FR2827390A1

FR2827390A1 - Procede pour determiner l'etat de charge d'accumulateurs

Info

Publication number: FR2827390A1
Application number: FR0208736A
Authority: FR
Inventors: Gerolf Richter; Ingo Koch
Original assignee: VB Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Clarios Germany GmbH and Co KGaA
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2003-01-17
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: DE10133806A1; US20030016023A1; FR2827390B1

Abstract

Dans chaque phase de charge on détermine la tension d'accumulateur (UBi ), le temps de charge (tLi ) et par comparaison avec la caractéristique (AQi = f-SOC,tL , UB ) on détermine l'augmentation de la charge. Dans une phase suivante on mesure la tension d'accumulateur (UBi ) dans les intervalles de temps, à partir de la tension d'accumulateur (UBij ) au début d'un intervalle de temps et à l'aide d'une valeur d'intensité supposée (IBij ) on détermine une valeur de tension d'accumulateur (UBij+1 ) à la fin de l'intervalle de temps par comparaison avec des champs de caractéristiques UB = f(IB , Ri , SOC). A partir de la déviation ainsi obtenue pour UBij+1 et de la tension d'accumulateur effectivement mesurée à la fin de l'intervalle de temps, on détermine par itération une valeur d'intensité IBij+1 , corrigée, et à partir de cette valeur on calcule la perte de charge.

Description

référence. La présente invention concerne un procédé pour déterminer

l'état de charge d'accumulateurs par la mesure de leur tension et la com-

paraison de la tension à des champs de caractéristiques prédéterminés.

La détection de l'état des accumulateurs, en particulier des accumulateurs de démarrage pendant le fonctionnement de véhicules au- tomobiles équipés de moteurs à combustion interne a une importance considérable. Dans les procédés connus de détection de l'état, on applique des procédés s'appuyant sur le calcul comme ceux décrits par exemple

dans le document DE 19 847 648 A1 pour en déduire un bilan de charge.

o Dans d'autres procédés on utilise le comportement de transmission de la

batterie en utilisant un circuit équivalent ou un modèle mathématique.

On connaît (Willibert Schleuter: etArchiv Vol.4 (1982) H.7; P. Lurkons, W. Steffens, etArchiv Vol.8 (1986) H.7). Un circuit équivalent simple de la batterie dont les paramètres sont appris par l'analyse du comportement de la batterie en fonctionnement et qui permet de prévoir le comportement futur. Pour cela, il est nécessaire d'enregistrer en permanence la tension et le courant de la batterie et de traiter ces inforrnations par exemple dans

un calculateur.

Pour réaliser ces deux conditions, il faut toutefois non seu lement déterminer la tension actuelle des accumulateurs ainsi que leur

température mais également effectuer une mesure aussi précise que pos-

sible continue du courant dans les accumulateurs. En particulier, pour

une mesure exacte du courant, il faut mettre en _uvre des moyens tech-

niques importants car l'intervalle de courant de batterie de démarrage s s'étend de manière importante pour l'état de charge dans les véhicules actuels entre une valeur de quelques mA pour le courant de repos des consommateurs jusqu'à environ 1000 A pour le courant de court-circuit

au début de l'opération de démarrage.

Dans ces conditions, à côté des procédés actuels, il existe

une demande de procédé qui n'effectue pas la mesure permanente du cou-

rant dans toute la plage du courant de la batterie pour déterminer l'état de charge. Ainsi, la présente invention a pour but d'évaluer l'état de charge des accumulateurs pendant le fonctionnement dans un véhicule,

avec une fiabilité suffisante et de supprimer ainsi les mesures compli-

quées d'intensité.

A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que dans chaque phase de charge on déter mine la tension d'accumulateur UBi, le temps de charge tLi et par compa raison avec la caractéristique Qi = f-(SOC,tL, UB) on détermine l'augmentation de la charge, dans une phase de décharge suivante on me sure la tension d'accumulateur UBi à certains intervalles de temps, à partir s de la tension d'accumulateur Usi au début d'un intervalle de temps, à l'aide d'une valeur d'intensité supposée (Isi;) on détermine une valeur de tension d'accumulateur UBij+ à la fin de l'intervalle de temps par compa raison avec des champs de caractéristiques UB = f(Is, Ri, SOC) et à partir de la déviation de la valeur ainsi obtenue pour UBij+i et de la tension o d'accumulateur effectivement mesurée à la fin de l'intervalle de temps, on détermine par itération une valeur d'intensité IBY+I, corrigée, et à partir de

cette valeur on calcule la perte de charge.

Le procédé selon l'invention, pour évaluer l'état de charge d'une batterie équipant un véhicule automobile par l'exploitation du chro s nogramme de la tension de batterie et de la température de la batterie dé termine l'augmentation, détermine l'augmentation de charge comme valeur intégrale pour terminer la phase de charge alors que la perte de charge se détermine chaque fois à la fin d'un intervalle de mesure ou de

calcul accompagnant la décharge jusqu'à la fin de la phase de décharge.

o Le début de la phase de fonctionnement " charge " est défini pour la batte rie par le passage du courant par zéro à partir de la phase de décharge; le début de la phase " décharge " se définit pour la batterie par le passage du

courant par zéro à partir de la phase de charge.

L'augmentation de la charge pendant la phase de charge est s prise dans une matrice de réserve de valeur dont les axes sont caractéri sés par la tension de charge, l'état de charge à l'instant du passage du courant par zéro en partant de la phase de décharge, de la durée de la phase de charge ainsi que de la température de la batterie pendant la

phase de charge.

Selon un développement de l'invention, pendant la phase de décharge on détermine l'évolution dans le temps de la perte de charge sous forme itérative à la fin de chaque intervalle de temps At; à l'aide d'au moins une équation, à partir des valeurs évaluées pour l'intensité prévisi ble et pour la résistance interne prévisible de la batterie, de l'intervalle de 3s mesure et de calcul le plus proche de la fin on détermine tout d'abord une tension de batterie à l'instant de la fin de l'intervalle At et on compare cette tension à la tension mesurée de la batterie. L'information découlant de cette comparaison est utilisée pour améliorer la valeur évaluée de l'intensité de la résistance interne; cela conduit de nouveau à une réduc tion de la différence entre la valeur mesurée de la tension et de la valeur calculée dans la dernière étape d'itération. On arrête ce procédé si l'on dispose d'une précision suffisante et on utilise le courant ainsi évalué

s pour déterminer la perte de charge.

Selon un autre développement de l'invention, on détermine, pendant la phase de décharge, l'évolution dans le temps de la perte de charge à la fin de chaque fois un intervalle de temps At; pour la fin de l'intervalle de mesure et de calcul suivant on admet tout d'abord différen o tes valeurs de l'intensité prévisible et de la résistance interne prévisible de la batterie; à partir d'une équation on calcule alors différentes valeurs pour la tension de la batterie à la fin de l'intervalle At. A l'aide de ces va leurs de tension et de l'information concernant l'évolution de ces valeurs de tension en fonction des valeurs d'intensité supposées et de la valeur de s tension mesurée à la fin de l'intervalle de temps, on évalue l'intensité qui passe et on utilise cette intensité évaluée pour déterminer la perte de charge. La résistance interne nécessaire est prise dans une matrice de valeur de réserve qui dépend au moins de la température de fonction nement, du contenu de la charge et du courant de la batterie. En plus, dans la phase de décharge, à côté de la résistance interne de la batterie, on peut utiliser la chute de tension résultant de la charge prise et de la variation de la tension de repos liée à la charge prise pour calculer les va

leurs de tension.

Pour augmenter la précision on effectue le cas échéant une

interpolation entre les grandeurs des matrices de valeur de réserve.

A partir de la tension de batterie obtenue pour le passage du courant par zéro, à l'aide d'une matrice de valeur de réserve qui repré sente le contenu de la charge au moins en fonction de la tension et de la température de la batterie on détermine le contenu de la charge de la batterie. La tension de la batterie à l'instant du passage de l'intensité par zéro est mesurée par exemple avec une tolérance de +/- 0,5 mV. Un contrôle et une correction du contenu actuel calculé de la charge peut se faire à la fin d'un cycle de décharge par la tension de la batterie lorsque 3s l'intensité passe par zéro. A la place des matrices de valeur de réserve on peut utiliser des équations empiriques ou encore des champs de caracté ristiques empiriques que l'on remplace par des équations polynomales qui

en sont déduites.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée pour le procédé à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement la courbe de la tension s d'accumulateur UB pendant la charge et la décharge, - la figure 2 montre schématiquement la relation entre l'augmentation de charge Q et du temps de charge tL, la tension de charge UB et l'état de charge SOC (figures 2a, 2b) et la dépendance de la température des ac cumulateurs T (figure 2c), o - la figure 3 montre un schéma du procédé selon l'invention pour déter

miner la perte de charge pendant la décharge.

Description des modes de réalisation de l'invention

La succession de caractéristiques de phase de charge et de décharge pour des batteries de démarrage de véhicules automobiles peut se décrire de manière idéale par l'enregistrement de la tension de batterie UB en fonction du courant de batterie IB. On obtient un tracé en courbe bouclé représenté à la figure 1. Le début de la boucle, après un temps d'arrêt de plusieurs heures du véhicule sur l'axe du courant, est prati quement égal à zéro suivant l'amplitude de la consommation du courant o de repos et sur l'axe de tension il est à proximité de la tension de repos Uo caractéristique de l'état de charge. Plus le temps d'arrét passé du véhicule est important et meilleure sera la relation entre la valeur Uo et l'état de

charge de l'accumulateur.

Après le démarrage du véhicule, le courant de charge et la s tension de batterie augmentent jusqu'à la tension maximale prédétermi née par le régulateur du générateur si la production de courant dépasse la demande de courant par le réseau embarqué. Dans le cas contraire, on a un courant de décharge (signes algébriques négatifs) et la tension de bat

terie diminue.

so Si toutefois pendant le cycle d'ordre i, la batterie est dans la zone de charge et que le courant de charge diminue par suite d'une plus faible fourniture de courant et/ou d'une augmentation de la consomma tion, la courbe intensité/tension passe par le point IB = 0 avec UB = ULEi (L charge; E décharge) avant que l'on commute sur la plage de décharge. Ce passage du courant par zéro avec la tension (ULEi) à l'instant (tLEi) caracté rise ainsi le passage du cycle de charge d'ordre i au cycle de décharge

d'ordre i.

s Si au cours de la suite du cycle de décharge d'ordre i qui se produit, le bilan du courant pour la batterie devait s'améliorer, la courbe intensité/tension passe par un minimum avant de commuter dans la phase de charge d'ordre (i + 1). Pendant cette alternance, le courant de batterie s'annule de nouveau (IB = 0) et la tension prend la valeur UB = UE- Li+. La tension de batterie (UELi+) caractérise ainsi le passage de l'intensité par zéro lorsqu'on passe de la plage de décharge à la plage de charge à

l'instant (tELi+l).

Selon l'invention, pour détecter l'état de charge des accu

o mulateurs, en particulier de batteries de démarrage, on procède de la ma-

nière suivante: Phase de chare: Une batterie de véhicule est à l'état de prise de charge si le générateur fournit au réseau embarqué une offre excessive. Cette situa s tion se produit toujours si, du fait de la vitesse de rotation du générateur, résultant de la situation de conduite, il peut générer un courant supérieur à celui demand é au même ins tant et c o rresp ondant à la s omme de to us les consommateurs électriques. Dans ces conditions, pendant la phase de charge de la batterie, on exclut le risque de sous alimentation électrique o de différents consommateurs branchés sur le réseau embarqué. Le gain de charge Q pendant une telle phase de charge de batterie (i), non critique pour l'alimentation électrique du véhicule, n'est pas déterminé selon le procédé de l'invention à chaque instant (t) de l'opération de charge d'ordre (i) mais uniquement comme valeur intégrale à la fin, c'est-à-dire lorsqu'on

s commute dans la plage de décharge à l'instant (tLEi).

La valeur de (AQi). c'est-à-dire de l'augmentation de la charge dans la phase de charge d'ordre (i) résulte d'une matrice de valeur de réserve à plusieurs dimensions en fonction de la quantité de charge qui se trouve dans la batterie à l'instant (tELi) du début de la charge d'ordre (i) ou de l'état de charge (SOCi-), de la durée de l'intervalle de charge d'ordre (i) (tLi = tLEi - tELi), et de façon avantageuse de la température moyenne (Ti)

de la batterie pendant l'opération de charge d'ordre (i). Ainsi, pour la va-

leur prise dans la matrice, pour l'augmentation de charge dans l'intervalle de charge d'ordre (i) on a la relation suivante: Qi = f (SOCi-, tLi, Ti) (1)

La tension de charge peut être prise en compte comme va-

riable sous la forme d'une autre dimension de la matrice.

La figure 2 montre les caractéristiques (AQ) corres-

pondantes en fonction de la tension (UB) et de la valeur (SOC) (figures 2a, s 2b). La figure 2c montre la relation de la tension (UBA) choisie à la figure

2a par rapport à la température (T) de l'accumulateur. Ces relations peu-

vent également s'obtenir par une fonction empirique, normalisée, et ainsi valable pour toutes les tailles de batteries d'une série de construction analogue. o Phase de décharge Comme en principe à n'importe quel instant (t) de la phase de décharge d'ordre (i) d'une batterie de véhicule, il existe un risque d'alimentation pour les consommateurs électriques branchés sur le réseau embarqué et que notamment lorsque l'état de charge est faible ce risque s augmente de manière plus que proportionnelle, il faut, contrairement à la phase de charge, déterminer la variation de charge à chaque instant comme (AQi(t)). La détermination de ces variations d'état de charge se fait selon l'invention par le procédé suivant: Comme base on utilise la relation suivante: Us(t) = Uo(t)-R(t) À Is(t), (2) dans cette formule la tension actuelle de batterie (Us(t)) est combinée à la tension de repos (Uo(t)) qui influence le contenu de charge (Q(t)) actuel et

s de la résistance interne (R(t)) de la batterie ainsi que de l'intensité du cou-

rant de batterie (IB(t)).

Si maintenant on forme la relation (2) chaque fois à deux instants (tij) et (tij+) qui se suivent directement, avec un intervalle bref (At), dans l'intervalle de décharge d'ordre (i), la différence de ces deux so équations donne la prescription de détermination suivante selon l'invention: Usi;-Usi;+ = Uoi;-Uoij±(Isi;-Isi;+) Ri; À (3) ss En transformant la relation (3) et en tenant compte d'un terme supplémentaire pour l'équation de calcul correspondant à l'intervalle de temps d'ordre + 1), dont les variables nécessitent une défi nition plus précise, on obtient: UBy+l = Ugy + Ry (IBy-IBii+l) + AU0Y dt Dans cette formule (Rij) dépend de la température actuelle s (Tij) de la batterie, de l'état de charge actuel (SOCij) et des deux intensités (IBi;) et (IBij+ ). On obtient ainsi: Rij = f (Tij, SOCij, IBij, Isi;+) (5) o La grandeur dUsy/dt résulte d'une matrice de valeur de ré serve en fonction de l'intensité, de la température de batterie et de son état de charge et tient compte de la variation de la tension pour un courant de

décharge constant.

Lorsqu'on observe la tension de l'accumulateur et sa tempé s rature en fonction de l'évolution pendant la phase de décharge d'ordre (i), alors pour chaque dernier intervalle d'observation respectif (tij jusqu'à

tij+), on ne connaît pas les grandeurs de l'intensité et de la résistance in-

ternes ou leur variation; on connaît uniquement la nouvelle tension de batterie par mesure. Pour résoudre l'équation on procède dans de tels cas o par itération, on évalue ainsi tout d'abord l'intensité à l'instant (tij+) et à l'aide de cette intensité on détermine la nouvelle résistance interne. Selon l' équation (4) on calcule une nouvelle tension d' accumulateur et ensuite on détermine comment celle-ci correspond à la tension d'accumulateur effectivement mesurée. Suivant la déviation on corrige la valeur de s l'intensité (IsIj+) et on calcule une nouvelle tension d'accumulateur. Cette

procédure par itération se poursuit jusqu'à ce que la déviation est meil-

leure qu'une valeur prédéterminée e. La charge prise s'obtient alors par l'équation: Qij+r = Qi; - At (Isij + IBY+)/2. (6) Puis, selon le même procédé, on analyse l'étape de décharge

suivante (tij+2).

Comme le montre la figure 3, le procédé ci-dessus de dé

3s termination des paramètres inconnus pour chaque étape de décharge sui-

vante s'obtient avec un jeu de N équations du type de l'équation (4). Ce type de procédure rend le procédé beaucoup plus efficace et plus précis ce qui suppose toutefois tout d'abord l'évaluation d'un jeu de N courants de batterie. La figure 3 montre à titre d'exemple le procédé pour trois

courants (intensité) différents.

s Pour l'étape (j+l) on évalue tout d'abord trois intensités

dans l'hypothèse que l'on connat l'intensité à l'étape 0).

IBij+l,pl = Fl(IBij) Isi;+l,p2 = F2(Isi;) (7) IBij+l,P3 = F3(IBij)

Puis on calcule un jeu de tensions de batterie pour les va-

leurs d'intensité différentes en s'appuyant chaque fois sur l'équation (4) .

La plage résistance interne (Rij,1. 3) valable pour la plage des s intensités comprises entre (Isi;), (IBL4+1,P1...3), est obtenue comme valeur moyenne à partir des résistances pour les intensités (Isi;) et (Isi;+l,p..3) à partir d'une matrice de valeurs de réserve, pour l'intensité, la température

de batterie (T) et l'état de charge (Qij,1...3). Le gradient de tension (dU-

si;+,l...3/dt) est également obtenu à partir d'un champ de caractéristiques o pour la température de batterie, le courant et l'état de charge. Suivant la

précision requise pour le procédé on peut renoncer au gradient de tempé-

rature (dUsIj+,l...3/dt).

Une possibilité de l'évaluation de l'intensité et de la tension est la suivante: s A partir des trois paires de valeurs calculées (Usi;+l,pl.. 3, Isi;+l,pl. 3), par le procédé des moindres carrés on calcule une courbe de régression appropriée Isi;+l,p=f(Usi;+,p). La valeur de l'intensité (Isi;+l) se calcule alors avec (IBij+l=f(UBii+l)). La valeur (UBY+1) résulte de la valeur mesurée (UBij+l,M) de la manière la plus simple par une équation mais de la manière la plus intéressante on filtre préalablement la valeur UBij+ I,M) Par rapport au procédé connus pour déterminer l'état de

charge d'une batterie de démarrage d'un véhicule automobile, les avanta-

ges sont que la détermination de cet état de charge à chaque instant, ss c'est-à-dire pendant l'évolution chronologique, ne se fait que seulement pendant la phase de décharge critique pour le véhicule. Cela simplifie considérablement le procédé et fait l'économie d'une mesure compliquée

et/ou imprécise du courant de batterie.

Le gain en charge pendant la phase non critique de la batte-

rie pour l'alimentation électrique du véhicule est indiqué au contraire

comme valeur intégrale chaque fois à la fin de cette opération.

Pour déterminer l'intégrale de cette prise de charge on uti s lise des matrices de valeur de réserve à plusieurs dimensions ou des équations mathématiques, empiriques, normalisées suivant la capacité de

la batterie et dont les variables représentent dans les deux cas les gran-

deurs état de charge au début de la charge, température de l'électrolyte ou de la batterie et l'intervalle de charge. La tension de charge peut également

o étre prise en compte.

Pour saisir l'évolution du courant de charge en fonction du temps, contrairement à la phase de charge, et ainsi l'état de charge en fonction du temps, le procédé selon l'invention est un procédé itératif qui n'a besoin que des grandeurs de mesure suivantes: tension de s l'accumulateur, température de l'accumulateur et état de charge connu à partir de la phase de charge. En plus, le procédé s'appuie sur des champs

de caractéristiques enregistrés ou sur des valeurs définies par une équa-

tion empirique pour la résistance interne de l'accumulateur et la tension de repos en fonction de la température de l'accumulateur, par exemple la température de l'électrolyte, du courant actuel évalué ou calculé au cours de la dernière étape d'itération ainsi que du contenu de charge déterminé selon le méme procédé. A chaque étape d'itération évoluant de At sur l'axe

du temps, à l'aide des intensités dans l'accumulateur, tout d'abord éva-

luées, on détermine les paramètres (R) et (Uo) à l'aide desquels on calcule 2s la nouvelle tension prévisible (UB,P) de l'accumulateur. Lorsque la précision est suffisante, on utilise l'intensité ainsi obtenue et la variation d'état de

charge pour calculer la nouvelle charge.

A la fin de la phase de décharge, au moment du passage de l'intensité par zéro entre la plage de décharge et la plage de charge on o contrôle et on corrige l'état de charge ainsi obtenu. La tension d'accumulateur obtenue à cet instant pour la température connue de l'accumulateur est utilisée comme mesure de l'état de charge. A côté de ce contrôle cyclique de l'état de charge chaque fois obtenu par une mesure de tension et par son exploitation à l'instant de la commutation de la phase

3s de décharge à la phase de charge, on a une remise à l'état initial du sys-

tème à l'intérieur de la phase dite de repos lorsque le moteur à combus-

tion interne est coupé.

REVE N D I CATI O N S

1 ) Procédé pour déterminer l'état de charge d'aecumulateurs par la me-

sure de leur tension et la comparaison de la tension à des champs de ca-

ractéristiques prédéterminés, caractérisé en ee que dans chaque phase de charge on détermine la tension d'accumulateur UBi, le temps de charge tLi et par comparaison avec la caractéristique Qi = f(SOC,tL, UB) on détermine l'augmentation de la charge, dans une phase de décharge suivante on mesure la tension o d'accumulateur UBi à certains intervalles de temps, à partir de la tension d'accumulateur UBj; au début d'un intervalle de temps, à l'aide d'une valeur d'intensité supposée (Isi;) on détermine une valeur de tension d'accumulateur Usij+ à la fin de l'intervalle de temps par comparaison avec des champs de caractéristiques UB = f(Is, Ri, SOC) et

s à partir de la déviation de la valeur ainsi obtenue pour UB j+T et de la ten-

sion d'accumulateur effectivement mesurée à la fin de l'intervalle de temps, on détermine par itération une valeur d'intensité IBY+T, corrigée, et

à partir de cette valeur on calcule la perte de charge.

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que

pendant la phase de eharge et la phase de déeharge on mesure la tempé-

rature T de l'aeeumulateur et on eompare à des champs de caractéristi-

ques qui contiennent la température d'accumulateur T comme variable

s supplémentaire.

3 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,

caractérisé en ce que pour déterminer la valeur de la tension d'accumulateur Usi;+ on tient so compte de la chute de tension de l'accumulateur pendant l'intervalle de temps.

4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce qu' s on détermine la valeur initiale de SOC par la mesure de la tension UEL de

l'accumulateur au passage de la décharge à la charge à partir de la fonc-

tion SOC = f(UEL, T).

) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on remplace les champs de caractéristiques par des équations polynoma

les qui en sont déduites.

s 6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'accumulateur est un accumulateur au plomb et acide.

lo 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'