EP3028055A1 - Gestion d'énergie dans une batterie - Google Patents

Gestion d'énergie dans une batterie

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Publication number
EP3028055A1
EP3028055A1 EP14759038.4A EP14759038A EP3028055A1 EP 3028055 A1 EP3028055 A1 EP 3028055A1 EP 14759038 A EP14759038 A EP 14759038A EP 3028055 A1 EP3028055 A1 EP 3028055A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
period
algorithm
soc
state variable
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14759038.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Martin
Maxime MONTARU
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 et aux Energies Alternatives 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 et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP3028055A1 publication Critical patent/EP3028055A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/385Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • G01R31/387Determining ampere-hour charge capacity or SoC
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health

Definitions

  • the present description generally relates to the management of a battery and, more particularly, the calibration of an algorithm for estimating a state of charge or aging of a battery.
  • SOC state of charge
  • the document EP-A-1265335 describes a method and device for controlling the residual charge capacity of a secondary battery and successively provides the voltage, the current and the temperature of the battery, to calculate the SOC by integration of the current, calculating an average value of the battery voltage over a predetermined period, calculating an average value of the SOC over a predetermined period, comparing the average value of the voltage with a reference value based on the average value of the SOC. and temperature, and set the faradic performance of the battery. This amounts to adjusting the faradic efficiency as a function of the difference between the mean value of the voltage and a reference value. However, obtaining the reference value, function of SOC, current and temperature is complex.
  • One embodiment of the present disclosure is directed to a method of estimating a state variable of a battery that overcomes all or some of the disadvantages of conventional methods. More particularly, one embodiment aims to adjust the faradic efficiency in a simpler way than the usual solutions.
  • An embodiment of the present disclosure is directed to a method of calibrating an algorithm for estimating a state variable of a battery.
  • One embodiment of the present disclosure is directed to a method more particularly adapted to estimating the state of charge of a battery.
  • One embodiment of the present disclosure is directed to a method that can be implemented on site.
  • An embodiment of the present description aims at a method compatible with periodic recalibration of the batteries in operation.
  • an embodiment is directed to a method for calibrating an algorithm for estimating a state variable of a battery comprising the following steps:
  • the parameter is the faradic efficiency ⁇ of the battery (1), calculated for said period by applying the following relation:
  • Ah c h represents the number of accumulated ampere-hours of the battery during the charging phase during the period
  • ⁇ - ⁇ represents the faradic efficiency of the preceding period
  • ⁇ Cnom corresponds to the difference between the value of the state variable (SOC) at the end of the period and an estimated value.
  • said first and second characteristic values are equal.
  • said parameter is adapted so that the application, at the beginning of said period, of the adapted parameter value would have led, at the end of period, to an identity when comparing said state variable values, the adapted parameter being used for a new period between two characteristic times of said state variable.
  • stored values of said variable, provided by the algorithm during said period are stored, the stored values being used to adapt at least one parameter of the algorithm.
  • the evolution, during said period, of one or more physical quantities influencing said variable is stored, the values of the stored physical quantities being used to adapt at least one parameter of the algorithm.
  • the one or more quantities are chosen from the voltage at the terminals of the battery, the charging or discharging current, the number of ampere-hours, the temperature and the acoustic emissions of the battery.
  • the state variable is the state of charge of the battery.
  • the state variable is the state of aging of the battery.
  • One embodiment also relates to a method for estimating a state variable of a battery comprising calibration phases as described above.
  • One embodiment also relates to a circuit for determining a state variable of a battery, suitable for implementing the estimation or calibration method.
  • FIG. 1 is a very schematic representation of a battery management system of the type to which the embodiments which will be described apply;
  • FIG. 2 is a timing diagram illustrating an embodiment of a method for calibrating a battery state of charge estimation circuit;
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating another embodiment of a method for calibrating a battery state of charge estimation circuit
  • FIG. 4 is a timing diagram illustrating the operation of the embodiment of FIG. 3.
  • FIG. 1 very schematically shows a battery 1 (BAT) supplying a device 4 (Q) associated with a circuit 2 for calculating the state of its charge.
  • Monitoring the state of charge of the battery serves, among other things, to control a charger 5 (CHARGER) battery.
  • the circuit 2 may contain the entire battery management system, or part of this system may be decentralized in a remote device 3, in particular for managing sets of batteries.
  • the circuit 2 communicates with the remote device 3 wired (link 32) or wireless (link 34), and if necessary directly with the charger (dotted line 52).
  • decentralized system 3 is meant both circuits shared by several batteries of the same set (battery pack) and more distant systems, for example, control rooms managing a battery bank.
  • Energy management can take various forms such as, for example, switching charge 4 into an economical mode of operation when the discharge reaches a threshold, stop the discharge when the charge level reaches a critical threshold, etc.
  • the electronic circuit 2, for example of the microprocessor type, attached to the battery is generally connected to the two electrodes 11 and 12 of the battery in order to be able to measure the voltage across the battery. Furthermore, the circuit 2 receives information from a current sensor 22, for example between one of the electrodes 11 and 12 and a connection node 24 to the load 4 and the charger 5. The circuit 2 generally pulls the energy necessary for its operation of the battery 1 itself. In practice, the load 4 and the charger 5 are most often connected to the circuit 2 which integrates the current sensor 22, only the circuit 2 being connected to the electrodes of the battery.
  • SOC state of charge calculation algorithm
  • the SOC calculation algorithms exploit current measurements and calculate quantities of electricity during charging and discharging in ampere-hours. The calculation of the SOC at a given instant depends on the SOC at the previous instant. The state of charge is usually expressed as a percentage of the total charge of the battery.
  • the management of the battery is to prevent it from reaching critical values, for the application or for the operation of the battery itself.
  • the application that is to say the load supplied
  • a minimum limit of state of charge for example 20%
  • the state of charge estimation algorithm drifts and no longer indicates a reliable value, it affects the management of the battery. For example, if the algorithm provides an undervalued SOC value, the battery management system will stop the application or restrict its operation when this is not justified. On the other hand, an overvalued value will cause the battery charge to stop while it is not fully charged.
  • a commonly used algorithm calculates SOC state of charge based on the following relationship:
  • represents the faradic efficiency of the battery
  • I the current in algebraic value passing through the battery
  • C nom the nominal capacity of the battery.
  • the integration period generally corresponds to the time elapsed since a known load state SOCi.
  • the parameter ⁇ generally takes a different value depending on whether the battery is charging or discharging. For example, this coefficient can be 1 in a discharge cycle and 0.97 in a charge cycle.
  • this parameter or more generally an adjustable parameter of the algorithm for correcting the value of the SOC provided by the algorithm, automatically on site.
  • charge states that is to say, measurable
  • this is not realistic because charging cycles can be interrupted before reaching a full charge. For example, in the case of a battery recharged by a solar charger, the charge during the day may be incomplete.
  • this adjustment is made periodically by determining a time window representing a number of charge / discharge cycles. This window represents a minimum duration between two instants of recalibration of the algorithm. The recalibration is then performed on a characteristic point, preferably the first characteristic point which follows the expi ⁇ ration of this duration.
  • a characteristic point or value corresponds to a state of charge for which the actual value of the state of charge can be obtained by measuring one or more physical quantities of the battery.
  • the 0% and 100% states are generally known, that is to say, for the battery considered, the values taken by measurable quantities (for example the pair of terminals of the battery and the current it delivers) when the battery is in these characteristic states. They generally correspond to cases where the battery is fully charged or when it is completely discharged. Between these two values, the value of the SOC is generally estimated using the calculation algorithm which generally takes into account the current flowing in the battery.
  • Figure 2 illustrates an example of an evolution of a charge rate SOC of a battery. This figure illustrates, for a moment tO, different discharge cycles d and charge c of the battery. A drift of the SOC estimation algorithm is assumed which leads to a progressive underestimation of the value of the SOC in relation to its real value. The importance of drift has been exaggerated for illustrative purposes. It follows that at a time tm, the algorithm provides a value, for example of the order of 20%, when in fact the state of charge is of the order of 40%.
  • the actual values of SOC are used.
  • the measured values of the voltage and the current are compared with known values stored in the circuit 2 as corresponding to a full load.
  • Recalibration allows, at time tl, to reset the value given by the algorithm to a real value.
  • Figure 3 is a simplified block diagram illustrating steps of implementing the improved calibration method.
  • This method is based on the definition of a characteristic cycling period of the battery, that is to say a period between two successive characteristic points.
  • FIG. 4 is a timing diagram to be compared with that of FIG. 2, and illustrates the implementation of the method of FIG. 3.
  • FIG. 4 represents several periods Pi. These periods are arbitrarily identified PI, P2, Px and Px + 1 between respective characteristic instants t0 and t1, t1 and t2, tx-1 (not visible in the figure) and tx, and tx and tx + 1 (not visible in the figure).
  • the difference ⁇ (block 61, FIG. 3) is measured between the real value of SOC at the end of the characteristic period and the estimated value indicated by the SOC gauge (by application of the algorithm). This difference is deduced from measured physical value values, such as the voltage U and the current I in the battery. For example, a real value of the SOC will be obtained as soon as one obtains a triplet of measurements of voltage, current and temperature, which correspond to a given SOC.
  • the correction COR (block 63) that should have been applied to the algorithm from time ti-1 to get the good value of SOC at time ti.
  • the correction takes into account an analysis (block 62, ANALYSIS) of the evolution undergone by the SOC value between two characteristic points as a function of the evolution of quantities such as the voltage at the terminals of the battery, the current of charge or discharge, the number of ampere-hours, the temperature.
  • ni * Ahch ni-l * Ah c + ⁇ Cnom, (2) where ⁇ Cnom is the difference between the actual value of SOC at the end of the characteristic period and the estimated value indicated by the SOC gauge.
  • the characteristic values at the two successive characteristic moments processed by the calibration method of the algorithm are not identical.
  • the first characteristic value is a percentage of charge of the battery and the second value is a different percentage.
  • an estimated value is compared with an actual value.
  • the evolution of the estimated SOC value provided by the algorithm is recorded.
  • This recording consists, for example, in storing successive values. The number of values determines the precision that will be obtained later. In practice, at least the minima and maxima are stored.
  • FIG. 4 illustrates the case of a drift during the period PI that is similar to the drift present between the instants t0 and t1 of FIG. 2.
  • the estimated SOC value is corrected and is therefore correct.
  • the right part of Figure 4 illustrates the case of a new drift during the period Px.
  • the error related to this new drift is evaluated at time tx and the coefficient is adapted at time tx to compensate for this drift during the next period Px + 1.
  • the choice of the parameter (s) to be taken into account depends on the SOC algorithm implemented.
  • the choice or environmental variables to consider in the analysis phase depends on available quantities (easily mea ⁇ rable).
  • the temperature is usually used and possibly a measurement of the acoustic emissions of the battery.
  • a similar technique can be implemented to adjust a parameter of a battery which is not its state of charge but for example its state of health (SOH - State of Health).
  • SOH - State of Health state of health
  • the characteristic instants are then defined as the moments where one can measure either the capacity of a battery or the state of its internal resistance.
  • SOH algorithms implement parameters similar to SOC parameters.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Tests Of Electric Status Of Batteries (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé d'étalonnage d'un algorithme d'estimation d'une variable d'état d'une batterie (1) comportant les étapes suivante : mesurer au moins une grandeur physique de la batterie permettant de détecter une première valeur caractéristique (100) de la variable d'état à un premier instant; définir une période (PI, P2, Px, Px+1) entre le premier instant et un deuxième instant; mesurer au moins une grandeur physique de la batterie permettant de détecter une deuxième valeur caractéristique réelle de la variable d'état à un deuxième instant; comparer (61), en fin de ladite période, une valeur estimée de ladite variable fournie par l'algorithme à ladite deuxième valeur caractéristique; et adapter (63) au moins un paramètre de l'algorithme en fonction de la comparaison. L'invention concerne aussi un circuit de détermination d'une variable d'état d'une batterie, adapté à la mise en oeuvre dudit procédé.

Description

GESTION D ' ENERGIE DANS UNE BATTERIE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR13//57717 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente description concerne de façon générale la gestion d'une batterie et, plus particulièrement, l'étalonnage d'un algorithme d'estimation d'un état de charge ou de vieillissement d'une batterie.
Exposé de l'art antérieur
La plupart des batteries, qu'il s'agisse de batteries forte, moyenne ou faible puissance, sont associées à des circuits électroniques de gestion d'énergie et notamment de gestion de leur charge. De tels circuits exploitent généralement une information sur l'état de charge de la batterie. Cette information n'est pas facilement directement mesurable. On utilise donc généralement des algorithmes d'estimation de l'état de charge (généralement désigné SOC pour "State Of Charge") qui fournissent une estimation de l'état de charge SOC à partir de diverses mesures. Ces algorithmes font appel à un ensemble de paramètres et sont généralement étalonnés à partir de mesures effectuées sur des prototypes de batterie. Des algorithmes déjà présents sur des batteries peuvent le cas échéant être étalonnés lors d'opérations de maintenance. Toutefois, de tels étalonnages ne sont pas adaptés à traiter des dispersions éventuelles entre des batteries d'un même type. Par ailleurs, les procédés usuels sont incompatibles avec un étalonnage en temps réel de l'algorithme de calcul de 1 ' état de charge .
Le document EP-A-1265335 décrit un procédé et dispositif de contrôle de la capacité de charge résiduelle d'une batterie secondaire et prévoit successivement d'obtenir la tension, le courant et la température de la batterie, de calculer le SOC par intégration du courant, de calculer une valeur moyenne de la tension de la batterie sur une période prédéterminée, de calculer une valeur moyenne du SOC sur une période prédéterminée, de comparer la valeur moyenne de la tension à une valeur de référence basée sur la valeur moyenne du SOC et la température, et de paramétrer le rendement faradique de la batterie. Cela revient à ajuster le rendement faradique en fonction de l'écart entre la valeur moyenne de la tension et une valeur de référence. Cependant, l'obtention de la valeur de référence, fonction du SOC, du courant et de la température est complexe .
Résumé
Un mode de réalisation de la présente description vise un procédé d'estimation d'une variable d'état d'une batterie qui pallie tout ou partie des inconvénients des procédés usuels. Plus particulièrement, un mode de réalisation vise à ajuster le rendement faradique de façon plus simple que les solutions usuelles .
Un mode de réalisation de la présente description vise un procédé d'étalonnage d'un algorithme d'estimation d'une variable d'état d'une batterie.
Un mode de réalisation de la présente description vise un procédé plus particulièrement adapté à l'estimation de l'état de charge d'une batterie. Un mode de réalisation de la présente description vise un procédé pouvant être mis en oeuvre sur site.
Un mode de réalisation de la présente description vise un procédé compatible avec un réétalonnage périodique des batteries en fonctionnement.
Ainsi, un mode de réalisation vise un procédé d'étalonnage d'un algorithme d'estimation d'une variable d'état d'une batterie comportant les étapes suivante :
mesurer au moins une grandeur physique de la batterie permettant de détecter une première valeur caractéristique réelle de la variable d'état à un premier instant ;
définir une période entre le premier instant et un deuxième instant ;
mesurer au moins une grandeur physique de la batterie permettant de détecter une deuxième valeur caractéristique réelle de la variable d'état à un deuxième instant ;
comparer, en fin de ladite période, une valeur estimée de ladite variable fournie par l'algorithme à ladite deuxième valeur caractéristique ; et
adapter au moins un paramètre de l'algorithme en fonction de la comparaison.
Selon un mode de réalisation, le paramètre est le rendement faradique ι de la batterie (1), calculé pour ladite période en appliquant la relation suivante :
ni * Ahc = ηί-l* Ahc + Δ Cnom,
où Ahch représente le nombre d'ampères-heures cumulés de la batterie en phase de charge au cours de la période, ηΐ-ΐ représente le rendement faradique de la période précédente, et Δ Cnom correspond à l'écart entre la valeur de la variable d'état (SOC) en fin de période et une valeur estimée.
Selon un mode de réalisation, lesdites première et deuxième valeurs caractéristiques sont égales.
Selon un mode de réalisation, ledit paramètre est adapté de sorte que l'application, au début de ladite période, de la valeur de paramètre adaptée aurait conduit, en fin de période, à une identité lors de la comparaison desdites valeurs de variable d'état, le paramètre adapté étant utilisé pour une nouvelle période entre deux instants caractéristiques de ladite variable d'état.
Selon un mode de réalisation, on mémorise des valeurs estimées de ladite variable, fournies par l'algorithme pendant ladite période, les valeurs mémorisées étant utilisées pour adapter au moins un paramètre de l'algorithme.
Selon un mode de réalisation, on mémorise l'évolution, pendant ladite période, d'une ou plusieurs grandeurs physiques influençant ladite variable, les valeurs des grandeurs physiques mémorisées étant utilisées pour adapter au moins un paramètre de 1 ' algorithme .
Selon un mode de réalisation, la ou lesdites grandeurs sont choisies parmi la tension aux bornes de la batterie, le courant de charge ou de décharge, le nombre d' ampères-heures, la température et les émissions acoustiques de la batterie.
Selon un mode de réalisation, la variable d'état est l'état de charge de la batterie.
Selon un mode de réalisation, la variable d'état est l'état de vieillissement de la batterie.
Un mode de réalisation vise également un procédé d'estimation d'une variable d'état d'une batterie comportant des phases d'étalonnage telles que décrites ci-dessus.
Un mode de réalisation vise également un circuit de détermination d'une variable d'état d'une batterie, adapté à la mise en oeuvre du procédé d'estimation ou d'étalonnage.
Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 est une représentation très schématique d'un système de gestion d'une batterie du type auquel s'applique les modes de réalisation qui vont être décrits ; la figure 2 est un chronogramme illustrant un mode de réalisation d'un procédé d'étalonnage d'un circuit d'estimation de l'état de charge d'une batterie ;
la figure 3 est un schéma bloc illustrant un autre mode de mise en oeuvre d'un procédé d'étalonnage d'un circuit d'estimation de l'état de charge d'une batterie ; et
la figure 4 est un chronogramme illustrant le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 3.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. De plus, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, l'exploitation faite de l'information sur l'état de charge par les systèmes de gestion des batteries n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les mécanismes usuels d'exploitation de ces estimations de charge .
La figure 1 représente, de façon très schématique, une batterie 1 (BAT) d'alimentation d'un dispositif 4 (Q) associée à un circuit 2 de calcul de l'état de sa charge. La surveillance de l'état de charge de la batterie sert, entre autres, à contrôler un chargeur 5 (CHARGER) de batterie. Le circuit 2 peut contenir tout le système de gestion de la batterie, ou une partie de ce système peut être décentralisée dans un dispositif distant 3, en particulier pour gérer des ensembles de batteries. Le circuit 2 communique avec le dispositif distant 3 de façon filaire (liaison 32) ou sans fil (liaison 34), et le cas échéant directement avec le chargeur (liaison en pointillées 52) . Par système 3 décentralisé, on entend à la fois des circuits partagés par plusieurs batteries d'un même ensemble (pack batterie) et des systèmes plus lointains, par exemple, des salles de commande gérant un parc de batteries . La gestion de l'énergie peut prendre diverses formes comme, par exemple, passer la charge 4 dans un mode de fonctionnement économe lorsque la décharge atteint un seuil, arrêter la décharge lorsque le niveau de charge atteint un seuil critique, etc.
Le circuit électronique 2, par exemple de type microprocesseur, attaché à la batterie est généralement raccordé aux deux électrodes 11 et 12 de la batterie afin de pouvoir mesurer la tension aux bornes de la batterie. Par ailleurs, le circuit 2 reçoit une information provenant d'un capteur de courant 22, par exemple entre une des électrodes 11 et 12 et un noeud 24 de connexion à la charge 4 et au chargeur 5. Le circuit 2 tire généralement l'énergie nécessaire à son fonctionnement de la batterie 1 elle-même. En pratique, la charge 4 et le chargeur 5 sont le plus souvent connectés au circuit 2 qui intègre le capteur de courant 22, seul le circuit 2 étant connecté aux électrodes de la batterie.
La plupart des circuits 2 effectuant une surveillance de l'état de charge de la batterie exploitent un algorithme de calcul de 1 ' état de charge SOC qui prend en compte le courant transitant dans la batterie, le rendement faradique et la capacité nominale de la batterie. Certains algorithmes prennent également en compte la température. Les algorithmes de calcul du SOC exploitent des mesures de courant et calculent des quantités d'électricité pendant la charge et la décharge en ampère-heure. Le calcul du SOC à un instant donné dépend du SOC à l'instant précédent. L'état de charge est généralement exprimé en pourcentage de la charge totale de la batterie.
En pratique, la gestion de la batterie consiste à lui empêcher d'atteindre des valeurs critiques, pour l'application ou pour le fonctionnement de la batterie elle-même. Par exemple, pour l'application, c'est-à-dire la charge alimentée, on peut souhaiter éviter que l'état de charge de la batterie ne soit plus suffisant pour arrêter l'application proprement (par exemple, sauvegarder des données, mettre en veille des circuits, etc.) . Selon un autre exemple, dans le cas où la batterie elle- même risque d'être endommagée si elle se décharge trop, on fixe une limite minimale d'état de charge (par exemple 20%) . Toutefois, si l'algorithme d'estimation d'état de charge dérive et n'indique plus une valeur fiable, cela nuit à la gestion de la batterie. Par exemple, si l'algorithme fournit une valeur SOC sous-évaluée, le système de gestion de la batterie va arrêter l'application ou restreindre son fonctionnement alors que cela n'est pas justifié. A l'inverse, une valeur surévaluée va provoquer l'arrêt de la charge de la batterie alors qu'elle n'est pas en pleine charge.
Un algorithme couramment utilisé calcule l'état de charge SOC d'après la relation suivante :
où η représente le rendement faradique de la batterie, I le courant en valeur algébrique transitant dans la batterie et Cnom la capacité nominale de la batterie. La période d'intégration correspond généralement au temps écoulé depuis un état de charge connu SOCi .
Le paramètre η prend généralement une valeur différente selon que la batterie est en charge ou en décharge. Par exemple, ce coefficient peut valoir 1 dans un cycle de décharge et 0,97 dans un cycle de charge.
Il ne s'agit là que d'un exemple et d'autres algorithmes SOC exploitent d'autres relations. Toutefois, ces algorithmes ont en commun de prendre en compte au moins un paramètre, ici n, qui est différent selon que l'on se trouve dans un cycle de charge ou dans un cycle de décharge. Ce paramètre est parfois ajusté lors d'opérations de maintenance pour recaler l'algorithme.
On prévoit de faire varier ce paramètre, ou plus généralement un paramètre ajustable de l'algorithme permettant de corriger la valeur du SOC fournie par l'algorithme, automatiquement sur site. Pour cela, on prévoit d'exploiter des états de charge connus, c'est-à-dire mesurables, de façon à pouvoir comparer ces valeurs aux valeurs fournies par l'algorithme et modifier le paramètre η en conséquence. On aurait pu penser effectuer une mesure, par exemple pour ajuster la valeur fournie par l'algorithme à 100% à la fin de chaque cycle de charge. Toutefois, cela n'est pas réaliste car les cycles de charge peuvent être interrompus avant d'atteindre une pleine charge. Par exemple, dans le cas d'une batterie rechargée par un chargeur solaire, la charge pendant le jour peut s'avérer incomplète.
Ainsi, on prévoit de n'effectuer cet ajustement ou réétalonnage que sur des points ou valeurs caractéristiques. Ces valeurs caractéristiques ne correspondent pas nécessairement à une pleine charge (100%) ou à une décharge totale (0%) . De préférence, cet ajustement est effectué périodiquement en déterminant une fenêtre temporelle représentant un nombre de cycles de charge/décharge. Cette fenêtre représente une durée minimale entre deux instants de réétalonnage de l'algorithme. On effectue alors le réétalonnage sur un point caractéristique, de préférence le premier point caractéristique qui suit l'expi¬ ration de cette durée.
Un point ou une valeur caractéristique correspond à un état de charge pour lequel on peut obtenir la valeur réelle de l'état de charge, par mesure d'une ou plusieurs grandeurs physiques de la batterie. Par exemple, les états 0% et 100% sont en général connus, c'est-à-dire que l'on connaît, pour la batterie considérée, les valeurs prises par des grandeurs mesurables (par exemple le couple des valeurs de tension aux bornes de la batterie et du courant qu'elle débite) lorsque la batterie est dans ces états caractéristiques. Ils correspondent généralement aux cas où la batterie est à pleine charge ou lorsqu'elle est complètement déchargée. Entre ces deux valeurs, la valeur du SOC est généralement estimée à l'aide de l'algorithme de calcul qui prend généralement en compte le courant qui circule dans la batterie.
A un point caractéristique, on est en mesure de comparer la valeur réelle du SOC issue de la mesure de grandeurs physiques à la valeur estimée par l'algorithme de calcul du SOC. On prévoit donc d'effectuer un recalage d'un paramètre de l'algorithme de calcul du SOC lorsque la batterie atteint une valeur qui correspond à un état connu (100% par exemple) . Ce recalage vise à modifier le calcul du SOC de sorte que la valeur estimée du SOC corresponde à la valeur réelle à cet instant, de façon à éviter qu'une dérive ne perdure.
A la différence de la solution décrite dans le document EP-A-1265335, on n'exploite pas des valeurs moyennes du SOC ou de la tension, mais on analyse des séries de valeurs. De plus, on exploite des valeurs correspondant à des points caractéristiques où l'on peut connaître la valeur de SOC, par exemple les états 0% et 100% (ou autres états intermédiaires connus) .
La figure 2 illustre un exemple d'évolution d'un taux de charge SOC d'une batterie. Cette figure illustre, depuis un instant tO, différents cycles de décharge d et de charge c de la batterie. On suppose une dérive de l'algorithme d'estimation du SOC qui conduit à une sous-évaluation progressive de la valeur du SOC par rapport à sa valeur réelle. L'importance de la dérive a été exagérée à des fins d'illustration. Il en découle qu'à un instant tm, l'algorithme fournit une valeur, par exemple de l'ordre de 20%, alors qu'en réalité l'état de charge est de l'ordre de 40%.
Dans un exemple simplifié, on considère que lorsque l'algorithme fournit une valeur SOC atteignant une valeur limite
(ici arbitrairement 20%) à la fin d'un cycle de décharge, on déclenche, à la fin du cycle complet de charge qui suit un étalonnage. Dans l'exemple représenté, au cycle de charge cl suivant, on recale, à l'instant tl où la charge atteint la pleine charge (détectée par mesure et non par estimation) , la valeur du SOC pour qu'elle corresponde à 100% (valeur réelle) .
Pour déterminer que le cycle de charge cl est bien complet, on exploite les valeurs réelles de SOC. En pratique, on compare les valeurs mesurées de la tension et du courant à des valeurs connues mémorisées dans le circuit 2 comme correspondant à une pleine charge.
Le réétalonnage permet, à l'instant tl, de recaler la valeur donnée par l'algorithme sur une valeur réelle.
Toutefois, en supposant que les cycles de charge et de décharge sont, après l'instant tl, identiques à ceux présent après l'instant tO, on reproduit le phénomène, c'est-à-dire que l'erreur donnée par le SOC se remet à augmenter. Par conséquent, au prochain instant caractéristique t2, c'est-à-dire l'instant où on effectue un nouvel étalonnage, on se retrouve avec la même erreur à récupérer.
La figure 3 est un schéma bloc simplifié illustrant des étapes de mise en oeuvre du procédé d'étalonnage amélioré.
Ce procédé est basé sur la définition d'une période caractéristique de cyclage de la batterie, c'est-à-dire une période entre deux points caractéristiques successifs.
La figure 4 est un chronogramme à rapprocher de celui de la figure 2, et illustre la mise en oeuvre du procédé de la figure 3. La figure 4 représente plusieurs périodes Pi. Ces périodes sont arbitrairement identifiées PI, P2, Px et Px+1 entre des instants caractéristiques respectifs tO et tl, tl et t2, tx-1 (non visible sur la figure) et tx, et tx et tx+1 (non visible sur la figure) .
A chaque fin de période Pi, on mesure l'écart Δ (bloc 61, figure 3) entre la valeur réelle de SOC en fin de période caractéristique et la valeur estimée indiquée par la jauge SOC (par application de l'algorithme). Cet écart se déduit de valeurs de grandeurs physiques mesurées, telles que la tension U et le courant I dans la batterie. Par exemple, une valeur réelle du SOC sera obtenue dès que l'on obtient un triplet de mesures de tension, courant et température, qui correspondent à un SOC donné .
On en déduit alors la correction COR (bloc 63) qu'il aurait fallu appliquer à l'algorithme à partir de l'instant ti-1 pour obtenir la bonne valeur de SOC à l'instant ti . De préférence, la correction tient compte d'une analyse (bloc 62, ANALYSE) de l'évolution subie par la valeur SOC entre deux points caractéristiques en fonction d'évolution de grandeurs telles que la tension aux bornes de la batterie, le courant de charge ou de décharge, le nombre d' ampères-heures, la température .
Ainsi, en cas de dérive similaire, plus précisément sans dérive supplémentaire, pendant la période suivante Pi+1, on obtient, à la fin de cette période (instant ti+1) , une valeur correcte.
En reprenant l'exemple d'un coefficient n, cela revient, en notant Ahch, le nombre d'ampères-heures cumulés dans la batterie en phase de charge entre les instants ti-i et tj_, et ι la valeur du coefficient pour la période Pi, à calculer le coefficient ι en appliquant la relation suivante:
ni * Ahch= ni-l* Ahc + Δ Cnom, (2) où Δ Cnom correspond à l'écart entre la valeur réelle de SOC en fin de période caractéristique et la valeur estimée indiquée par la jauge SOC.
Choisir les instants caractéristiques pour qu'ils correspondent à une même valeur caractéristique constitue un mode de réalisation préféré, car particulièrement simple. Toutefois, selon une variante de réalisation, les valeurs caractéristiques aux deux instants caractéristiques successifs traités par le procédé d'étalonnage de l'algorithme ne sont pas identiques. Par exemple, la première valeur caractéristique est un pourcentage de charge de la batterie et la deuxième valeur est un pourcentage différent. Toutefois, on compare pour chaque instant caractéristique une valeur estimée à une valeur réelle.
Selon un mode de réalisation avantageux, pendant chaque période Pi (bloc 60, SOC), on enregistre l'évolution de la valeur SOC estimée fournie par l'algorithme. Cet enregistrement consiste, par exemple, à stoker des valeurs successives. Le nombre de valeurs conditionne la précision qui sera obtenue par la suite. En pratique, on stocke au moins les minima et maxima.
En outre, il est souhaitable d'enregistrer également l'évolution de grandeurs physiques, telles que le courant et la tension, ou des grandeurs physiques liées à une donnée environnementale, telle que la température.
Ces relevés sont plus particulièrement intéressants dans le cas où l'algorithme d'estimation est fonction des valeurs de ces grandeurs physiques. On pourra alors utiliser un algorithme d'optimisation, utilisant les données mémorisées, pour définir les paramètres de l'algorithme d'estimation les plus adaptés .
La partie gauche de la figure 4 illustre le cas d'une dérive pendant la période PI qui est similaire à la dérive présente entre les instants tO et tl de la figure 2. Par rapport à la figure 2, dans la période P2 suivante où l'on suppose des conditions de fonctionnement similaire, la valeur estimée du SOC est corrigée et est donc correcte.
La partie droite de la figure 4 illustre le cas d'une nouvelle dérive pendant la période Px. L'erreur liée à cette nouvelle dérive est évaluée à l'instant tx et le coefficient est adapté à l'instant tx pour compenser cette dérive pendant la période suivante Px+1.
Le fait d'analyser l'évolution du SOC pendant une période caractéristique permet d'améliorer la correction des paramètres de l'algorithme de façon à ce que la dérive apparue pendant une période ne soit plus présente à la période suivante.
Le choix du ou des paramètres à prendre en compte dépend de l'algorithme SOC mis en oeuvre. Le choix de la ou des grandeurs environnementales à prendre en compte dans la phase d'analyse dépend des grandeurs disponibles (aisément mesu¬ rables) . On utilise couramment la température et éventuellement une mesure des émissions acoustiques de la batterie.
La solution décrite est particulièrement adaptée à des batteries qui utilisent des algorithmes SOC génériques, ce qui est le cas le plus courant car ces algorithmes sont éprouvés. Dans un tel cas, il y a une dispersion des performances des batteries successives fabriquées d'une même chaîne de production bien que celles-ci aient le même algorithme SOC. Il est donc intéressant de pouvoir ajuster les paramètres de cet algorithme en fonctionnement.
Cette solution est également particulièrement adaptée à des batteries qui sont utilisées souvent de la même façon. En effet, la correction est d'autant plus précise que les sollicitations de la batterie en charge et en décharge sont fréquentes et identiques.
Une technique similaire peut être mise en oeuvre pour ajuster un paramètre d'une batterie qui ne soit pas son état de charge mais par exemple son état de santé (SOH - State of Health) . Les instants caractéristiques sont alors définis comme les moments où on peut mesurer soit la capacité d'une batterie soit l'état de sa résistance interne. Les algorithmes SOH mettent en oeuvre des paramètres similaires aux paramètres SOC.
Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des paramètres de l'algorithme SOC à adapter en fonction des périodes de cyclage dépend de l'algorithme SOC utilisé. De plus, bien que l'on ait décrit un exemple dans lequel le point caractéristique correspond à 100% de charge, on pourra utiliser tout point caractéristique disponible pour le système considéré, que ce soit en fin de charge ou en fin de décharge ou à un niveau intermédiaire de charge. Par exemple, dans certains systèmes on est capable de mesurer un état de mi-charge de la batterie et on peut alors évaluer un point caractéristique à 50%. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant des outils informatiques usuels .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'étalonnage d'un algorithme d'estimation d'une variable d'état (SOC) d'une batterie (1) comportant les étapes suivante :
mesurer au moins une grandeur physique de la batterie permettant de détecter une première valeur caractéristique (100) de la variable d'état à un premier instant (to, ti, t2, tx) ;
définir une période (PI, P2, Px, Px+1) entre le premier instant et un deuxième instant (ti, t2, tx) ;
mesurer au moins une grandeur physique de la batterie permettant de détecter une deuxième valeur caractéristique (100) de la variable d'état au deuxième instant ;
comparer (61) , en fin de ladite période, une valeur estimée de ladite variable fournie par l'algorithme à ladite deuxième valeur caractéristique ; et
adapter (63) au moins un paramètre (n) de l'algorithme en fonction de la comparaison.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le paramètre est le rendement faradique ι de la batterie (1) , calculé pour ladite période en appliquant la relation suivante :
ni * Ahc = ηί-1* Ahc + Δ Cnom,
où hch représente le nombre d'ampères-heures cumulés de la batterie en phase de charge au cours de la période, ηΐ-ΐ représente le rendement faradique de la période précédente, et Δ Cnom correspond à l'écart entre la valeur de la variable d'état (SOC) en fin de période et une valeur estimée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdites première et deuxième valeurs caractéristiques sont égales .
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel ledit paramètre (n) est adapté de sorte que l'application, au début de ladite période, de la valeur de paramètre adaptée aurait conduit, en fin de période, à une identité lors de la comparaison desdites valeurs de variable d'état (SOC), le paramètre adapté étant utilisé pour une nouvelle période entre deux instants caractéristiques de ladite variable d'état.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une mémorisation des valeurs estimées de ladite variable (SOC), fournie par l'algorithme pendant ladite période, les valeurs mémorisées étant utilisées pour adapter au moins un paramètre de l'algorithme.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant en outre une mémorisation de l'évolution, pendant ladite période, d'une ou plusieurs grandeurs physiques influençant ladite variable, les valeurs des grandeurs physiques mémorisées étant utilisées pour adapter au moins un paramètre de 1 ' algorithme .
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la ou lesdites grandeurs sont choisies parmi la tension aux bornes de la batterie, le courant de charge ou de décharge, le nombre d'ampères-heures, la température et les émissions acoustiques de la batterie.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la variable d'état est l'état de charge (SOC) de la batterie.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la variable d'état est l'état de vieillissement de la batterie.
10. Procédé d'estimation d'une variable d'état d'une batterie comportant des phases d'étalonnage conformes au procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
11. Circuit de détermination d'une variable d'état d'une batterie, adapté à la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
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