EP2076953A2 - Procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable - Google Patents

Procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable

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Publication number
EP2076953A2
EP2076953A2 EP07858404A EP07858404A EP2076953A2 EP 2076953 A2 EP2076953 A2 EP 2076953A2 EP 07858404 A EP07858404 A EP 07858404A EP 07858404 A EP07858404 A EP 07858404A EP 2076953 A2 EP2076953 A2 EP 2076953A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
discharge
battery
transition frequency
criterion
sub
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07858404A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Arnaud Delaille
Marion Perrin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2076953A2 publication Critical patent/EP2076953A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/005—Detection of state of health [SOH]
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]

Definitions

  • the invention relates to a method for managing the end of discharge of a rechargeable battery.
  • Electrochemical accumulators are used in many mobile applications, such as portable electronic, thermal, electric or hybrid vehicles, etc., or many stationary applications, such as telecommunication relay, electricity production from intermittent sources of energy, such as wind power or photovoltaics, etc., ensuring in each case an element that is as important as it is fragile.
  • the voltage decreases in a conventional way to reach the value of 10, 8V, corresponding to the LVD low voltage threshold described above, the value at which the discharge must be stopped.
  • these voltage thresholds take into account the battery technology or the sizing of the system, they are nevertheless maintained constant throughout the battery operation. Or 1 the voltage of a battery depends on both of its technology, but also of its operating conditions, namely the charging current or discharging current, the relaxation period, temperature, and to finish his health , or state of wear. In the case of a battery which may include a series of elements, inhomogeneity between the elements may itself have an impact on the voltage measured across the complete battery. In other words, there is no direct relationship, or at least an approximate relationship, between the voltage of a battery and its state of charge.
  • a conventional control structure of a battery 1 is shown diagrammatically in FIG. 2.
  • a battery 1 supplies a load 2, via, for example, a power source 3.
  • the charging cycles and discharging the battery 1 are managed by a regulator 4, connected to the terminals of the battery 1 and measuring, for example, the voltage across the battery 1.
  • the controller 4 controls, according to S1, the charge of the battery 1 by via a first switch 5, in particular for disconnecting the battery after discharge, and control, according to S2, the energy source 3 via a second switch 6.
  • the voltage thresholds used to stop the discharge are very largely overvalued within such a regulator described above, so as to ensure never to fall below the threshold of state of charge really critical e.
  • the low voltage threshold of these batteries is generally close to 1.9V7 element (or 11.4V for a battery of 6 elements), whatever the conditions of wear or operation of the batteries.
  • lead-acid batteries could most often be used up to a threshold close to 1.8V / element (or 10.8V for a battery of 6 elements), without any harmful consequences for their use. This results in a lack of storage energy, which can reach up to 10% of the battery capacity. Management of the end of discharge of such rechargeable batteries is not optimal.
  • the object of the invention is to provide a method for managing the end of discharge of a rechargeable battery, which is efficient, simple to perform, from the exploitation of data specific to complex impedance measurements. , which allows a diagnosis of the state of the batteries, while taking into account the impact of the past and current conditions of use and the state of health of the batteries, and which makes it possible to avoid any inadvertent reconnections of the batteries fully discharged.
  • the method according to the invention is characterized in that it comprises the determination of the transition frequency of the battery and the determination of a criterion of end of discharge of the battery according to said transition frequency.
  • the transition frequency is determined periodically during use of the battery, the discharge being interrupted by regulating means as a function of said transition frequency.
  • said end of discharge criterion is determined from measurements of the transition frequency carried out during a calibration phase.
  • said end of discharge criterion is readjusted from measurements of the transition frequency made during a maintenance phase.
  • said end of discharge criterion is representative of a sudden change of slope of the transition frequency during discharge, a predetermined maximum value of the transition frequency or a maximum value. predetermined slope of the transition frequency.
  • FIG. 1 is a graph showing the discharged quantity of a battery as a function of the voltage, respectively at three different current regimes (0.5A, 5A and 10A), according to the prior art.
  • Figure 2 schematically shows a conventional control structure of a rechargeable battery according to the prior art.
  • FIG. 3 represents, in flowchart form, a particular embodiment of a method for managing the end of discharge of a rechargeable battery according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates the identification of the transition frequency F HF in a Nyquist diagram, according to the prior art.
  • FIG. 5 is a graph showing the state of charge SOC of a battery as a function of the transition frequency F HF , respectively at the three different current regimes according to FIG.
  • FIG. 6 is a graph illustrating the slope of the transition frequency as a function of the voltage, respectively at two different current regimes (0.5A and 5A), according to the invention.
  • the method of managing the end of discharge of a rechargeable battery according to the invention can be achieved by a conventional control structure, as shown in FIG. 2, with a regulator making it possible to manage the load and discharging the battery, for example, by controlling switches.
  • the method of managing the end of discharge of a rechargeable battery consists in a first step F1 in determining the transition frequency F HF of the battery.
  • the determination of the transition frequency F HF can be performed by dichotomy.
  • a frequency of transition F HF in a frequency range of 3300HZ to 100Hz and considering the imaginary part of the impedance measured at the frequency f, denoted lm (Z ( f)), and considering s the sign of this magnitude, we can then write: if s ⁇ 0, then F HF > f and if s ⁇ 0, then F HF ⁇ f.
  • an estimation of the time of determination of the transition frequency F HF by this method can be obtained by considering the realization of these seven successive measurements, all carried out at frequencies higher than 100 Hz. Considering that the measurements are moreover performed over five periods for each frequency studied, the realization of thirty-five measurements is then sufficient and much less than half a second, namely 0.35s if all the measurements are made at 100 Hz. This method by dichotomy therefore allows to monitor the frequency of transition F HF every second, or over a longer time step.
  • the transition frequency F HF In the field of impedance measurements, it was already known to determine the transition frequency F HF . As shown in FIG. 4, illustrating the identification of the transition frequency F HF in a diagram of FIG. Nyquist, the transition frequency F HF conventionally corresponds to the frequency at which the complex impedance of the battery changes from an inductive behavior to a resistive behavior, that is to say the frequency with which the imaginary part of the complex impedance vanishes. . It is an impedance parameter measured in the high frequencies, continuously during the operation of the battery, whether at rest or in operation, in a completely non-intrusive manner.
  • the method according to the invention proposes, for its part, to use this transition frequency F HF1 in order to manage the end of discharge of a rechargeable battery, the transition frequency F HF being connected to the state of the active substance and being usable to stop the discharge depending on the actual state of the active ingredient.
  • the management method includes determining, in a second step F2, the slope of the transition frequency F HF .
  • the slope is determined by the derivative of the transition frequency dF HF / dt.
  • the derivative of the transition frequency dF HF / dt can in particular be determined from the graph of FIG. 5. Indeed, this illustrates the transition frequency F HF as a function of the state of charge SOC, when a constant current I discharge. However, the state of charge SOC is proportional to the current I multiplied by the time t. In FIG. 5, the current I being constant, the state of charge SOC is proportional to the time t. Thus, the derivative of each of the three curves shown in FIG. 5 thus corresponds, with a constant close which is the current I of discharge, to the slope of the transition frequency dF HF / dt.
  • the management method consists of comparing the previously calculated slope with a maximum predetermined value Pmax, representative of the end of discharge criterion of the battery from which the battery must be disconnected. If the computed value of the slope is smaller than the maximum predetermined value Pmax, then the management method loops back before step F1 for determining the transition frequency F HF . If the calculated value of the slope is greater than the predetermined maximum value Pmax, the management method then proceeds to the next step F4, namely the interruption of the discharge of the battery, by R2007 / 001635
  • the predetermined maximum value Pmax thus defines the end of discharge criterion, which is a function of the transition frequency, from which the battery must be disconnected.
  • a stop of the discharge on a threshold of 11.5V to 5A (dashed lines in FIG. 6), which corresponds to a slope dF HF / dt of the transition frequency F HF of the order of 0.015, driven to maintain the same slope value dF HF / dt of the transition frequency F HF to stop the discharge at a threshold of the order of 11.25V to 0.5A.
  • the transition frequency is determined (F1), for example, periodically during use of the battery in operation, the discharge then being interrupted (F4) by the regulator (FIG. function of the calculated transition frequency (F1).
  • the end of discharge criterion applied to the management method can be determined from measurements of the transition frequency F HF made during a calibration phase of the battery.
  • the end of discharge criterion corresponding to the calibration is then entered into the regulator (FIG. 2).
  • the process consists then, as before, to determine the transition frequency F HF (F1) and, for example, the slope (F2), the battery being disconnected (F4) when the end of discharge criterion calculated during the calibration is reached (F3) during battery operation.
  • the criterion of end of discharge can also be adjusted from the transition frequency F HF measurements carried out during a maintenance phase of the battery. As before, the calculation of the transition frequency F HF and the corresponding end of discharge criterion is then done during this maintenance phase and the battery is disconnected when the end of charge criterion is reached during the operation of the battery.
  • the end of discharge criterion calculated as a function of the transition frequency F HF and allowing the disconnection of the battery is preferably constituted by the voltage at the terminals of the battery measured by the regulator (FIG. 2), thus defining a fixed voltage stop instruction (FIG. 6).
  • the criterion of the end of discharge of the battery can be representative of a sudden change of slope of the transition frequency F HF being discharged.
  • the abrupt change of slope is defined by the second derivative of the transition frequency dF HF 2 / dt 2 and the management method then consists in using this calculated value of the second derivative as a value representative of the end of discharge criterion, the battery being disconnected via the regulator ( Figure 2) when this criterion is reached.
  • the criterion of end of discharge of the battery may be representative of a predetermined maximum value of the transition frequency F HF .
  • the management method then consists in determining the transition frequency F HF and comparing the value obtained with the predetermined maximum value. If this calculated value is lower than the predetermined maximum value, then the process loops back before the determination step F1 of the transition frequency F HF and a new transition frequency F HF is measured. If the calculated value is greater than the predetermined maximum value, then the end of discharge criterion has been reached and the controller interrupts the discharge by disconnecting the battery.
  • such a management method is very efficient and simple to perform, while allowing a diagnosis of the state of discharge of the batteries and taking into account the impact of the conditions of past and current use and health status of the batteries.
  • Such a method also makes it possible to avoid any inadvertent reconnection of fully discharged batteries.
  • the management of the discharge of a battery is optimal and the operation of the rechargeable battery, as well as its life, are optimized.
  • the invention is particularly applicable, thanks to the use of such end of discharge criterion according to the various embodiments of the management method described above, the determination and development of a new series of products. , the easy and inexpensive determination of end-of-discharge thresholds and its indication to users for all discharge regimes.
  • the invention also applies to the direct use in a regulator of such a new end of discharge criterion, for the adjustment of the end of discharge of the battery, so that the end of discharge takes consider the state of the battery in terms of aging or past use.
  • the invention is still applicable to the use, in a system comprising a battery and its regulator, of the new end of discharge criterion, so as to recalibrate the thresholds of said regulator during maintenance operations.
  • the invention is not limited to the various embodiments described above.
  • the term battery used in the description above includes including both rechargeable batteries and rechargeable electrochemical accumulators.
  • the management method described above applies in particular to any type of rechargeable batteries.

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Abstract

Le procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable selon l'invention comporte la détermination (F1 ) de la fréquence de transition (F<SUB>HF</SUB>) de la batterie et la détermination (F2, F3) d'un critère de fin de décharge de la batterie fonction de ladite fréquence de transition (F<SUB>HF</SUB>). Ledit critère de fin de décharge est représentatif, par exemple, d'une valeur maximale prédéterminée (Pmax) de Ia pente de la fréquence de transition (F<SUB>HF</SUB>). La fréquence de transition (F<SUB>HF</SUB>) peut être déterminée (F1 ) périodiquement pendant l'utilisation de la batterie, la décharge étant interrompue (F4) par des moyens de régulation en fonction de ladite fréquence de transition (F<SUB>HF</SUB>).

Description

Procédé de gestion de Ia fin de décharge d'une batterie rechargeable
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable.
État de la technique
Les accumulateurs électrochimiques, ou batteries rechargeables, sont utilisés dans de nombreuses applications mobiles, du type électroniques portables, véhicules thermiques, électriques ou hybrides, etc., ou de nombreuses applications stationnaires, du type relais de télécommunication, production d'électricité à partir de sources d'énergie intermittentes, telles que l'éolien ou le photovoltaïque, etc ., assurant dans chacun des cas un élément aussi primordial que fragile.
Afin d'optimiser leur durée de vie au sein de ces différentes applications, il est généralement de rigueur de protéger les batteries rechargeables contre toute décharge profonde, la plupart du temps synonyme de dégradation prématurée, voir dans certains cas d'impossibilité de recharge. Aussi, dans toutes les applications dans lesquelles les batteries rechargeables sont susceptibles d'atteindre des états de décharge profonds, des seuils bas de tension LVD (« Low Voltage Disconnect » en anglais) sont utilisés pour stopper la décharge.
À titre d'exemple, comme représenté sur le graphique de la figure 1 , illustrant la tension en fonction de la quantité déchargée de la batterie, pour trois décharges réalisées à trois régimes de courant différents, à savoir 0,5A (courbe avec les triangles), 5A (courbe avec les carrés) et 1OA (courbe avec les ronds), la tension diminue de manière classique pour atteindre la valeur de 10,8V, correspondant au seuil bas de tension LVD décrit ci-dessus, valeur à laquelle la décharge doit être stoppée.
Une fois ce seuil de tension atteint, la batterie est donc déconnectée. Toutefois, il est à noter que la tension de la batterie ainsi déconnectée augmente alors aussitôt, en raison de l'annulation des surtensions imposées par le courant. Si aucune précaution n'est prise, la décharge peut donc être à nouveau autorisée avant d'être immédiatement interrompue, la reprise de la décharge signifiant une nouvelle atteinte du seuil bas de tension. Pour éviter ce type de micro-décharges à des faibles états de charge, tout aussi néfastes pour la batterie que pour l'électronique assurant la déconnexion et la reconnexion de la batterie, un nouveau seuil de tension de reconnexion LVR (« Low Voltage Reconnect » en anglais) est alors utilisé. Pour autant, la reprise de la décharge sur ce nouveau critère en tension ne permet pas d'assurer que la batterie ait été rechargée entre temps pour permettre une nouvelle décharge, de sorte que ce procédé ne fait en fin de compte qu'estomper l'effet néfaste des micro-décharges sans l'éviter totalement.
Par ailleurs, un ajustement optimal de ces seuils de tension est très délicat. Si ces seuils de tension tiennent compte en effet de la technologie de la batterie ou encore du dimensionnement du système, ils sont néanmoins maintenus constants durant toute la durée de fonctionnement de la batterie. Or1 la tension d'une batterie dépend à la fois de sa technologie, mais également de ses conditions de fonctionnement, à savoir le courant de charge ou de décharge, la période de relaxation, la température, et pour finir de son état de santé, ou état d'usure. Dans le cas d'une batterie pouvant comporter une mise en série d'éléments, une inhomogénéité entre les éléments peut elle-même avoir une incidence sur la tension mesurée aux bornes de la batterie complète. En d'autres termes, il n'existe pas de relation directe, ou du moins qu'une relation approximative, entre la tension d'une batterie et son état de charge. Les critères en tension utilisés à l'heure actuelle ne sont donc pas en mesure d'apprécier pleinement la profondeur de décharge des batteries rechargeables en intégrant l'ensemble des contributions décrites ci-dessus. Selon les conditions de fonctionnement ou de vieillissement, ces seuils de tension tendent donc à ne pas être idéaux, et peuvent même dans certains cas conduire à une dégradation prématurée de la batterie. En outre, les valeurs des seuils de coupure pour différents régimes de décharge sont déterminées lors du développement d'une nouvelle série de batteries par des mesures très empiriques, nombreuses, longues et donc coûteuses.
Une structure de commande classique dune batterie 1 est représentée schématiquement sur la figure 2. De manière classique, une batterie 1 alimente une charge 2, par l'intermédiaire, par exemple, d'une source d'énergie 3. Les cycles de charge et de décharge de la batterie 1 sont gérés par un régulateur 4, reliés aux bornes de la batterie 1 et mesurant, par exemple, la tension aux bornes de la batterie 1. Le régulateur 4 commande, selon S1 , la charge de la batterie 1 par l'intermédiaire d'un premier interrupteur 5, destiné notamment à déconnecter la batterie après décharge, et commande, selon S2, la source d'énergie 3 par l'intermédiaire d'un second interrupteur 6. Pour se prémunir contre de tels dommages décrits ci-dessus, les seuils de tension utilisés pour stopper la décharge sont très largement surévalués au sein d'un tel régulateur décrit ci-dessus, de manière à s'assurer de ne jamais descendre en dessous du seuil d'état de charge réellement critique. À titre d'exemple, dans le cas des batteries plomb-acide utilisées dans les systèmes photovoltaïques, le seuil bas en tension de ces batteries est généralement voisin de 1.9V7élément (soit 11.4V pour une batterie de 6 éléments), quelles que soient les conditions d'usure ou de fonctionnement des batteries. Or, les batteries plomb-acide pourraient la plupart du temps être utilisées jusqu'à un seuil proche de 1.8V/élément (soit 10.8V pour une batterie de 6 éléments), sans aucune conséquence néfaste pour leur utilisation. Il en résulte un manque d'énergie de stockage, pouvant atteindre près de 10 % de la capacité de la batterie. La gestion de la fin de décharge de telles batteries rechargeables n'est donc pas optimale.
Objet de l'invention
L'objet de l'invention consiste à réaliser un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable, qui soit efficace, simple à réaliser, à partir de l'exploitation d'une donnée spécifique aux mesures d'impédance complexe, et qui permette un diagnostic de l'état des batteries, tout en prenant en compte l'impact des conditions d'utilisation passées et en cours et l'état de santé des batteries, et qui permette d'éviter toutes reconnexions intempestives des batteries pleinement déchargées.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte la détermination de la fréquence de transition de la batterie et la détermination d'un critère de fin de décharge de la batterie fonction de ladite fréquence de transition.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la fréquence de transition est déterminée périodiquement pendant l'utilisation de la batterie, la décharge étant interrompue par des moyens de régulation en fonction de ladite fréquence de transition. 007/001635
Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit critère de fin de décharge est déterminé à partir de mesures de la fréquence de transition réalisées pendant une phase de calibration.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, ledit critère de fin de décharge est réajusté à partir de mesures de la fréquence de transition réalisées pendant une phase de maintenance.
Selon des développements de l'invention, ledit critère de fin de décharge est représentatif d'un brusque changement de pente de la fréquence de transition en cours de décharge, d'une valeur maximale prédéterminée de la fréquence de transition ou d'une valeur maximale prédéterminée de la pente de la fréquence de transition.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est un graphique représentant la quantité déchargée d'une batterie en fonction de la tension, respectivement à trois régimes de courant différents (0,5A, 5A et 10A), selon l'art antérieur.
La figure 2 représente schématiquement une structure classique de commande d'une batterie rechargeable selon l'art antérieur.
La figure 3 représente, sous forme d'organigramme, un mode particulier de réalisation d'un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable selon l'invention. La figure 4 illustre l'identification de la fréquence de transition FHF dans un diagramme de Nyquist, selon l'art antérieur.
La figure 5 est un graphique représentant l'état de charge SOC d'une batterie en fonction de la fréquence de transition FHF, respectivement aux trois régimes de courant différents selon la figure 1.
La figure 6 est un graphique illustrant la pente de la fréquence de transition en fonction de la tension, respectivement à deux régimes de courant différents (0,5A et 5A), selon l'invention.
Description d'un mode préférentiel de l'invention
En référence à la figure 3, le procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable selon l'invention peut être réalisé par une structure de commande classique, comme représenté sur la figure 2, avec un régulateur permettant de gérer la charge et la décharge de la batterie, par exemple, par commande sur des interrupteurs.
Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 3, le procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable consiste dans une première étape F1 à déterminer la fréquence de transition FHF de la batterie.
À titre d'exemple, la détermination de la fréquence de transition FHF peut être réalisée par dichotomie. En considérant, par exemple, une batterie plomb- acide, avec une fréquence de transition FHF dans une gamme de fréquences de 3300HZ à 100Hz, et en considérant la partie imaginaire de l'impédance mesurée à la fréquence f, notée lm(Z(f)), et en considérant s le signe de cette grandeur, nous pouvons alors écrire : si s < 0, alors FHF > f et si s ≥ 0, alors FHF ≤ f. Le principe de la dichotomie consiste alors à réaliser une première mesure, par exemple, à f1 = 1700 Hz, correspondant au point central de la gamme de fréquences mentionnée ci-dessus. Suivant le signe de lm(Z(f1)) et la relation ci-dessus, une nouvelle mesure sera ensuite réalisée, par exemple, à f2 = 2500 Hz, si s était inférieur à 0, ou à f2' = 900 Hz, si s était supérieur à 0. Suivant le signe de lm(Z(f2)), ou respectivement lm(Z(f2')), une nouvelle mesure sera ensuite réalisée, par exemple, à f3 = 2900 Hz, si s était inférieur à 0, ou à f3' = 2100 Hz, si s était supérieur à 0, ou respectivement à f3 = 1300 Hz, si s était inférieur à 0, ou à f3' = 500 Hz, si s était supérieur à 0, et ainsi de suite.
D'une façon générale, chaque nouvelle mesure peut finalement être définie par la relation : fn+1 = fn + x si s < 0 et fn+1 = fn - x si s > 0, avec x À partir de la gamme 3300 Hz - 100 Hz, sept mesures suffisent alors pour obtenir FHF à 25 Hz, ce qui traduit une précision tout à fait raisonnable et suffisante.
Par ailleurs, une estimation du temps de détermination de la fréquence de transition FHF par cette méthode peut être obtenue en considérant la réalisation de ces sept mesures successives, toutes réalisées à des fréquences supérieures à 100 Hz. En considérant que les mesures sont par ailleurs réalisées sur cinq périodes pour chaque fréquence étudiée, la réalisation de trente-cinq mesures est alors suffisante et largement inférieure à une demi-seconde, à savoir 0,35s si toutes les mesures sont faites à 100 Hz. Cette méthode par dichotomie permet donc d'assurer un suivi de la fréquence de transition FHF à chaque seconde, ou sur un pas de temps plus long.
Dans le domaine des mesures d'impédance, il était déjà connu de déterminer la fréquence de transition FHF. Comme représenté sur la figure 4, illustrant l'identification de la fréquence de transition FHF dans un diagramme de Nyquist, la fréquence de transition FHF correspond classiquement à la fréquence à laquelle l'impédance complexe de la batterie passe d'un comportement inductif à un comportement résistif, soit encore la fréquence à laquelle la partie imaginaire de l'impédance complexe s'annule. Il s'agit d'un paramètre d'impédance mesuré dans les hautes fréquences, de façon continue au cours du fonctionnement de la batterie, qu'elle soit au repos ou en fonctionnement, de façon totalement non-intrusive.
Cependant, tous les appareils actuels connus de mesure d'impédance n'exploitent pas cette valeur de la fréquence de transition FHF, mais exploitent les valeurs d'impédance mesurées à diverses fréquences pour le diagnostic d'état de santé des batteries. C'est le cas notamment du document US 2003/204328, qui décrit un appareil utilisant une méthode de détermination de l'état de santé d'une batterie par la mesure de valeurs d'impédance à diverses fréquences. Plusieurs publications récentes, notamment l'article « Monitoring state-of-charge of Ni-MH and Ni-Cd batteries using impédance spectroscopy » de A.Hammouche et al. (Journal of Power Sources, vol-127, 2004, pp.105-11) et l'article « Impédance measurements on lead-acid batteries for state-of-charge, state-of-health and cranking capability prognosis in electric and hybrid electric vehicles » de H. Blanke et al. (Journal of Power Sources, vol-144, 2005, pp.418-425), ainsi que le document WO 2005/031380, montrent également la possibilité de suivre l'état de charge des batteries nickel-cadmium, ou encore des batteries plomb-acide, à partir de cette fréquence de transition FHF. À titre d'exemple, comme représenté sur la figure 5, il est ainsi possible de déterminer la fréquence de transition FHF en fonction de l'état de charge SOC (« State On Charge » en anglais) de la batterie, pour les trois mêmes régimes de courant différents de la figure 1 , à savoir 0,5A, 5A et 1OA.
Toutefois, aucun document ou aucun appareil connu ne fait allusion à l'utilisation possible de la fréquence de transition FHF dans le cadre d'un FR2007/001635
système de régulation, ni dans la gestion de la fin de décharge des batteries à partir de ce critère. Le procédé selon l'invention se propose quant à lui d'utiliser cette fréquence de transition FHFl afin de gérer la fin de décharge d'une batterie rechargeable, la fréquence de transition FHF étant reliée à l'état de la matière active et étant utilisable pour stopper la décharge en fonction de l'état réel de la matière active.
Sur la figure 3, après l'étape F1 de détermination de la fréquence de transition FHF, le procédé de gestion comporte la détermination, dans une deuxième étape F2, de la pente de la fréquence de transition FHF. La pente est déterminée par la dérivée de la fréquence de transition dFHF/dt.
La dérivée de la fréquence de transition dFHF/dt peut notamment être déterminée à partir du graphique de la figure 5. En effet, celui-ci illustre la fréquence de transition FHF en fonction de l'état de charge SOC, lors d'une décharge à courant I constant. Or, l'état de charge SOC est proportionnel au courant I multiplié par le temps t. Sur la figure 5, le courant I étant constant, l'état de charge SOC est proportionnel au temps t. Ainsi, la dérivée de chacune des trois courbes représentées sur la figure 5 correspond donc, à une constante près qui est le courant I de décharge, à la pente de la fréquence de transition dFHF/dt.
Puis, dans une troisième étape F3, le procédé de gestion consiste à comparer la pente calculée au préalable avec une valeur prédéterminée maximale Pmax, représentative du critère de fin de décharge de la batterie à partir duquel il faut déconnecter la batterie. Si la valeur calculée de la pente est inférieure à la valeur prédéterminée maximale Pmax, le procédé de gestion se reboucle alors avant l'étape F1 de détermination de la fréquence de transition FHF. Si la valeur calculée de la pente est supérieure à la valeur maximale prédéterminée Pmax, le procédé de gestion passe alors à l'étape suivante F4, à savoir l'interruption de la décharge de la batterie, par R2007/001635
l'intermédiaire du régulateur (figure 2). La valeur maximale prédéterminée Pmax définit ainsi le critère de fin de décharge, qui est fonction de la fréquence de transition, à partir duquel la batterie doit être déconnectée.
À titre d'exemple, en considérant le graphique représenté sur la figure 6, qui illustre la valeur de la pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF en fonction de la tension U, à deux régimes de courant différents, à savoir 0,5A (courbe avec des ronds) et 5A (courbe avec des croix), il ressort que l'utilisation de la pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF peut s'avérer tout à fait probante dans le but de conserver la fiabilité de la consigne de fin de décharge durant le vieillissement de la batterie.
En effet, dans le cas des applications photovoltaïques, il est courant de stopper la décharge sur une consigne d'arrêt en tension fixe, de l'ordre de 11 ,5V, quelles que soient les conditions de la décharge. À titre d'exemple, un arrêt de la décharge sur un seuil de 11 ,5V à 5A (traits en pointillés sur la figure 6), qui correspond à une pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF de l'ordre de 0.015, conduit pour conserver la même valeur de pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF à stopper la décharge à un seuil de l'ordre de 11 ,25V à 0,5A.
Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la fréquence de transition est déterminée (F1), par exemple, périodiquement pendant l'utilisation de la batterie en fonctionnement, la décharge étant alors interrompue (F4) par le régulateur (figure 2) en fonction de la fréquence de transition calculée (F1).
Dans une autre variante de réalisation non représentée, le critère de fin de décharge appliqué au procédé de gestion peut être déterminé à partir de mesures de la fréquence de transition FHF réalisées pendant une phase de calibration de la batterie. Le critère de fin de décharge correspondant à la calibration est alors rentré dans le régulateur (figure 2). Le procédé consiste alors, comme précédemment, à déterminer la fréquence de transition FHF (F1) et, par exemple, la pente (F2), la batterie étant déconnectée (F4) quand le critère de fin de décharge calculé pendant la calibration est atteint (F3) pendant le fonctionnement de la batterie.
Dans une autre variante de réalisation non représentée, le critère de fin de décharge peut également être réajusté à partir de mesures de la fréquence de transition FHF réalisées pendant une phase de maintenance de la batterie. Comme précédemment, le calcul de la fréquence de transition FHF et du critère de fin de décharge correspondant se fait alors pendant cette phase de maintenance et la batterie est déconnectée quand le critère de fin de charge est atteint pendant le fonctionnement de la batterie.
Par ailleurs, que se soit pendant une phase de calibration ou pendant une phase de maintenance, le critère de fin de décharge calculé en fonction de la fréquence de transition FHF et permettant la déconnexion de la batterie est, de préférence, constitué par la tension aux bornes de la batterie mesurée par le régulateur (figure 2), définissant ainsi une consigne d'arrêt en tension fixe (figure 6).
Dans une autre variante de réalisation non représentée d'un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable, le critère de fin de décharge de la batterie peut être représentatif d'un brusque changement de pente de la fréquence de transition FHF en cours de décharge. Le brusque changement de pente est défini par la dérivée seconde de la fréquence de transition dFHF 2/dt2 et le procédé de gestion consiste alors à utiliser cette valeur calculée de la dérivée seconde, comme valeur représentative du critère de fin de décharge, la batterie étant déconnecté par l'intermédiaire du régulateur (figure 2) quand ce critère là est atteint. Dans une autre variante de réalisation, le critère de fin de décharge de la batterie peut être représentatif d'une valeur maximale prédéterminée de la fréquence de transition FHF. Comme précédemment, le procédé de gestion consiste alors à déterminer la fréquence de transition FHF et à comparer la valeur obtenue avec la valeur maximale prédéterminée. Si cette valeur calculée est inférieure à la valeur maximale prédéterminée, alors le procédé se reboucle avant l'étape de détermination F1 de la fréquence de transition FHF et une nouvelle fréquence de transition FHF est mesurée. Si la valeur calculée est supérieure à la valeur maximale prédéterminée, alors le critère de fin de décharge a été atteint et le régulateur interrompt la décharge en déconnectant la batterie.
Quel que soit le mode de réalisation décrit ci-dessus, un tel procédé de gestion est donc très efficace et simple à réaliser, tout en permettant un diagnostic de l'état de décharge des batteries et en prenant en compte l'impact des conditions d'utilisation passées et en cours et l'état de santé des batteries. Un tel procédé permet également d'éviter toutes reconnexions intempestives des batteries pleinement déchargées. La gestion de la décharge d'une batterie est donc optimale et le fonctionnement de la batterie rechargeable, ainsi que sa durée de vie, sont donc optimisés.
L'invention s'applique notamment, grâce à l'utilisation d'un tel critère de fin de décharge selon les différents modes de réalisation du procédé de gestion décrits ci-dessus, à la détermination et au développement d'une nouvelle série de produits, à la détermination aisée et peu coûteuse des seuils de fin de décharge et à son indication aux utilisateurs, et ce pour tous les régimes de décharge.
L'invention s'applique également à l'utilisation directe dans un régulateur d'un tel nouveau critère de fin de décharge, pour l'ajustement de la fin de décharge de la batterie, de façon à ce que la fin de décharge prenne en compte l'état de la batterie en matière de vieillissement ou d'utilisation passée.
L'invention s'applique encore à l'utilisation, dans un système comportant une batterie et son régulateur, du nouveau critère de fin de décharge, de manière à recalibrer les seuils dudit régulateur lors des opérations de maintenance.
L'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits ci- dessus. Le terme batterie utilisé dans la description ci-dessus englobe notamment aussi bien les batteries rechargeables que les accumulateurs électrochimiques rechargeables. Le procédé de gestion décrit ci-dessus s'applique notamment à tout type de batteries rechargeables.
D'une manière générale, tous les types de charge ou de décharge peuvent être utilisés, en tenant compte du type de batterie et/ou du type d'application dans laquelle cette batterie est utilisée.

Claims

4 R2007/001635Revendications
1. Procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable, caractérisé en ce qu'il comporte la détermination (F1) de la fréquence de transition (FHF) de la batterie et la détermination d'un critère de fin de décharge (F2, F3) de la batterie fonction de ladite fréquence de transition (FHF).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la fréquence de transition (FHF) est déterminée périodiquement pendant l'utilisation de la batterie, la décharge étant interrompue (F4) par des moyens de régulation en fonction de ladite fréquence de transition (FHF).
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est déterminé à partir de mesures (F1) de la fréquence de transition (FHF) réalisées pendant une phase de calibration.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est réajusté à partir de mesures (F1 ) de la fréquence de transition (FHF) réalisées pendant une phase de maintenance.
5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est constitué par la tension aux bornes de la batterie.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est représentatif d'un brusque changement de pente de la fréquence de transition (FHF) en cours de décharge.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est représentatif d'une valeur maximale prédéterminée de la fréquence de transition (FHF).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est représentatif d'une valeur maximale prédéterminée (Pmax) de la pente de la fréquence de transition (FHF).
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