FR2952187A1

FR2952187A1 - Method for detecting power imbalance between elements or cells of battery of e.g. hybrid vehicle, involves calculating average dispersion of voltage of cells of battery and comparing average dispersion with predetermined imbalance threshold

Info

Publication number: FR2952187A1
Application number: FR0957690A
Authority: FR
Inventors: Sadok Garnit; Olivier Borry
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-05-06

Abstract

The method involves measuring an individual voltage of cells of a battery over a predetermined time. The individual average voltage of each cell is calculated, where the voltage is defined by a specific relationship comprising parameters such as individual voltage of the cell. A total average voltage is calculated from average voltages of the cells by using the specific relationship. An average dispersion of the voltage of the cells of the battery is calculated. The average dispersion is compared with a predetermined imbalance threshold.

Description

PROCEDE DE DETECTION DU DESEQUILIBRE ELECTRIQUE ENTRE LES ELEMENTS D'UNE BATTERIE METHOD FOR DETECTING THE ELECTRICAL BALANCE BETWEEN THE ELEMENTS OF A BATTERY

La présente invention se rapporte au domaine des batteries embarquées à bord de véhicules automobiles utilisant un mode de propulsion électrique. La présente invention s'applique aux véhicules hybrides ou intégralement électriques. The present invention relates to the field of batteries on board motor vehicles using an electric propulsion mode. The present invention applies to hybrid or fully electric vehicles.

L'invention est plus particulièrement adaptée aux batteries composées de plusieurs éléments, modules ou cellules. Un des paramètres très importants d'une batterie destinée à un véhicule automobile est sa durée de vie. On sait que les caractéristiques physiques d'une batterie évoluent au cours du temps. En particulier, son aptitude à accumuler et délivrer des charges électriques diminue irrémédiablement jusqu'à entraîner une baisse notable des performances du véhicule, le rendant finalement inutilisable. Lorsqu'une batterie est constituée de plusieurs éléments, communément appelés « cellules », ce qui est le cas de la quasi-totalité des batteries équipant les véhicules électriques, l'un des paramètres influant sur la performance est le déséquilibre des charges / tensions entre les différents modules ou cellules constituant la batterie. La détection d'un déséquilibre entre cellules/modules d'une batterie permet de procéder à l'équilibrage de cette dernière, d'utiliser efficacement la batterie et d'éviter l'accélération de son vieillissement. The invention is more particularly adapted to batteries composed of several elements, modules or cells. One of the very important parameters of a battery intended for a motor vehicle is its lifetime. We know that the physical characteristics of a battery evolve over time. In particular, its ability to accumulate and deliver electric charges irrecoverably decreases until a significant decrease in performance of the vehicle, ultimately rendering it unusable. When a battery is made up of several elements, commonly called "cells", which is the case of almost all the batteries equipping the electric vehicles, one of the parameters influencing the performance is the imbalance of the charges / tensions between the different modules or cells constituting the battery. The detection of an imbalance between cells / modules of a battery makes it possible to balance the latter, to use the battery efficiently and to avoid the acceleration of its aging.

En effet, la puissance ou l'énergie que peut délivrer une batterie est fonction de l'état d'équilibre entre ces éléments et des conditions de fonctionnement. Ainsi, pour chaque cellule ou module, sa capacité varie avec la température et l'usage. Quand il existe des différences de capacité entre les cellules/modules d'une même batterie, elle est dite déséquilibrée. Sachant que c'est la cellule la plus faible qui conditionne la capacité totale de la batterie, on comprend donc qu'un fort déséquilibre affecte considérablement les performances d'une batterie. Le meilleur indicateur de la capacité individuelle des cellules ou des modules est la tension individuelle de ces éléments. Actuellement, le déséquilibre d'une batterie n'est pas détecté lors du fonctionnement des véhicules. Les procédures d'équilibrage de batterie, lorsqu'elles sont prévues, sont généralement effectuées lors des recharges complètes de cette dernière. Pourtant, connaître l'état d'équilibre de la batterie d'un véhicule en marche présente un grand intérêt : sa détection permanente ou à intervalles réguliers permettrait en effet d'en informer l'utilisateur et/ou le calculateur véhicule dans le but de mettre en oeuvre des procédures adéquates aux moments opportuns (par exemple lors de recharge, lors d'un arrêt prolongé,...). A cette fin, il est nécessaire de disposer d'un indicateur fiable pour détecter le déséquilibre d'une batterie. On connaît du document FR 2 776 139 un calcul permettant de rétablir l'équilibre d'une batterie composée d'une pluralité de cellules. La méthode de calcul divulguée par ce document consiste simplement, à un instant donné, à comparer la tension moyenne des cellules à la tension réelle de chaque cellule. Ainsi, les inégalités de tension entre les cellules peuvent être éliminées en déchargeant celles ayant une tension supérieure à la tension moyenne. Cette méthode de calcul présente l'inconvénient d'être relativement imprécise si l'on souhaite exploiter l'information sur l'équilibre de la batterie sans systématiquement rééquilibrer la batterie, par exemple pour en informer le conducteur. En effet, en comparant simplement la tension individuelle d'une cellule à la tension moyenne de l'ensemble des cellules, on n'obtient pas d'information sur l'état de déséquilibre général de la batterie. Indeed, the power or energy that can deliver a battery is a function of the equilibrium state between these elements and operating conditions. Thus, for each cell or module, its capacity varies with temperature and use. When there are capacity differences between the cells / modules of the same battery, it is said to be unbalanced. Knowing that it is the weakest cell that determines the total capacity of the battery, we understand that a strong imbalance significantly affects the performance of a battery. The best indicator of the individual capacity of cells or modules is the individual voltage of these elements. Currently, the imbalance of a battery is not detected during operation of the vehicles. Battery balancing procedures, when provided, are usually performed during full recharges of the battery. However, knowing the equilibrium state of the battery of a vehicle running is of great interest: its permanent detection or at regular intervals would indeed inform the user and / or the vehicle calculator for the purpose of implement appropriate procedures at the appropriate times (for example when recharging, during an extended stop, etc.). To this end, it is necessary to have a reliable indicator to detect the imbalance of a battery. Document FR 2 776 139 discloses a calculation making it possible to restore the equilibrium of a battery composed of a plurality of cells. The calculation method disclosed by this document simply consists, at a given instant, in comparing the mean voltage of the cells with the actual voltage of each cell. Thus, the voltage inequalities between the cells can be eliminated by discharging those having a voltage higher than the average voltage. This method of calculation has the disadvantage of being relatively imprecise if one wishes to exploit the information on the balance of the battery without systematically rebalance the battery, for example to inform the driver. Indeed, by simply comparing the individual voltage of a cell to the average voltage of all the cells, information on the state of general imbalance of the battery is not obtained.

L'objet de l'invention est de proposer une méthode pour détecter l'état de déséquilibre d'une batterie composée de plusieurs modules/cellules qui puisse fournir une estimation fiable et précise de l'état d'équilibre général de la batterie. Ainsi, l'invention concerne un procédé de détection du déséquilibre électrique entre les éléments, ou cellules, d'une batterie, la batterie comprenant une pluralité de cellules rechargeables connectées en série, comprenant les étapes suivantes : - mesure, répétée m fois sur une durée prédéterminée, de la tension individuelle U; de chaque cellule i ; - calcul de la tension moyenne Uimoy individuelle de chaque cellule i, cette tension étant définie par la formule : Umoy = 1 .LU.(J) m ; - calcul d'une tension moyenne Umoy globale à partir des tensions moyennes de l'ensemble des n cellules de la batterie, cette tension moyenne Umoy étant égale à : The object of the invention is to propose a method for detecting the unbalance state of a battery composed of several modules / cells that can provide a reliable and accurate estimate of the general equilibrium state of the battery. Thus, the invention relates to a method for detecting the electrical imbalance between the elements, or cells, of a battery, the battery comprising a plurality of rechargeable cells connected in series, comprising the following steps: - measurement, repeated m times on a predetermined duration of the individual voltage U; each cell i; calculating the average individual voltage Uimoy of each cell i, this voltage being defined by the formula: Umoy = 1 .LU. (J) m; calculating a global mean voltage Umoy from the average voltages of all the n cells of the battery, this average voltage Umoy being equal to:

Umoy =ù L Uimoy E (Ji (/ ) n n.m - calcul d'une dispersion moyenne A de la tension des cellules de la batterie ; Umoy = ù L Uimoy E (Ji (/) n n.m - calculation of a mean dispersion A of the voltage of the cells of the battery;

- comparaison de la dispersion moyenne A à un seuil de déséquilibre V prédéterminé. comparing the average dispersion A with a predetermined unbalance threshold V.

Dans une réalisation, la dispersion moyenne A est égale à l'écart maximal des tensions moyennes des cellules, et définie par la formule : A = Max(Umoy ùUmoy) = MaxUmoy ùMinUmoy Dans une réalisation, la dispersion moyenne A est égale à deux fois l'écart type des tensions moyennes de chaque cellule, et définie par la formule suivante : 2 (un,' oy ù Umoy n Dans une réalisation, le seuil de déséquilibre est préalablement cartographié. Dans une réalisation, le seuil de déséquilibre V est préalablement cartographié en fonction de l'état de charge de la batterie et de la tension 20 d'équilibrage de la batterie. Dans une réalisation, lors de la phase de cartographie préalable, le seuil de déséquilibre N' est calculé selon une méthode identique à celle du calcul de la dispersion moyenne A des tensions des cellules. Dans une réalisation, la comparaison des valeurs de la dispersion 25 moyenne A de la tension des cellules et du seuil de déséquilibre N' est obtenue par calcul du rapport égal à A/Y . Dans une réalisation, l'état de la batterie est dit : - équilibré si le rapport A/Y est inférieur à 1 ; - proche du déséquilibre si le rapport A/Y est compris entre 1 et 1+c, c 30 étant un paramètre prédéfini représentant l'écart maximal de déséquilibre autorisé ; - déséquilibré si le rapport A/Y est supérieur à 1+c. Dans une réalisation, l'information sur l'état de déséquilibre de la batterie est transmise au conducteur et/ou au calculateur du véhicule. L'invention concerne également un véhicule à propulsion électrique intégrale ou hybride, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, description faite en référence aux figures annexées, figures parmi lesquelles : - la figure 1 montre un exemple de mesure de la tension individuelle d'une cellule, mesure réalisée conformément à l'invention ; - les figures 2, 3 et 4 montrent un exemple de la cartographie utilisée dans le cadre de l'invention pour déterminer l'état d'équilibre d'une batterie. In one embodiment, the average dispersion A is equal to the maximum difference of the average voltages of the cells, and defined by the formula: A = Max (Umoy ùUmoy) = MaxUmoy ùMinUmoy In one embodiment, the average dispersion A is equal to twice the standard deviation of the average voltages of each cell, and defined by the following formula: ## EQU1 ## In one embodiment, the unbalance threshold is mapped beforehand In one embodiment, the unbalance threshold V is previously Mapped according to the state of charge of the battery and the battery balancing voltage In an embodiment, during the pre-mapping phase, the unbalance threshold N 'is calculated according to a method identical to that In one embodiment, the comparison of the values of the average dispersion A of the cell voltage and the unbalance threshold N 'is obtained. e by calculating the ratio equal to A / Y. In one embodiment, the state of the battery is said to be: - balanced if the ratio A / Y is less than 1; - close to the imbalance if the ratio A / Y is between 1 and 1 + c, c 30 being a predefined parameter representing the maximum difference of imbalance allowed; - unbalanced if the ratio A / Y is greater than 1 + c. In one embodiment, the information on the state of imbalance of the battery is transmitted to the driver and / or the vehicle computer. The invention also relates to a vehicle with integral or hybrid electric propulsion, implementing the method according to one of the preceding claims. The invention will be better understood on reading the detailed description which follows, description made with reference to the appended figures, in which: FIG. 1 shows an example of measurement of the individual voltage of a cell, measurement carried out in accordance with FIG. the invention; FIGS. 2, 3 and 4 show an example of the mapping used in the context of the invention to determine the equilibrium state of a battery.

Pour mettre en oeuvre l'invention, on utilise, de préférence, les phases pendant lesquelles le courant appliqué à la batterie est nul, pour évaluer l'état de déséquilibre entre les modules ou les cellules. Pour chaque cellule, comme montré sur la figure 1, la tension moyenne est calculée sur une période de mesure après un temps de relaxation ou de stabilisation de la mesure. Ce temps de relaxation est variable selon la technologie de batterie utilisée (de plusieurs secondes à plusieurs dizaines de secondes). On notera, pour une cellule i, la moyenne de la tension sur la fenêtre de mesure : Uimoy . Cette tension moyenne est définie par la formule suivante : (Ji" = 1 (Ji" .LUi(/) m Où m représente le nombre d'acquisitions durant la période de mesures et Ui(i) est l'acquisition de tension de la cellule i à l'instant j. A partir des mesures des moyennes des cellules, on calcule une tension moyenne globale : Umoy 1 1 E U moy E Ui (/ ) n n.m Où n est le nombre des cellules et m est le nombre des mesures effectuées dans la fenêtre de temps allouée (période de mesure). 30 Les calculs des moyennes des cellules serviront pour calculer une dispersion moyenne sur l'ensemble des cellules/modules de la batterie : A= Max(Umoy ù Umoy) = MaxUmoy ù Min Umoy A : Écart maximal des moyennes des cellules. Une deuxième définition peut-être donnée à cet écart A . En effet, la dispersion moyenne des tensions de cellules peut-être assimilée à deux fois l'écart type de toutes les acquisitions de tension de cellules : T rz z v m,ùun,,) n Cette grandeur o sera comparée à un seuil de déséquilibre dépendant de l'état de charge de la batterie. On notera Y le seuil de déséquilibre, cartographié préalablement. Cette grandeur N' dépend à priori de deux paramètres : l'état de charge de la batterie et la tension d'équilibrage de la batterie. Trois cas de figure se présentent : In order to implement the invention, the phases during which the current applied to the battery is zero are preferably used to evaluate the state of imbalance between the modules or the cells. For each cell, as shown in FIG. 1, the average voltage is calculated over a measurement period after a relaxation or stabilization time of the measurement. This relaxation time is variable depending on the battery technology used (from several seconds to several tens of seconds). Note for a cell i, the average of the voltage on the measurement window: Uimoy. This average voltage is defined by the following formula: ## EQU1 ## where m represents the number of acquisitions during the measurement period and U i (i) is the voltage acquisition of the cell i at time j From cell average measurements, we calculate a global average voltage: Umoy 1 1 EU mean E Ui (/) n nm Where n is the number of cells and m is the number of measurements performed in the allocated time window (measurement period) The averages calculations of the cells will be used to calculate an average dispersion over all the cells / modules of the battery: A = Max (Umoy ù Umoy) = MaxUmoy ù Min Umoy A: Maximum deviation of cell averages A second definition can be given to this difference A. Indeed, the average dispersion of cell voltages can be equated to twice the standard deviation of all voltage acquisitions of cells: T rz zvm, ùun ,,) n This magnitude o will be compared to a threshold d e imbalance depending on the state of charge of the battery. Note the unbalance threshold, previously mapped. This quantity N 'depends on a priori two parameters: the state of charge of the battery and the balance voltage of the battery. There are three scenarios:

1. Cas 1 : L'équilibrage de la batterie a été effectué à forte charge (état de charge d'équilibrage, ou « SOC(Uéqui) », proche de 100%). Dans ce cas le déséquilibrage entre les cellules/modules de la batterie est normalement plus accentué à faible SOC (cf. Figure 2). 1. Case 1: Battery balancing was carried out at high load (balancing state of charge, or "SOC (UQUI)", close to 100%). In this case the imbalance between the cells / modules of the battery is normally more accentuated at low SOC (see Figure 2).

2. Cas 2: l'équilibrage de la batterie a été effectué à faible charge 2. Case 2: Battery balancing was performed at low load

(SOC(Uéqui) faible, par exemple environ 20%). Dans ce cas le déséquilibrage entre les cellules/modules de la batterie est normalement plus accentué à fort SOC (cf. Figure 3). (SOC (Uqui) low, for example about 20%). In this case the imbalance between the cells / modules of the battery is normally more accentuated with high SOC (see Figure 3).

3. Cas 3: l'équilibrage de la batterie a été effectué à une charge intermédiaire. Dans ce cas le déséquilibrage entre les cellules/modules 3. Case 3: Battery balancing was performed at an intermediate load. In this case the imbalance between the cells / modules

de la batterie s'accentue aux deux extrêmes de l'état de charge de la batterie (cf. Figure 4). the battery gets worse at both ends of the battery charge (see Figure 4).

A noter que la frontière entre les zones d'équilibre et de déséquilibre n'est pas forcément franche. Les deux zones peuvent être superposées dans une zone d'alerte permettant la transition entre les deux Note that the border between the zones of balance and imbalance is not necessarily straightforward. The two zones can be superimposed in an alert zone allowing the transition between the two

états de la batterie. states of the battery.

Une fois toutes les valeurs définies ci-dessus calculées, le test de détermination du déséquilibre d'une batterie consiste à calculer le rapport suivant, qui permet de déterminer l'état d'équilibre : 1: "Batterie équilibrée" s est l'écart maximal permis de déséquilibre. Cette information sur l'état d'équilibre électrique de la batterie est ensuite transmise d'une part à l'utilisateur, qui pourra ainsi déclencher la procédure adéquate, et d'autre part au calculateur véhicule, qui pourra faire évoluer certains paramètres en fonction du déséquilibre de la batterie afin de préserver sa durée de vie. On notera que la cartographie du seuil de déséquilibre N' doit être effectuée en respectant le même temps de stabilisation ou relaxation retenu pour le calcul deA. Pour cartographier N' il suffit de partir du point d'équilibrage de la batterie avec un écart correspondant au déséquilibre, puis mesurer l'évolution de ce déséquilibre à différents niveaux de SOC. La même méthode de calcul de A sera utilisée pour le calcul de N' . La définition adoptée de A conditionnera la méthode expérimentale pour cartographier le seuil N L'invention permet donc d'obtenir un état précis et fiable de l'état d'équilibre de la batterie. Exploitée par le conducteur ou directement par le calculateur batterie du véhicule, l'invention permet donc de : • Préserver la durée de vie de batterie • Exploiter une phase de vie du véhicule offrant une grande flexibilité en temps • Diminuer le coût à l'usage de la batterie en préservant sa durée de vie En outre, l'invention s'avère très facile à mettre en oeuvre sur les véhicules existants ou non étant donné qu'il suffit d'implémenter dans le calculateur batterie du véhicule un programme mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. La connaissance de l'état d'équilibre de la batterie est une information essentielle pour une utilisation optimale de cette dernière. Cette invention pourra toujours être appliquée à un véhicule électrique ou hybride pour disposer d'un indicateur de déséquilibre de la batterie. Cependant, cette fonction pourra être intégrée dans le calculateur batterie et dans ce cas la fonction peut disparaître du périmètre véhicule. [1;1 + E 1: Alerte "Risque batterie déséquilibrée" 1 + s : "Batterie déséquilibrée" Once all the values defined above have been calculated, the test for determining the imbalance of a battery consists of calculating the following ratio, which makes it possible to determine the equilibrium state: 1: "Balanced battery" s is the difference maximum allowed imbalance. This information on the state of electrical equilibrium of the battery is then transmitted on the one hand to the user, who can thus trigger the appropriate procedure, and on the other hand to the vehicle calculator, which can change some parameters depending imbalance of the battery to preserve its life. It should be noted that the mapping of the unbalance threshold N 'must be carried out respecting the same stabilization or relaxation time used for the calculation of A. To map N 'it is sufficient to start from the equilibrium point of the battery with a gap corresponding to the imbalance, then to measure the evolution of this imbalance at different SOC levels. The same calculation method of A will be used for the calculation of N '. The adopted definition of A will condition the experimental method to map the threshold N The invention thus makes it possible to obtain a precise and reliable state of the equilibrium state of the battery. Operated by the driver or directly by the battery computer of the vehicle, the invention thus makes it possible to: • Preserve the battery life • Operate a phase of life of the vehicle offering great flexibility in time • Decrease the cost to use In addition, the invention proves very easy to implement on existing vehicles or not since it suffices to implement in the battery computer of the vehicle a program implementing the process according to the invention. Knowledge of the equilibrium state of the battery is essential information for optimal use of the battery. This invention can still be applied to an electric or hybrid vehicle to have an indicator of imbalance of the battery. However, this function can be integrated in the battery computer and in this case the function can disappear from the vehicle perimeter. [1; 1 + E 1: Warning "Unbalanced battery risk" 1 + s: "Unbalanced battery"

Claims

REVENDICATIONS1. A method for detecting the electrical imbalance between cells, or cells, of a battery, the battery comprising a plurality of rechargeable cells connected in series, comprising the steps of: measuring, repeated m times over a predetermined time, the individual voltage U; each cell i; calculating the average voltage Umoy individual of each cell i, this voltage being defined by the formula Umoy = 1 .LU. (/) m; calculating a global mean voltage Umoy from the average voltages of all the n cells of the battery, this average voltage Umoy being equal to: Umoy = ù = LU moy Ui (/) n nm Z, - calculation of an average dispersion A of the voltage of the cells of the battery, - comparison of the average dispersion A with a predetermined unbalance threshold V.

2. The method of claim 1, wherein the average dispersion A is equal to the maximum deviation of the average voltages of the cells, and defined by the formula: A = Max (Umoy û Umoy) = MaxUmoy ûMinUmoy

3. The process according to claim 1, wherein the average dispersion A is twice the standard deviation of the average voltages of each cell, and defined by the following formula: ## EQU1 ## one of claims 1 to 3, in which the unbalance threshold is mapped beforehand 5. The method according to claim 4, wherein the unbalance threshold N 'is previously mapped as a function of the state of charge of the battery and of the 6. The method according to claim 4 or 5, wherein, during the pre-mapping phase, the unbalance threshold N 'is calculated according to a method identical to that of the calculation of the average dispersion. 7. A method according to one of claims 1 to 6, wherein the comparison of the values of the average dispersion A of the cell voltage and the unbalance threshold N 'is obtained by calculating the r The method of claim 7, wherein the state of the battery is said to be: - balanced if the ratio A / W is less than 1; - close to the imbalance if the ratio A / W is between 1 and 1 + c, where c is a predefined parameter representing the maximum imbalance deviation allowed; - unbalanced if the A / W ratio is greater than 1 + c. 9. Method according to one of the preceding claims, wherein the information on the state of unbalance of the battery is transmitted to the driver and / or the vehicle computer. 10. Electric or hybrid electric propulsion vehicle, implementing the method according to one of the preceding claims.