EP2756542A1

EP2756542A1 - Methode pour estimer la temperature au coeur d'une cellule de batterie

Info

Publication number: EP2756542A1
Application number: EP12773029.9A
Authority: EP
Inventors: Maxime DEBERT; Ahmed Ketfi-Cherif; Guillaume COLIN; Yann Chamaillard
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-07-23
Also published as: US9306249B2; KR20140062515A; CN103891039B; US20140377605A1; FR2980307B1; JP2014531711A; CN103891039A; JP6127052B2; FR2980307A1; WO2013038109A1; KR101961273B1

Abstract

L'invention concerne une méthode d'estimation de la température au coeur d'un module (10) d'une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride dans lequel est conditionnée une pluralité d'éléments (11) d'accumulation de charge électrique, caractérisée en ce qu'on mesure la température (y) au niveau d'une paroi extérieure (13) du module (10) de batterie et en ce qu'on calcule une estimation de la température; Formula (I) au coeur du module (10) de batterie à partir de la mesure de la température (y).

Description

METHODE POUR ESTIMER LA TEMPERATURE AU CŒUR D'UNE

CELLULE DE BATTERIE

La présente invention concerne une méthode d'estimation de la température au cœur d'un module de batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride, module dans lequel est conditionnée une pluralité d'éléments d'accumulation de charge électrique couramment appelés cellules.

Une application de la méthode selon l'invention concerne la gestion d'une batterie d'éléments d'accumulation de charge électrique notamment pendant son fonctionnement dans un véhicule électrique ou hybride. Elle est plus particulièrement destinée à s'appliquer au fonctionnement de la batterie pour estimer en temps réel la température interne aux éléments d'accumulation de charge, notamment dans le cadre de l'optimisation des stratégies de gestion énergétique et thermique afin de garantir la sécurité de la batterie et une utilisation optimisée du potentiel d'énergie de la batterie.

La batterie de traction utilisée sur les véhicules électriques ou hybrides est l'un des composants les plus critiques d'un tel véhicule. La température de la batterie est un facteur prépondérant conditionnant ses performances, notamment en raison de son impact sur les cinétiques de réactions chimiques au sein des éléments d'accumulation de charge composant la batterie. En particulier, les températures élevées ont tendance à augmenter les réactions parasites, ce qui entraîne une baisse de la capacité disponible de la batterie et une augmentation de la résistance interne. De ce fait, la température est un facteur de vieillissement des éléments constituant la batterie. En outre, il existe un risque d'emballement thermique des batteries au-delà d'une certaine température. La connaissance précise et fiable de la température de la batterie est donc indispensable pour pouvoir agir en conséquence en cas de surchauffe et, de manière plus générale, pour pouvoir mettre en œuvre dans le véhicule une stratégie de gestion thermique propre à assurer un fonctionnement optimisé de la batterie, en termes sécuritaires, fonctionnels et de durée de vie. Aussi, il est connu de disposer des capteurs de température sur les parois extérieures des modules de batterie dans lesquels sont conditionnés les éléments d'accumulation de charge, pour fournir une mesure de la température de la batterie. Cependant, cette information de température de batterie mesurée par le capteur est atténuée et décalée dans le temps par rapport à la température au cœur du module, pour des raisons physiques de diffusion de la chaleur au sein des éléments d'accumulation de charge. La chaleur est en effet produite dans les éléments d'accumulation de charge par effet joule puis se diffuse dans la matière de conditionnement de la batterie pour ensuite être dissipée vers milieu extérieur via un échange convectif au niveau des parois extérieures. Par conséquent, cette information de température ne reflète pas précisément la température au cœur du module de batterie, c'est-à-dire la température interne aux éléments d'accumulation de charge, là où la chaleur est produite, et ne permet donc pas d'agir efficacement sur la limitation de l'élévation de la température de la batterie.

Comme cette température n'est pas mesurable, il est nécessaire alors de l'estimer. On connaît par exemple du document US 2007/0139017 une méthode d'estimation de la température de la batterie, afin de gagner en précision par rapport à une mesure externe. La méthode selon ce document est basée sur une estimation de l'état thermique initial de la batterie, lié à la température extérieure au véhicule, et sur une estimation de la chaleur générée à l'intérieur de la batterie, découlant par exemple de la mesure de la résistance de la batterie et de la mesure du courant au travers de la batterie, afin d'estimer une température représentative de la température interne de la batterie. Cette méthode d'estimation, qui prend en compte la chaleur générée à l'intérieur de la batterie, néglige cependant le problème de diffusion de la chaleur dans la batterie, ce qui affecte défavorablement la précision et la fiabilité de l'estimation de température obtenue.

Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer une méthode d'estimation de la température au cœur d'un module de batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride, exempte des inconvénients précédemment évoqués. A cette fin, la méthode de l'invention est essentiellement caractérisée en ce qu'on mesure la température au niveau d'une paroi extérieure du module de batterie et en ce qu'on calcule une estimation de la température au cœur du module de batterie à partir de la mesure de la température.

Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on établit un modèle de diffusion de la chaleur produite dans les éléments d'accumulation de charge du module de batterie, le modèle fournissant en sortie une estimation de la température au niveau de la paroi extérieure du module de batterie en fonction de la température au cœur du module qu'il reçoit en entrée, et on calcule l'estimation de la température au cœur du module de batterie en déterminant une valeur de température à fournir en entrée du modèle pour obtenir en sortie du modèle une valeur de température sensiblement égale à la température mesurée.

De préférence, on détermine la valeur de température à fournir en entrée du modèle de telle sorte que l'écart entre la température mesurée au niveau de la paroi extérieure et la température de sortie du modèle soit sensiblement nul.

Selon ce mode de réalisation, on mesure en outre la température de l'air ambiant et le courant aux bornes du module de batterie, le modèle de diffusion prenant ces mesures en entrée.

Avantageusement, on établit le modèle de diffusion de la chaleur produite dans les éléments d'accumulation de charge du module de batterie par application de l'équation de la chaleur en chaque nœud d'un maillage spatial unidimensionnel du module de batterie.

L'invention concerne également un dispositif de gestion d'énergie d'une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride composée d'une pluralité d'éléments d'accumulation de charge électrique conditionnés dans au moins un module de batterie, comprenant :

- un premier organe de mesure disposé sur une paroi extérieure du module de batterie et apte à fournir une mesure de la température au niveau de la paroi extérieure du module de batterie,

- un module de traitement, connecté au premier organe de mesure pour recevoir la mesure de la température au niveau de la paroi extérieure du module de batterie et apte à générer un signal de sortie représentatif de la température au cœur du module de batterie, calculée par la méthode selon l'invention, et

- un module de contrôle apte à assurer la gestion d'énergie de la batterie en réponse au signal de sortie généré par le module de traitement.

Avantageusement, le module de contrôle est apte à commander le refroidissement de la batterie en réponse au signal de sortie généré par le module de traitement.

De préférence, le dispositif peut comprendre un deuxième et un troisième organe de mesure aptes à fournir respectivement une mesure de la température de l'air ambiant et une mesure du courant aux bornes du module de batterie et le module de traitement comprend un moyen d'entrée connecté aux deuxième et troisième organes de mesure pour recevoir les mesures de la température de l'air ambiant et du courant.

D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la Figure 1 est une vue schématique d'un module de batterie ;

- la Figure 2 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement de la méthode d'estimation conforme à l'invention ;

- la Figure 3 est un schéma illustrant un modèle de diffusion de la température dans un module de batterie pour la mise en œuvre de la méthode d'estimation conforme à l'invention ;

- la Figure 4 est un schéma illustrant le maillage spatial du module de batterie pour la mise en œuvre de la méthode d'estimation conforme à l'invention.

La Figure 1 illustre un module 10 de batterie où sont conditionnés quatre éléments d'accumulation de charge 1 1 ou cellules. Un capteur de température 12 est placé sur une paroi extérieure 13 du module 10 de batterie pour fournir une mesure de la température au niveau de la paroi extérieure 13 du module 10 de batterie. En revanche, la température au cœur du module de batterie n'est pas mesurable. Pour estimer cette température, on se propose, selon l'invention, d'utiliser une variable corrélée, qui elle peut être mesurée, en l'occurrence la température à la paroi extérieure du module de batterie.

Pour ce faire, conformément à l'invention, on prévoit de développer un module de traitement spécifique ou « capteur logiciel », encore nommé observateur, implémentant un modèle, qui sera décrit plus en détail par la suite, reproduisant de façon virtuelle la dynamique de la diffusion de la chaleur dans le module de batterie. Ce capteur virtuel est connecté dans une boucle d'asservissement avec un capteur physique de mesure de la température au niveau de la paroi du module, la boucle permettant d'annuler l'erreur éventuelle entre l'estimation du capteur virtuel et la mesure du capteur physique. L'observateur est ainsi conçu pour délivrer à chaque instant une estimation de la température au cœur du module de batterie.

Plus précisément, en référence à la figure 2, soit T la température au cœur du module 10 de batterie, f représente l'estimation de cette température calculée par un module de traitement 20 (observateur). Cette estimation se fait donc en implémentant un modèle de la dynamique de la température dans le module 10 de batterie, en prenant en outre en compte les entrées, qui sont la température de l'air ambiant Tair et le courant I traversant le module de batterie, mais également en utilisant la mesure y de la température à la paroi fournie par le capteur 12 dans le but de corriger les écarts éventuels.

La modélisation de la diffusion de chaleur dans le module de batterie doit être telle que le modèle soit suffisamment représentatif de la réalité, mais aussi peu gourmand en temps de calcul pour l'implémentation en temps réel. Pour ce faire, comme illustré à la figure 3, la variation de la température dans le module de batterie peut être décomposée en deux parties. Dans la matière active (c'est-à-dire les cellules) la température peut être supposée uniforme, alors que les phénomènes de diffusion de la chaleur (c'est-à-dire la baisse de la température) peuvent être observés dans la matière de conditionnement. Les effets de bords sont négligés et l'ensemble des échanges convectifs sont regroupés sur une dimension.

Le problème s'apparente donc à un problème de conduction non stationnaire dans un mur semi-infini avec comme condition aux limites un échange converti! Un bilan d'énergie, qui représente l'ensemble des équations donnant l'évolution de la température en fonction des flux de chaleur générés lors du fonctionnement de la batterie et l'expression de la loi de Fourier (loi semi-empirique établie par Jean-Baptiste Biot qui exprime le lien entre densité du flux de chaleur et gradient de température) conduit à l'équation générale de conduction de la chaleur. Soit un domaine D entouré par sa frontière Γ , le champ de température T(x,t) , avec x = {x, y, z} les coordonnées spatiales, est régi par :

¾(T) - pc_p ( ^ + u.VrJ - V.(AVr) - s = 0. Où désigne l'opérateur aux dérivées partielles régissant le champ de température, pc_p représente le produit de la masse volumique par la chaleur massique, û le champ de vitesse du fluide, vr le gradient de température, λ le coefficient de conductivité thermique et s les sources internes de chaleur. Ce problème nécessite des conditions aux limites à la frontière r qui peuvent être de deux types, à savoir soit une condition de température imposée ou une condition de densité de flux imposée. Il faut simplifier le problème en le discrétisant pour des raisons de capacité de calcul des calculateurs de batterie.

A cet effet, le module de batterie peut être maillé de manière unidimensionnelle comme illustré à la figure 4. On établit alors un modèle mathématique monodimensionnel, en discrétisant l'équation de la chaleur en chaque nœud d'un maillage spatial unidimensionnel défini dans le module de batterie. Chaque nœud est défini par un indice entre 1 et n, la distance X par rapport au cœur du module variant de 0 pour le nœud d'indice 1 à L pour le nœud d'indice n. Un but de l'invention est donc d'estimer la température au nœud d'indice 1 en fonction de la température mesurée au nœud d'indice n. Dans la suite de la présente demande, les termes « nœud » et « point » seront utilisés indifféremment.

Dans un problème monodimensionnel où la conductivité thermique A est supposée constante sur tout le domaine et supposant qu'il n'y a pas de production de chaleur à l'intérieur du domaine ni d'échange convectif à l'intérieur du domaine la formulation se réduit à :

Avec i l'indice du point du maillage illustré à la figure 4.

Ce système d'équations est complété par les deux conditions aux limites et les conditions initiales de température à chaque nœud. Cette équation admet des dérivées spatiales et temporelles. Les dérivées spatiales sont approchées à l'aide d'un développement limité à l'ordre 2 autour du point considéré. Dans le cas particulier où le pas d'espace d est constant, l'équation précédente devient : dt d'^¬ avec comme condition à la limite au point

Ρ°ν ^~άΙΤΓ ^{~ 7} - ^{™ T}i ) - si = 0,

d

avec s_x = aRP l'équivalence nodale de la production de chaleur (effet joule) et comme condition à la limite au point ^x„

dT X

ai d

avec K le coefficient de transfert à la frontière entre D et l'extérieur (n étant le nombre de points discrets).

La formulation précédente de l'équation faible de la chaleur peut être mise sous la forme d'état d'un système linéaire suivant :

y est la température mesurée par le capteur à l'extérieur de la paroi. La présence du bilan d'énergie dans le modèle selon l'invention permet d'effectuer une simulation de la diffusion de la chaleur dans le module 10 de batterie, couplée avec l'évolution de la température de l'air ambiant et du courant aux bornes du module de batterie, pour fournir en sortie du module 20 une valeur estimée de la température au niveau de la paroi extérieure 13 du module 10 de batterie.

Le modèle précédent sert alors de base pour le module de traitement 20 (observateur). Il faut toutefois apporter une certaine correction pour s'assurer de la convergence (validité de l'information). Cette nuance est apportée via l'écart mesuré entre la sortie du modèle f et la valeur mesurée y de la température à la paroi fournie par le capteur 12 de température. L'équation de l'observateur s'écrit donc :

Où le symbole ^Λ au-dessus d'une variable représente l'estimée de ladite variable par l'observateur, K est une matrice de gain qui assure la convergence de l'observateur en un temps fini et y la valeur donnée par le capteur 12 de température à la paroi. La valeur de représente l'estimation de la température au cœur du module de batterie fournie en signal de sortie par le module de traitement 20 (observateur). Cette estimation peut être considérée comme une valeur fiable de la température interne aux éléments d'accumulation de charge. Le module de traitement (observateur) permet ainsi d'émuler un capteur de température positionné à cet endroit.

Le signal de sortie du module de traitement 20 pourra être exploité par un module de contrôle propre à assurer la gestion d'énergie de la batterie. Par exemple, le module de contrôle pourra commander le refroidissement de la batterie en réponse au signal de sortie généré par le module de traitement 20.

L'estimation de la température interne aux éléments de la batterie obtenue grâce à la méthode de l'invention est particulièrement avantageuse, en ce qu'elle constitue une garantie pour une exploitation efficace et sûre de la capacité de la batterie dans toute la plage de fonctionnement du véhicule. En effet, l'information fournie par le module de traitement (observateur) améliore considérablement la connaissance de la température interne des modules de batterie. L'information qu'il fournit permet ainsi d'améliorer la disponibilité de la batterie comparativement à une batterie ne disposant pas de l'observateur. De plus, comme les paramètres internes de la batterie dépendent de la température des éléments de la batterie, l'information fournie par l'observateur permet de mieux estimer ces paramètres et de ce fait, d'augmenter la fiabilité et l'autonomie des véhicules électriques et hybrides.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Méthode d'estimation de la température au cœur d'un module (10) d'une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride dans lequel est conditionnée une pluralité d'éléments (1 1 ) d'accumulation de charge électrique, caractérisée en ce qu'on mesure la température (y) au niveau d'une paroi extérieure (13) du module (10) de batterie et en ce qu'on établit un modèle de diffusion de la chaleur produite dans les éléments (1 1 ) d'accumulation de charge du module (10) de batterie, le modèle fournissant en sortie une estimation de la température au niveau de la paroi extérieure (13) du module (10) de batterie en fonction de la température au cœur du module (10) qu'il reçoit en entrée, et en ce qu'on calcule une estimation de la température

( f ) au cœur du module (10) de batterie en déterminant une valeur de température à fournir en entrée du modèle pour obtenir en sortie du modèle une valeur de température sensiblement égale à la température (y) mesurée.

2. Méthode selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'on détermine la valeur de température à fournir en entrée du modèle de telle sorte que l'écart entre la température (y) mesurée au niveau de la paroi extérieure et la température de sortie du modèle soit sensiblement nul.

3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'on mesure en outre la température de l'air ambiant (Tair) et le courant (I) aux bornes du module de batterie, le modèle de diffusion prenant ces mesures en entrée.

4. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'on établit le modèle de diffusion de la chaleur produite dans les éléments d'accumulation de charge du module de batterie par application de l'équation de la chaleur en chaque nœud d'un maillage spatial unidimensionnel du module de batterie.

5. Dispositif de gestion d'énergie d'une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride composée d'une pluralité d'éléments d'accumulation de charge électrique (1 1 ) conditionnés dans au moins un module (10) de batterie, comprenant :

- un premier organe de mesure (12) disposé sur une paroi extérieure (13) du module (10) de batterie et apte à fournir une mesure (y) de la température au niveau de la paroi extérieure (13) du module de batterie,

- un module de traitement (20), connecté au premier organe de mesure (12) pour recevoir la mesure (y) de la température au niveau de la paroi extérieure (13) du module de batterie et apte à générer un signal de sortie représentatif de la température ( f ) au cœur du module de batterie, calculée par la méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le module de contrôle est apte à commander le refroidissement de la batterie en réponse au signal de sortie généré par le module de traitement (20).

7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième et un troisième organe de mesure aptes à fournir respectivement une mesure de la température de l'air ambiant (Tair) et une mesure du courant (I) aux bornes du module de batterie et en ce que le module de traitement (20) comprend un moyen d'entrée connecté aux deuxième et troisième organes de mesure pour recevoir les mesures de la température de l'air ambiant (Tair) et du courant (I).