FR2942882A1

FR2942882A1 - Procede pour determiner l'etat de charge d'une source electrochimique pour la traction electrique de vehicules

Info

Publication number: FR2942882A1
Application number: FR0951459A
Authority: FR
Inventors: Denis Porcellato; Eric Gimet
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-10
Also published as: EP2406647A1; WO2010103216A1

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé d'estimation de la force électromotrice à l'équilibre (Fem ) d'une batterie, basé sur des données relatives à l'évolution dans le temps de la tension à vide aux bornes d'une telle batterie en cours de relaxation. Ces données peuvent être obtenues par des essais préliminaires sur une telle batterie, dans différentes conditions de température. La présente invention a également pour objet un procédé d'estimation de l'état de charge (SOC) d'une batterie, en fonction de la force électromotrice à l'équilibre. Cette estimation de l'état de charge est basée sur des données relatives à la correspondance d'un état de charge défini et d'une force électromotrice à l'équilibre définie, pour une température donnée. Ces données peuvent être obtenues par des essais préliminaires sur une telle batterie, dans différentes conditions de température.

Description

Procédé pour déterminer l'état de charge d'une source électrochimique pour la traction électrique de véhicules

La présente invention se rapporte à un procédé pour évaluer la force électromotrice à l'équilibre d'une source électrochimique d'énergie, plus particulièrement d'une batterie. Une telle source électrochimique d'énergie est par exemple destinée à la traction électrique. Cette invention concerne notamment le domaine de l'automobile. La présente invention concerne plus précisément le domaine des véhicules comportant un moyen de traction électrique. Il peut s'agir de véhicules électriques ou encore de véhicules hybrides, c'est-à-dire de véhicules faisant appel à plusieurs sources d'énergie distinctes pour se déplacer. La présente invention peut concerner tous les types de stockage électrochimique d'énergie. La source d'énergie peut notamment être une batterie d'accumulateurs, par exemple de type Lithium-ion, Ni-MH ou Ni-Zn. Le contexte énergétique actuel a favorisé l'essor industriel des véhicules électriques et hybrides. La source électrochimique d'énergie, comme la batterie ou le supercondensateur, représente un élément coûteux de ce type de véhicule. L'état de charge est un paramètre essentiel dans la gestion électronique d'une batterie. L'état de charge, ou SOC pour State of Charge, représente le rapport de la quantité d'énergie contenue dans la batterie et de la quantité d'énergie dans une telle batterie pleinement chargée. Il est généralement exprimé en pourcentages. Par exemple, pour une batterie pleinement chargée, SOC = 100%. Pour une batterie totalement déchargée, SOC = 0%. Plus l'état de charge est estimé précisément, plus la batterie est exploitée au mieux de ses performances tout en maximisant sa durée de vie. Il existe différentes méthodes de détermination de l'état de charge d'une batterie en cours de fonctionnement. Une méthode connue consiste à effectuer, en fonction du temps, l'intégration de l'intensité du courant traversant la batterie. Il peut s'agir d'un courant de charge ou d'un courant de décharge. La fiabilité d'une telle méthode est cependant décroissante en fonction 35 du temps, en raison notamment des imprécisions de mesure du courant. On constate donc une dérive au cours du temps entre l'état de charge estimé et sa valeur réelle. Dans la plupart des technologies de batterie, les périodes de charge et/ou de décharge de la batterie sont séparées par des périodes de relaxation, au cours desquelles la batterie n'est pas traversée par un courant. Au bout d'un certain temps de relaxation, la batterie atteint un état d'équilibre. Il est alors possible de mesurer la tension à vide de la batterie, qui correspond à sa force électromotrice à l'équilibre. Or, chaque force électromotrice à l'équilibre correspond à un état de charge précis, pour chaque type de batterie. La mesure de la force électromotrice à l'équilibre, durant les périodes de relaxation, permet de recaler régulièrement l'estimation de l'état de charge par intégration du courant en fonction du temps. Lorsque la batterie est traversée par un courant, ses électrodes subissent une polarisation. Selon le type de batterie, un temps de relaxation de plusieurs minutes à plusieurs heures est nécessaire pour atteindre l'état d'équilibre. Le temps de relaxation nécessaire pour atteindre l'état d'équilibre dépend du degré de polarisation des électrodes. Ce degré de polarisation dépend lui-même notamment de l'intensité du courant ayant précédemment traversé la batterie, ainsi que de la durée d'application de ce courant. Toute détermination de la force électromotrice hors équilibre affecte la précision de l'estimation de l'état de charge. De plus, notamment dans le cas des véhicules hybrides, les périodes de relaxation de la batterie peuvent être trop courtes pour atteindre l'état d'équilibre. Il n'est donc pas possible de recaler l'estimation de l'état de charge lors des périodes de relaxation. La présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes, au moyen d'un procédé d'estimation de la force électromotrice à l'équilibre d'une batterie, sans que ladite batterie n'ait atteint un état d'équilibre. Cette estimation s'effectue notamment à partir de mesures de la tension aux bornes de la batterie, lors de périodes de relaxation. Une telle estimation de la force électromotrice à l'équilibre permet une estimation fiable de l'état de charge de la batterie lors des périodes de relaxation, même si lesdites périodes sont trop courtes pour que la batterie atteigne un état d'équilibre. La présente invention a donc pour objet un procédé d'estimation de la force électromotrice à l'équilibre d'une batterie, basé sur des données relatives à l'évolution dans le temps de la tension à vide aux bornes d'une telle batterie en cours de relaxation. Ces données peuvent être obtenues par des essais préliminaires sur une telle batterie, dans différentes conditions de température. La présente invention a également pour objet un procédé d'estimation de l'état de charge d'une batterie, en fonction de la force électromotrice à l'équilibre. Cette estimation de l'état de charge est basée sur des données relatives à la correspondance d'un état de charge défini et d'une force électromotrice à l'équilibre définie, pour une température donnée. Ces données peuvent être obtenues par des essais préliminaires sur une telle batterie, dans différentes conditions de température. Un tel procédé est facile à appliquer à la plupart des véhicules possédant une batterie comme source d'énergie électrique. Ce procédé est particulièrement avantageux dans le cas des véhicules hybrides, puisqu'il permet de résoudre des problèmes empêchant l'application de procédés connus d'estimation de l'état de charge. La présente invention se rapporte donc à un procédé d'évaluation de la force électromotrice à l'équilibre d'une batterie pour la traction électrique, comportant les étapes suivantes : - mesure de l'intensité (I(ti)) d'un courant traversant la batterie (3), à plusieurs instants (ti) successifs ; - si l'intensité (I(t;)) mesurée à un instant t; est nulle, mesure de la tension (U(t1)) à vide aux bornes de la batterie (3) à un instant t1 tel que t1?ti , - mesure de la tension (U(t2)) à vide aux bornes de la batterie (3), à un instant t2 tel que l'intensité (I(t)) est nulle entre t1 et t2 ; - mesure de la température (T(t;)) de la batterie (3) ; - calcul d'une valeur p(t1,t2) en fonction de (U(t1)), (U(t2)), t1 et t2 ; - détermination d'une force électromotrice à l'équilibre (Femeq(ti)) de la batterie (3) pour une période de relaxation, en fonction de p(t1,t2) et de U(t;) avec t,<_t;<t2, ladite force électromotrice à l'équilibre étant estimée à la température (T(ti)). Selon une forme préférentielle de l'invention, la force électromotrice à l'équilibre (Femeq(t;)) est estimée en tenant compte du signe de l'intensité (I(t;_ 1)), mesurée à un instant t;_1 tel que l'intensité (I(t)) passe d'une valeur non nulle à une valeur nulle entre t;_1 et t;. La présente invention se rapporte également à un procédé comportant en outre une étape de détermination d'un état de charge (SOC(t;)) de la batterie (3), en fonction de la force électromotrice à l'équilibre (Femeq(ti)), ledit état de charge étant estimé à la température (T(t;)). La présente invention se rapporte également à un procédé tel que, lorsque l'intensité (I(ti)) est non nulle, l'état de charge (SOC(ti)) est évalué par intégration du courant, à partir de l'état de charge (SOC(t;)) estimé à la dernière période de relaxation observée.

La présente invention se rapporte également à un dispositif de gestion d'une source électrochimique d'énergie pour la traction électrique, comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit ci-dessus. La présente invention se rapporte enfin à un véhicule équipé d'un tel dispositif. Selon une forme préférentielle de l'invention, ledit véhicule est un véhicule hybride, c'est-à-dire qu'il comporte une source d'énergie électrique ainsi qu'une source d'énergie d'une nature différente, par exemple un combustible à base d'hydrocarbures. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ceux-ci sont donnés à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1 : une représentation schématique d'un dispositif comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé selon une forme de l'invention. - Figure 2 : courbes d'évolution de la tension à vide aux bornes d'une batterie, en fonction d'une échelle logarithmique de temps. - Figure 3: courbes représentant une différence de forces électromotrices en fonction des pentes des courbes représentées à la figure 2.

La figure 1 représente un dispositif comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé selon une forme de l'invention. Le dispositif 1 comporte notamment un système 2 de gestion de batterie, ou BMS (Battery Management System). Le BMS 2 est relié à une batterie 3. Par l'intermédiaire d'une interface 12, le BMS 2 est notamment relié à des moyens 4 de mesure de la température de la batterie 3, à des moyens 5 de mesure de courant transitant dans la batterie 3 et à des moyens 6 de mesure d'une tension aux bornes de la batterie 3. De tels moyens 4, 5 et 6 de mesure sont présents dans des systèmes connus de l'état de la technique.

Le BMS 2 comporte un module 7 qui donne une base de temps. A un instant ti, le BMS 2 mémorise une famille de valeurs [I(ti), U(ti), T(ti)] représentant respectivement l'intensité traversant la batterie 3, la tension aux bornes de la batterie 3 et la température de la batterie 3 à l'instant ti. Le BMS 2 comprend un module 8, relié à une mémoire 9 de données.

La mémoire 9 mémorise la famille de valeurs [I(ti), U(ti), T(ti)] pour un certain nombre d'instants ti consécutifs. Aussi longtemps que l'intensité I(ti) est non nulle, le module 8 peut calculer l'état de charge de la batterie 3 par intégration du courant, par exemple selon la formule (I) suivante : (I) : SOC(ti) = SOCo ù [(f Idch/C dt) * 100)] + [(Spic-1C dt) * 100)]

telle que : - SOC(ti) = état de charge à l'instant ti - SOCo = état de charge à un instant initial to - C = quantité d'électricité dans la batterie pleinement chargée - f Idch dt = quantité d'électricité déchargée par la batterie entre to et ti - Spic dt = quantité d'électricité chargée par la batterie entre to et ti - p = rendement faradique de charge La mémoire 9 de données mémorise des courbes exprimant la force électromotrice à l'équilibre de batteries similaires à la batterie 3, en fonction de l'évolution au cours du temps de la force électromotrice (ou Fem) de ladite batterie en période de relaxation. Selon une forme de l'invention, des courbes distinctes sont établies selon que la période de relaxation suit un pulse de charge ou de décharge. Une courbe correspond à une température spécifique de la batterie 3. Ces courbes sont notamment obtenues par mesures lors d'essais sur banc de batteries similaires à la batterie 3. Une méthode d'établissement de telles courbes sera détaillée ci-après. Lorsqu'à un instant t;, la batterie 3 se trouve en état de relaxation, le moyen 5 mesure I(t;) = O. Le moyen 6 mesure alors la tension aux bornes de la batterie 3 à deux instants successifs t1 et t2, tels que t1>_t; et que l'intensité traversant la batterie 3 reste nulle entre t1 et t2.

Lorsque la batterie 3 est en état de relaxation, la tension U à ses bornes est égale à sa force électromotrice. A partir des valeurs U(t1), U(t2), t1 et t2, le module 8 peut calculer la pente p(t1, t2) d'une courbe d'évolution de la force électromotrice de la batterie 3 en fonction d'une échelle logarithmique de temps, selon la formule (II) suivante : (II) : p(ti, t2) = [U(t2) - U(ti)]/(log t2 ù log ti) Pour appliquer la formule (II), il convient de considérer comme instant initial le début de la période de relaxation. On peut notamment considérer t; comme instant initial, avec par exemple t1 = t; + 1 seconde et t2 = t; + 5 secondes. Si t; est considéré comme l'instant initial pour la formule (II), il est avantageux de choisir t1 différent de t;, afin de ne pas avoir log t1 = log O. Plus précisément, il est avantageux de choisir t1 t; + l s (si l'unité de temps choisie est la seconde) pour avoir log t1 O. Le choix de t2 dépend notamment de la durée des périodes de relaxation sur le type de batterie 3 considéré. La période de relaxation doit en effet être égale ou supérieure à la durée entre t; et t2. La mémoire 9 mémorise des courbes AV = f(p), telles que AV correspond à la valeur absolue de la différence entre la force électromotrice à l'équilibre (Femeq) d'une batterie similaire à la batterie 3 et sa Fem, ou tension à vide, à un moment donné en début de relaxation. La variable p représente la pente d'une courbe décrite ci-dessus, telle que calculée selon la formule (II).

On a par exemple établi les courbes AV = 1 Femeq û U(t1) avec ti = 1s. Chaque courbe AV = f(p) correspond à une température T particulière de la batterie 3. Préférentiellement, des courbes distinctes sont établies selon que la période de relaxation suit un pulse de charge ou de décharge.

Ayant calculé la valeur p à partir des valeurs U(t1), U(t2), t1 et t2, le module 8 se réfère à la courbe AV = f(p) appropriée selon la température T(t;) mesurée par le moyen 4. Préférentiellement, la courbe appropriée dépend également du signe de l'intensité 1(t;_1), t;_1 étant l'instant précédant t; auquel une valeur non nulle de I a été mesurée. Plus précisément, la courbe appropriée est différente selon que la période de relaxation suit un pulse de charge ou un pulse de décharge. Ayant déterminé la courbe appropriée, le module 8 détermine Femeq(ti) en fonction de p(t1, t2) et de U(t1). Le module 8 peut alors déterminer l'état de charge SOC(t;) en fonction de Femeq(ti) et de T(t;), en fonction de courbes Femeq = f(SOC) établies à différentes températures T. Ces courbes sont notamment obtenues par mesures lors d'essais sur banc de batteries similaires à la batterie 3, comme détaillé ci-après. Par l'intermédiaire d'une interface 13, les valeurs SOC(t;) et/ou Femeq(ti) peuvent être communiquées par le BMS 2 à un superviseur 10 de la batterie 3. A tout moment, l'une ou l'autre de ces valeurs peut être accessible à un utilisateur par l'intermédiaire d'une prise diagnostic 11. A un instant tk, le moyen 5 mesure une intensité I(tk) non nulle, c'est-à-dire que la période de relaxation a pris fin. Le module 8 peut alors mesurer les nouveaux états de charge successifs par intégration du courant, par exemple selon la formule (I) ci-dessus. Le module 8 considère alors SOC° = SOC(t;) dans la formule (I). La méthode de détermination de l'état de charge en période de relaxation permet donc de recaler le calcul de l'état de charge hors période de relaxation.

La figure 2 représente des courbes d'évolution de la tension à vide aux bornes d'une batterie 3, en fonction d'une échelle logarithmique de temps, soient des courbes Fem = f(log t). Les mesures suivent l'application de pulses de décharge de différentes durées. Plus le pulse est long, plus la polarisation est importante aux bornes de la batterie 3. Ces courbes ont été établies à une même température T de la batterie 3, lors d'essais sur banc. Lors de ces essais, on adopte par exemple un état de charge initial de 50%. Durant les premières secondes de relaxation, on constate que l'évolution de la tension à vide est quasiment linéaire sur une échelle logarithmique de temps. Plus la polarisation est importante, plus la pente p de la courbe est élevée. Les courbes évoluent vers une valeur représentant la force électromotrice à l'équilibre Femeq. Cette valeur est différente en fonction de la courbe, c'est-à-dire en fonction du niveau de polarisation des bornes de la batterie 3. Ces courbes permettent d'établir une courbe AV = f(p), telle que AV = Femeq û Fem(ti) avec par exemple t1 = 1s. Une telle courbe, qui correspond à une température T donnée, est représentée à la figure 3. On constate que cette courbe est quasiment linéaire.

Une autre courbe AV = f(p), correspondant à la relaxation après un pulse de charge à une température T donnée, peut être établie dans des conditions similaires. Une telle courbe est également représentée à la figure 3. On constate que cette courbe est quasiment linéaire. On constate en outre que la courbe AV = f(p) pour un pulse de charge est distincte de la courbe AV = f(p) pour un pulse de décharge. La mémorisation de ces courbes dans la mémoire 9 de données permet la détermination de Femeq(ti) en période de relaxation de la batterie 3, comme décrit précédemment. Préférentiellement, les courbes AV = f(p) sont établies pour plusieurs températures T, réparties dans une plage de températures dans laquelle est supposée évoluer la température de la batterie 3. Par exemple, les courbes sont établies à des intervalles de 10 °C sur une plage [-30 °C ; 50 °C]. Pour chaque température T(t;) mesurée, telle que T(t;) est située entre deux températures de référence, on peut par exemple estimer Femeq(ti) en effectuant une moyenne pondérée des résultats donnés par deux courbes AV = f(p). Afin d'estimer l'état de charge SOC(t;) par rapport à Femeq(ti), il convient d'établir des courbes Fem = f(SOC) à une température T donnée. On peut procéder de la manière suivante : On place la batterie 3 dans une enceinte régulée à la température T, à un état de charge initial de 100%. On note sa Fem à l'équilibre. On lui applique alors un pulse de décharge pour l'amener à un SOC de 90%. On note sa Fem lorsque l'équilibre est atteint. On procède ainsi par paliers jusqu'à atteindre un état de charge de 0%. Comme pour la Fem à l'équilibre, on peut par exemple établir ces courbes à des intervalles de 10 °C sur une plage [-30 °C ; 50 °C]. Dans le cas de certaines technologies de batterie, les courbes Fem = f(SOC) sont légèrement différentes selon qu'on applique des pulses de charge à partir d'une batterie déchargée ou des pulses de décharge à partir d'une batterie chargée. Il est possible de mémoriser ces deux types de courbe dans la mémoire 9 et d'utiliser l'une ou l'autre de ces courbes selon le signe de 1(t;_1).

Claims

REVENDICATIONS1.- Procédé d'évaluation de la force électromotrice à l'équilibre d'une batterie (3) pour la traction électrique, comportant les étapes suivantes : - mesure de l'intensité (I(ti)) d'un courant traversant la batterie (3), à plusieurs instants (ti) successifs ; - si l'intensité (I(t;)) mesurée à un instant t; est nulle, mesure de la tension (U(t1)) à vide aux bornes de la batterie (3) à un instant t1 tel que tl?ti , - mesure de la tension (U(t2)) à vide aux bornes de la batterie (3), à un instant t2 tel que l'intensité (I(t)) est nulle entre t1 et t2 ; - mesure de la température (T(t;)) de la batterie (3) ; - calcul d'une valeur p(t1,t2) en fonction de (U(t1)), (U(t2)), t1 et t2 ; - détermination d'une force électromotrice à l'équilibre (Femeq(ti)) de la batterie (3) pour une période de relaxation, en fonction de p(t1,t2) et de U(ti) avec t,<_t;<t2, ladite force électromotrice à l'équilibre étant estimée à la température (T(ti)).
2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force électromotrice à l'équilibre (Femeq(ti)) est estimée en tenant compte du signe de l'intensité (I(t;_1)), mesurée à un instant t;_1 tel que l'intensité (I(t)) passe d'une valeur non nulle à une valeur nulle entre t;_1 et t;.
3.- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur p(t1, t2) se calcule selon la formule (II) suivante : (II) : p(ti, t2) _ [U(t2) - U(ti)]/(log t2 û log ti) telle que t; est considéré comme l'instant initial et que t1 > t;.
4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de détermination d'un état de charge (SOC(t;)) de la batterie (3), en fonction de la force électromotrice à l'équilibre (Femeq(ti)), ledit état de charge étant estimé à la température (T(t;)).
5. ù Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque l'intensité (I(ti)) est non nulle, l'état de charge (SOC(ti)) est évalué par intégration du courant, à partir de l'état de charge (SOC(t;)) estimé à la dernière période de relaxation observée.
6.- Dispositif de gestion d'une source électrochimique d'énergie pour la traction électrique, comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes. 10
7.- Véhicule équipé d'un dispositif selon la revendication 6.
8.- Véhicule selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un véhicule hybride.5