite valeur réelle d'état de charge audit instant donné.
2. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la répétition des étapes de mesure (E3), d'analyse (E4), et de comparaison (E5) tant que la comparaison ne permet pas de détecter un état particulier de la batterie, selon une période prédéfinie.
3. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend la mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné pendant une phase de décharge de la batterie durant laquelle elle alimente simultanément une charge selon un fonctionnement normal de la batterie.
4. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné comprend la mesure de la tension aux bornes de toutes les cellules de la batterie ou d'une partie seulement des cellules de la batterie, notamment une pluralité de cellules connectées en série.
5. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'analyse (E4) des valeurs de tension mesurées comprend tout ou partie des calculs suivants :
- la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale des tensions mesurées ;
- la prise en compte des deux plus grandes valeurs, ou des n plus grandes valeurs, comparées aux deux plus petites, ou aux n plus petites valeurs de tension mesurées ;
- un calcul statistique de type écart-type permettant de détecter une augmentation de la dispersion des valeurs de tension mesurées ;
- une mise à l'écart des valeurs de tension anormales pour ne pas les utiliser dans le calcul.
6. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E1 ) de détection si l'état de la batterie permet le lancement ou non d'une phase de recalage, comprenant notamment la vérification d'au moins l'une des deux conditions suivantes :
- la vérification que le courant aux bornes de la batterie se trouve sous un seuil maximum ;
- la vérification que l'état de charge de la batterie se trouve dans une plage intermédiaire, notamment entre 10% et 90%, voire entre 40 et 70%.
7. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'équilibrage des cellules de la batterie si l'écart entre les valeurs de tension mesurées se trouve au-delà d'un seuil.
8. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la batterie comprend plusieurs cellules lithium-ion à électrode négative de graphite et en ce que la valeur réelle d'état de charge connue et prédéfinie de la batterie est autour de 60%.
9. Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de calibration (E0), consistant en une étape de tracé d'au moins une partie de la courbe (2, 3) d'évolution de la tension aux bornes d'une cellule de la batterie en phase de charge et/ou de décharge, et la détection d'au moins un point particulier de cette courbe, comme un palier (4) ou une zone (5) de forte pente.
10. Dispositif d'évaluation de l'état de charge d'une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules, comprenant un calculateur et une mémoire électronique, caractérisé en ce que le dispositif comprend un dispositif de communication avec des capteurs de tension pour recevoir des données numériques de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie, et en ce que le calculateur met en œuvre le procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie selon l'une des revendications précédentes.
1 1 . Support informatique lisible par une unité de gestion, caractérisé en ce qu'il comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en œuvre et pilotage du procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie selon l'une des revendications 1 à 9.
12. Système comprenant une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules et une unité de gestion comprenant un calculateur, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs capteurs de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie et un dispositif de communication entre ces capteurs et le calculateur de l'unité de gestion, cette unité de gestion mettant en œuvre le procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie selon l'une des revendications 1 à 9.
13. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'unité de gestion pilote l'utilisation de la batterie en fonction de son état de charge évalué par le procédé d'évaluation de l'état de charge de la batterie selon l'une des revendications 1 à 9.
PCT/EP2016/081020 2015-12-23 2016-12-14 Procede d'evaluation de l'etat de charge d'une batterie WO2017108536A1 (fr)

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