FR2958044A1 - Electrochemical system e.g. lithium-ion battery, charge state and health state estimating method for motor vehicle i.e. car, involves determining charge and health states of electrochemical system by utilizing set of electric parameters - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé d'estimation de l'état de charge et de l'état de santé d'un système électrochimique Method for estimating the state of charge and state of health of an electrochemical system
Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des moyens de stockage d'énergie électrique et en particulier à l'estimation de l'état de charge, de l'état de santé d'un système électrochimique tel qu'une batterie. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of electrical energy storage means and in particular to the estimation of the state of charge, of the state of health of an electrochemical system such as a drums.
Arrière-plan technologique Les moyens de stockage d'énergie électrique occupent un rôle central grandissant au niveau d'un véhicule automobile puisqu'ils permettent d'assurer l'alimentation en courant de l'ensemble des consommateurs électriques du véhicule ou encore du moteur dans le cadre d'une chaine de traction hybride ou électrique. BACKGROUND TECHNOLOGY The means of storing electrical energy occupy a central role growing in a motor vehicle since they make it possible to ensure the power supply of all the electrical consumers of the vehicle or the engine in the frame of a hybrid or electric drivetrain.
Les besoins électriques de plus en plus grandissants du véhicule ainsi que l'usage de l'électricité comme source d'énergie pour alimenter la chaine de traction pour des véhicules hybrides ou électriques, nécessitent de connaitre précisément et en temps réel l'ensemble des indicateurs de performances de la batterie. The increasing electrical needs of the vehicle as well as the use of electricity as a source of energy to power the traction chain for hybrid or electric vehicles, require to know precisely and in real time all the indicators. performance of the battery.
Par indicateurs de performances nous entendons les grandeurs indispensables à la gestion de l'énergie au sein du véhicule qui vont permettre un usage sécurisé et optimisé du fonctionnement électrique du véhicule, à savoir : By performance indicators we mean the quantities essential to the management of energy within the vehicle that will allow a secure and optimized use of the electrical operation of the vehicle, namely:
-état de charge (« State Of Charge » ou SOC), -état de santé (« State Of Health » ou SOH), -puissance disponible. state of charge (SOC), state of health (SOH), power available.
Les caractéristiques physiques d'une batterie évoluent au cours du temps. Il s'ensuit alors une dégradation sur son aptitude à accumuler et délivrer du courant. Ce qui se traduit par une baisse de performance du véhicule lié à une perte de son rendement défavorable au bilan consommation du véhicule. Pire, une mauvaise détection du vieillissement, de l'état de charge ou la puissance disponible peut conduire à une immobilisation du véhicule dans le cas d'un véhicule hybride ou électrique, ou encore à des risques d'incendie ou d'explosion.35 Parallèlement à ces contraintes techniques, une mauvaise gestion de ces indicateurs conduit à des surcoûts à l'usage tant pour l'utilisateur (changement batterie) que pour le constructeur (garantie batterie). The physical characteristics of a battery evolve over time. It then follows a degradation on its ability to accumulate and deliver current. This results in a decline in vehicle performance linked to a loss of its performance that is unfavorable to the vehicle's fuel consumption. Worse, poor detection of aging, state of charge or available power can lead to immobilization of the vehicle in the case of a hybrid or electric vehicle, or to the risk of fire or explosion. In parallel with these technical constraints, poor management of these indicators leads to additional costs for use both for the user (battery change) and for the manufacturer (battery warranty).
On connait des procédés qui permettent à partir de mesures de tension d'évaluer de temps en temps le SOC ou le SOH, à des moments déterminés de fonctionnement du véhicule tel qu'une phase de repos. Cependant un tel procédé ne permet pas un bon suivi au cours du temps de ces indicateurs de performances. Processes are known which make it possible, from voltage measurements, to evaluate from time to time the SOC or the SOH, at determined moments of operation of the vehicle such as a rest phase. However, such a method does not allow a good monitoring over time of these performance indicators.
Il est connu du document US20020120906 de construire un modèle électrique à partir des équations électrochimiques d'une batterie et de l'indentification des paramètres dudit modèle. Un modèle de Randles est déduit du modèle électrique général. Cependant le document ne traite pas de la détermination des indicateurs de performances tels que le SOC, le SOH ou la puissance disponible. De plus, l'identification des paramètres électriques du modèle suppose plusieurs essais suivant plusieurs protocoles, ce qui n'est pas compatibles avec une utilisation réelle sur véhicule. It is known from US20020120906 to construct an electric model from the electrochemical equations of a battery and the identification of the parameters of said model. A model of Randles is deduced from the general electric model. However, the document does not address the determination of performance indicators such as SOC, SOH, or available power. In addition, the identification of the electrical parameters of the model assumes several tests according to several protocols, which is not compatible with actual use on the vehicle.
L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un nouveau procédé permettant un bon suivi temporel des indicateurs de performance d'un système électrochimique tel qu'une batterie. The invention aims to solve one or more of these disadvantages of the prior art by proposing a new method allowing a good time tracking of the performance indicators of an electrochemical system such as a battery.
L'invention concerne donc un procédé d'estimation de l'état de charge et de l'état de santé d'un système électrochimique tel qu'une batterie, comprenant une mesure de température dudit système, une mesure des signaux électriques de courant traversant le système et de la tension au bornes du système, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : -déterminer une tension liée à la diffusion à partir de la mesure de courant, -déterminer un ensemble de paramètres électriques d'un modèle électrique équivalent de type Randles avec une impédance de Warburg en série, à partir de la tension de diffusion déterminée ainsi que du courant et de la tension mesurées. -recaler à une température de référence l'ensemble de paramètres électriques mesurés à la température, -déterminer l'état de charge et de l'état de santé du système électrochimique à partir de l'ensemble de paramètres électriques recalés. The invention therefore relates to a method for estimating the state of charge and the state of health of an electrochemical system such as a battery, comprising a temperature measurement of said system, a measurement of the electrical current signals flowing through it. the system and the voltage at the terminals of the system, characterized in that it comprises the steps of: -determining a voltage related to the diffusion from the current measurement, -determining a set of electrical parameters of a model Randles type equivalent electric with Warburg impedance in series, from the determined diffusion voltage as well as the measured current and voltage. -recall at a reference temperature the set of electrical parameters measured at temperature, -determine the state of charge and the state of health of the electrochemical system from the set of recalibrated electrical parameters.
En effet, l'étape de recalage permet notamment d'alléger les calculs nécessaires à l'étape détermination de l'état de charge et de l'état de santé du système électrochimique. Des calculs plus cours peuvent donc être faits plus souvent, ce qui va dans le sens d'un meilleur suivi temporel. In fact, the registration step notably makes it possible to reduce the calculations required for the determination stage of the state of charge and the state of health of the electrochemical system. Calculations more course can be done more often, which goes in the direction of a better time tracking.
Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : Avantageusement, le procédé de l'invention comprend de plus une étape de détermination de la puissance disponible du système électrochimique à partir de l'état de charge, de l'état de santé et de la température du système. Furthermore, the invention may include one or more of the following features: Advantageously, the method of the invention further comprises a step of determining the available power of the electrochemical system from the state of charge, the state of health and temperature of the system.
10 De préférence, la détermination de la puissance disponible est réalisée à l'aide d'une cartographie ou d'une modélisation de la tension à vide du système électrochimique en fonction de l'état de charge, de l'état de santé et de la température mesurée. Preferably, the determination of the available power is carried out using a mapping or modeling of the vacuum voltage of the electrochemical system as a function of the state of charge, the state of health and the state of charge. the measured temperature.
Dans une variante, la détermination de la puissance disponible est extrapolée pour un 15 délai de prédiction, afin de pouvoir donner sur un horizon de temps la puissance électrique acceptable par le système électrochimique. In a variant, the determination of the available power is extrapolated for a prediction time, in order to be able to give over a time horizon the electrical power acceptable by the electrochemical system.
Puisque en pratique, on est amené à utiliser des signaux échantillonnés, avantageusement, le procédé de l'invention comprend en outre les étapes préalables 20 consistant à : -faire une acquisition numérique à une période d'échantillonnage prédéterminée du signal électrique de courant ou de tension du système électrochimique, -déterminer la richesse en fréquence du signal électrique acquis, -comparer la richesse en fréquence du signal électrique acquis à un seuil 25 prédéterminé. Since in practice it is necessary to use sampled signals, advantageously the method of the invention further comprises the prior steps of: - making a digital acquisition at a predetermined sampling period of the electrical current signal or electrochemical system voltage, -determine the richness of frequency of the electrical signal acquired, -comparer the richness in frequency of the electrical signal acquired at a predetermined threshold.
Dans une variante, lorsque la richesse en fréquence du signal électrique acquis est supérieure au seuil prédéterminé, on autorise la détermination des paramètres électriques du modèle de Randles et l'ensemble des paramètres électriques du modèle de Randles 30 déterminés est : la résistance interne, la résistance de transfert de charge, la capacité double couche, le gain de l'impédance de Warburg. In a variant, when the frequency richness of the electrical signal acquired is greater than the predetermined threshold, it is possible to determine the electrical parameters of the Randles model and all the electrical parameters of the determined Randles model are: the internal resistance, the load transfer resistor, double layer capacitance, Warburg impedance gain.
Dans une autre variante, lorsque la richesse en fréquence du signal électrique acquis est inférieure ou égale au seuil prédéterminé, on autorise la détermination des paramètres 35 électriques du modèle de Randles et l'ensemble des paramètres électriques du modèle de Randles déterminés est : la somme de la résistance interne et de la résistance de transfert de charge, le gain de l'impédance de Warburg.5 In another variant, when the frequency richness of the acquired electrical signal is less than or equal to the predetermined threshold, the electrical parameters of the Randles model are allowed to be determined and the set of electrical parameters of the determined Randles model is: the sum of the internal resistance and the load transfer resistance, the gain of the Warburg impedance.5
Dans encore une autre variante, lorsque la richesse en fréquence du signal électrique acquis est inférieure au seuil prédéterminé, on n'autorise pas la détermination de l'ensemble des paramètres électriques. Avantageusement, on n'autorise pas la détermination de l'ensemble des paramètres électriques lorsque la température du système électrochimique n'est pas comprise dans une plage de température déterminée. In yet another variant, when the frequency richness of the acquired electrical signal is less than the predetermined threshold, the determination of all the electrical parameters is not allowed. Advantageously, the determination of all the electrical parameters is not allowed when the temperature of the electrochemical system is not within a determined temperature range.
10 Avantageusement, le recalage de l'ensemble des paramètres électriques à la température de référence est réalisé à l'aide des lois d'évolution des dits paramètres électriques en fonction de la température. Advantageously, the resetting of all the electrical parameters to the reference temperature is carried out using the laws of evolution of the said electrical parameters as a function of the temperature.
Avantageusement encore, la détermination de l'état de charge et de l'état de santé est 15 réalisée à l'aide d'une base de données reliant les paramètres électriques recalés aux états de charge et de santé. Advantageously, the determination of the state of charge and the state of health is carried out using a database linking the electrical parameters corrected to the state of charge and health.
Dans une variante, le procédé de l'invention comprend une étape de filtrage d'au moins une mesure parmi le signal électrique de courant, le signal électrique de tension, la 20 température du système électrochimique. In a variant, the method of the invention comprises a step of filtering at least one of the electrical current signal, the electrical voltage signal and the temperature of the electrochemical system.
Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après 25 d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other particularities and advantages will appear on reading the following description of a particular embodiment, not limiting of the invention, with reference to the figures in which:
- La figure 1 est une représentation schématique d'un véhicule équipé d'une batterie et comprenant les moyens de mise en oeuvre du procédé de l'invention. 30 - La figure 2 est une représentation schématique d'un modèle de Randles en série. - La figure 3 est une représentation schématique sous forme de blocs d'un exemple de déroulement des étapes du procédé de l'invention. FIG. 1 is a schematic representation of a vehicle equipped with a battery and comprising the means for implementing the method of the invention. Figure 2 is a schematic representation of a Randles model in series. FIG. 3 is a diagrammatic representation in the form of blocks of an exemplary sequence of the steps of the method of the invention.
35 Description détaillée La figure 1 présente schématiquement un véhicule 10 équipée d'une batterie 11, d'un moyen de surveillance de batterie 12 encore connu sous l'appellation BMS pour5 l'acronyme anglais « Battery Monitoring System », intégrant notamment un calculateur électronique. Le BMS permet de faire l'acquisition de la température T de la batterie 11 ainsi que des signaux électriques de courant I traversant la batterie 11 et de tension U aux bornes de la batterie 11. Les mesures du courant I, de la tension U et de la température sont réalisées par des capteurs dédiés non représentés. Le véhicule 10 comprend de plus un estimateur 13 des indicateurs de performances de la batterie. DETAILED DESCRIPTION FIG. 1 schematically shows a vehicle 10 equipped with a battery 11, a battery monitoring means 12 also known by the name BMS for the acronym "Battery Monitoring System", integrating in particular an electronic calculator . The BMS makes it possible to acquire the temperature T of the battery 11 as well as electrical signals of current I passing through the battery 11 and voltage U across the terminals of the battery 11. The measurements of the current I, the voltage U and temperature are achieved by dedicated sensors not shown. The vehicle 10 further comprises an estimator 13 of the battery performance indicators.
Les indicateurs de performances estimés dans le cadre de l'invention sont : -l'état de charge, SOC (pour l'acronyme anglais « State Of Charge »), -l'état de santé, SOH (« State Of Health »), -la puissance batterie disponible, Pbatt. The performance indicators estimated in the context of the invention are: the state of charge, SOC (State of Charge), the state of health, SOH (State of Health). , - the battery power available, Pbatt.
L'estimateur 13 est avantageusement hébergé dans le calculateur du BMS 12. Le BMS 12 fournit à l'estimateur 13 des signaux échantillonnés du courant I, de la tension U et de la température T à une période d'échantillonnage déterminée. The estimator 13 is advantageously accommodated in the calculator of the BMS 12. The BMS 12 supplies the estimator 13 with sampled signals of the current I, the voltage U and the temperature T at a given sampling period.
Les estimations des indicateurs de performance SOC, SOH et Pbatt peuvent ensuite être utilisés via une transmission à d'autres calculateurs de l'automobile (par exemple une liaison par réseau CAN) pour d'autres applications sortant du cadre de l'invention. Nous citerons par exemple : • la gestion de la performance et de la consommation du véhicule via le superviseur de la chaîne de traction, •l'affichage de l'énergie restante (type jauge de carburant) pour le conducteur. 25 Un modèle de Randles en série est schématisé en figure 2. Le modèle de Randles est un modèle électrique équivalent généralement utilisé pour modéliser, autour d'un point de fonctionnement tension - courant, le comportement électrique de systèmes électrochimiques tels qu'une batterie ou une cellule de batterie. Plusieurs modèles dits de 30 Randles existent dans la littérature scientifique et technique. The SOC, SOH and Pbatt performance indicators estimates can then be used via transmission to other automotive computers (for example a CAN network link) for other applications outside the scope of the invention. For example: • Vehicle performance and consumption management via the power train supervisor • Display of the remaining energy (fuel gauge type) for the driver. A Randles model in series is shown schematically in FIG. 2. The Randles model is an equivalent electrical model generally used to model, around a point of voltage-current operation, the electrical behavior of electrochemical systems such as a battery or a battery cell. Several models of 30 Randles exist in the scientific and technical literature.
De préférence, nous utiliserons dans ce mémoire un modèle de Randles incluant une impédance de Warburg et plus précisément un modèle de Randles incluant une impédance de Warburg en série auquel nous donnerons encore l'appellation de modèle 35 de Randles en série. En effet, il est apparu que le choix de ce modèle de Randles avec une impédance de Warburg en série est très avantageux dans l'analyse de la réponse du système électrochimique. Preferably, we will use in this specification a Randles model including a Warburg impedance and more precisely a Randles model including Warburg impedance in series to which we will still give the name model Randles in series. Indeed, it appeared that the choice of this model of Randles with a Warburg impedance in series is very advantageous in the analysis of the response of the electrochemical system.
Comme le montre la figure 2, ce modèle comporte quatre paramètres électriques qui sont : une résistance interne, Ri ; une résistance de transfert de charge, Rtc ; une capacité double couche, Cdc ; une impédance de Warburg Z. Par ailleurs U(t) et I(t) représentent respectivement la tension aux bornes du système électrochimique et le courant le traversant. As shown in Figure 2, this model has four electrical parameters which are: an internal resistance, Ri; a charge transfer resistor, Rtc; a double layer capability, Cdc; an impedance of Warburg Z. Furthermore U (t) and I (t) respectively represent the voltage across the electrochemical system and the current flowing through it.
On peut alors écrire l'impédance de Randles dans le domaine de Laplace, s étant la variable de Laplace : ZRandles (S) Ri + 1 + C R t R $ + Z W (s) de tc La figure 3 représente à présent, sous forme de blocs, un exemple de déroulement des étapes du procédé de l'invention. Le contenu de chaque bloc est précisé ci-dessous : Bloc 1 : Bloc d'identification des . uatre •aramètres électri. ues R Rtc Cdc Ad du modèle de Randles en série. En simplifiant l'impédance de Warburg, Zw (s), sous la forme , avec Ad , une grandeur représentative l'impédance de Warburg que l'on nommera gain de l'impédance de Warburg, il est prévu d'identifier un ensemble paramètres électriques du modèle de Randles en série, soit dans ce mode de réalisation, les quatre paramètres électriques Ri , 25 Rtc , Cdc , Ad du modèle de Randles en série, par un algorithme des Moindres Carrés Récursifs (MCR). Pour ce faire, la fonction de transfert entre la tension U(s) mesurée et l'intensité I(s) mesurée, correspond à l'impédance de Randles, ZRandles (s) et s'exprime sous la forme : 15 20 (1) 30 Z Randles (S) ù U(s) () (2) Par ailleurs, la tension de sortie mesurée U(s) se décompose en deux tensions additives grâce au modèle de Randles en série choisi, une tension dite dynamique, Udyn(s) et une tension liée à la diffusion Udiff (s), qui ont respectivement des dynamiques de variations rapides et lentes. On a donc : U(s) = Udyn (S) + Udiff (S) We can then write the impedance of Randles in the Laplace domain, where s is the Laplace variable: ZRandles (S) Ri + 1 + CR t R $ + ZW (s) of tc Figure 3 represents now, in the form of of blocks, an example of the steps of the process of the invention. The contents of each block are specified below: Block 1: Identification block. four • electric arameters. a Rtc Cdc Ad of Randles model in series. By simplifying Warburg's impedance, Zw (s), in the form, with Ad, a magnitude representative of the Warburg impedance that will be called gain of Warburg impedance, it is expected to identify a set of parameters In this embodiment, Randles' serial electric model, the four electrical parameters Ri, Rtc, Cdc, Ad of the Randles model in series, by a Recursive Square Least Squares (MCR) algorithm. To do this, the transfer function between the measured voltage U (s) and the intensity I (s) measured, corresponds to the impedance of Randles, ZRandles (s) and is expressed as: 20 (1) ) 30 Z Randles (S) ù U (s) () (2) Moreover, the measured output voltage U (s) is decomposed into two additive voltages by means of the Randles model in series chosen, a so-called dynamic voltage, Udyn (s) and a voltage related to the Udiff (s) scattering, which have fast and slow variations dynamics respectively. We thus have: U (s) = Udyn (S) + Udiff (S)
Les deux tensions Udyn (s) et Udiff (s) peuvent encore s'écrire : Udyn (s) = Ri + Rtc I(s) 1+C dcRtc.s, 10 et Udiff (s) _ .I(s) La transformation du terme ~ est réalisée par une méthode connue de la littérature 15 pour aboutir à une décomposition de N pôles, coi, et zéros, coi, sur une bande de fréquence réduite. L'expression (2), linéarisée et rendue entière, s'écrit alors sous la forme : 1 Zentier s U(s) = R + Rtc + A CO + Chi Randles ( ) ù ( ) d' s I s 1+CdCRtc.s s 1=1 1+ coi The two voltages Udyn (s) and Udiff (s) can still be written: Udyn (s) = Ri + Rtc I (s) 1 + C dcRtc.s, 10 and Udiff (s) _ .I (s) The transformation of the term ~ is carried out by a known method of the literature 15 to result in a decomposition of N poles, coi, and zeros, coi, on a reduced frequency band. The expression (2), linearized and made whole, is then written as: 1 Zentier s U (s) = R + Rtc + A CO + Chi Randles () ù () of s I s 1 + CdCRtc .ss 1 = 1 1+ coi
où Co représente un gain. Ainsi, la tension Udiff (s) liée à la diffusion va être calculée au module 6 présenté en figure 2 selon la formule (5) à partir du courant I et à Ad par son expression selon le dernier terme de la relation (6) dont le calcul n'a que des 25 paramètres fixes. Cette tension Udiff (s) sera mise comme une entrée supplémentaire du bloc 1 d'identification des paramètres comme le montre encore la figure 2. (3) (4) (5) s 20 (6) En effectuant la transformée en Z de l'expression (4) en temps discret à la période d'échantillonnage te, nous en déduisons l'équation de récurrence en discret sur la sortie tension sous la forme : Uk+l = A * Uk + B * Ik + C * Ikù1 + Ad * Udiff,k (7) Les coefficients A, B, C, non explicités ici, sont des coefficients qui s'expriment en fonction des paramètres électriques. La détermination explicite de ces coefficients est connue en soi de l'homme du métier à partir, par exemple, des tables de transformée en Z. where Co represents a gain. Thus, the voltage Udiff (s) related to the diffusion will be calculated in the module 6 presented in Figure 2 according to the formula (5) from the current I and Ad by its expression according to the last term of the relation (6) of which the calculation has only fixed parameters. This voltage Udiff (s) will be set as an additional input of the parameter identification block 1 as shown again in FIG. 2. (3) (4) (5) s (6) By performing the Z transform of the Expression (4) in discrete time at the sampling period te, we deduce the recursion equation in discrete on the output voltage in the form: Uk + l = A * Uk + B * Ik + C * Ikù1 + Ad * Udiff, k (7) The coefficients A, B, C, not explained here, are coefficients that are expressed as a function of the electrical parameters. The explicit determination of these coefficients is known to those skilled in the art from, for example, Z-transform tables.
L'algorithme d'identification récursif, classique dans la littérature scientifique mais modifié pour traiter un modèle à deux entrées I et Udiff et une sortie U, permettra d'ajuster les quatre paramètres Ri, Rd, Cdd, Ad, jusqu'à ce que la tension estimée A * Uk + B * Ik + C * Ik_1 + Ad * Ud k converge vers la tension mesurée, Uk+1 Bloc 2: Bloc superviseur The recursive identification algorithm, standard in the scientific literature but modified to treat a model with two inputs I and Udiff and an output U, will make it possible to adjust the four parameters Ri, Rd, Cdd, Ad, until the estimated voltage A * Uk + B * Ik + C * Ik_1 + Ad * Ud k converges to the measured voltage, Uk + 1 Block 2: Supervisor block
Le bloc 2 superviseur ici a pour rôle d'analyser la richesse spectrale d'un signal d'excitation permettant alors d'autoriser ou non la détermination des paramètres électriques au bloc 1. En effet, dans tout problème d'identification, il faut alors s'assurer que le signal d'excitation, soit assez riche en fréquence pour pouvoir permettre d'identifier avec précision les paramètres du modèle de Randles. The role of the supervisor block 2 here is to analyze the spectral richness of an excitation signal which then makes it possible to authorize or not the determination of the electrical parameters in block 1. In fact, in any problem of identification, it is then necessary to ensure that the excitation signal is sufficiently rich in frequency to be able to accurately identify the parameters of the Randles model.
Le signal d'excitation choisi est de préférence le signal électrique de courant I traversant la batterie 11. Celui-ci peut être le courant consommé par les organes électriques du véhicule (excitation dite naturelle) ou encore un courant amené à la batterie 11 par exemple par l'alimentation d'une phase du moteur électrique dans le cas d'une chaine de traction hybride ou électrique par un chargeur de batterie externe (excitation dite pilotée). The excitation signal chosen is preferably the electrical current signal I passing through the battery 11. This may be the current consumed by the electrical components of the vehicle (so-called natural excitation) or a current supplied to the battery 11, for example by feeding a phase of the electric motor in the case of a hybrid or electric traction chain by an external battery charger (so-called controlled excitation).
Le rôle du bloc 2 superviseur est alors d'estimer cette richesse spectrale sur une plage de fréquence, f, d'intérêt et de déclencher l'identification si l'énergie contenue est supérieure à une valeur minimale. The role of the supervisory block 2 is then to estimate this spectral richness over a frequency range, f, of interest and to trigger the identification if the energy contained is greater than a minimum value.
A titre d'exemple, si l'on suppose que la forme du profil de courant est décrit par un modèle auto-régressif étendu d'ordre L dont les paramètres ai et bk+1 du modèle sont déterminés par un algorithme des moindres carrés récursifs : L Ik+1 ù l ai.lk + bk+l (8) i=1 avec b, le bruit d'estimation. Il est alors possible de calculer l'amplitude au carré de la fonction de transfert H(jf V2 entre le courant et le bruit blanc, j représentant l'imaginaire pur et f la fréquence. ,1I For example, if we assume that the shape of the current profile is described by an L-order extended autoregressive model whose parameters a and bk + 1 of the model are determined by a recursive least squares algorithm : L Ik + 1 where l ai.lk + bk + l (8) i = 1 with b, the estimation noise. It is then possible to calculate the amplitude squared of the transfer function H (jf V2 between the current and the white noise, j representing the pure imaginary and f the frequency.
Si nous traitons le bruit comme un bruit blanc gaussien caractérisé par son écart-type 6b, alors la puissance résultante est : P(f) = H(jf 12.ab2 (9) Nous pouvons alors caractériser la richesse spectrale par une puissance minimale, Pmin, définie, pour une plage de fréquence d'intérêt choisie comprise entre une fréquence minimum fmin et une fréquence maximum fmax. par : Pmin = min P(f) fe [fmimfmaxI A titre d'exemple les fréquences fmin et furax peuvent être respectivement de 0,01 Hz et 30 Hz. Lorsque cette puissance minimale Pmin est supérieure à un seuil donnée Pseuii, alors nous sommes assurés que le signal de courant I(s) est suffisamment riche en fréquence pour déclencher l'identification paramétrique. Le bloc 2 superviseur autorise alors l'identification des paramètres du modèle de Randles. 30 Au contraire, lorsque cette puissance minimale Pmin est inférieure au seuil donnée Pseuii, alors nous sommes assurés que le signal de courant I et on n'autorise pas la détermination de l'ensemble des paramètres électriques au bloc 1. 25 (10) On peut aussi prendre en compte la température de la batterie 11 pour autoriser ou non la détermination des paramètres électriques au bloc 1. Dans ce cas, on n'autorise pas la détermination des paramètres électriques au bloc 1 lorsque la température de la batterie 11 n'est pas comprise dans une plage de température déterminée, par exemple, entre - 20°C et 60°C. Ces valeurs préférées correspondent à la plage de validité du modèle de Randles choisi. If we treat the noise as a white Gaussian noise characterized by its standard deviation 6b, then the resulting power is: P (f) = H (jf 12.ab2 (9) We can then characterize the spectral richness by a minimal power, Pmin, defined, for a selected frequency range of interest between a minimum frequency fmin and a maximum frequency fmax by: Pmin = min P (f) fe [fmimfmaxI For example, the frequencies fmin and furax can be respectively 0.01 Hz and 30 Hz. When this minimum power Pmin is greater than a given threshold Pseuii, then we are assured that the current signal I (s) is sufficiently rich in frequency to trigger the parametric identification. The supervisor then authorizes the identification of the parameters of the Randles model.On the contrary, when this minimum power Pmin is below the given threshold Pseuii, then we are assured that the current signal I and we do not allow the determination of all the electrical parameters in block 1. (10) It is also possible to take into account the temperature of the battery 11 to allow or not the determination of the electrical parameters in block 1. In this case, it is forbidden not determining the electrical parameters in block 1 when the temperature of the battery 11 is not within a determined temperature range, for example, between -20 ° C and 60 ° C. These preferred values correspond to the validity range of the selected Randles model.
Bloc 3 : Bloc de recalage des quatre paramètres électriques par rapport à une température de référence T* Block 3: Registration block of the four electrical parameters with respect to a reference temperature T *
Les quatre paramètres électriques identifiés par le bloc 1 sont réalisés à la température T mesurée. The four electrical parameters identified by the block 1 are made at the measured temperature T.
Afin de pouvoir exploiter ces quatre paramètres batterie par le bloc 4 qui suit nous déterminons leur équivalent pour une température dite de référence, T*. Cette opération est effectuée par le bloc 3 à l'aide des lois d'évolutions de ces quatre paramètres en fonction de la température. Ces lois peuvent être déterminées par des relations physico-chimiques ou des résultats d'expérimentations. In order to be able to exploit these four battery parameters by block 4 which follows, we determine their equivalent for a so-called reference temperature, T *. This operation is carried out by block 3 using the laws of evolution of these four parameters as a function of temperature. These laws can be determined by physico-chemical relations or experimental results.
Ce recalage à la température de référence T* des quatre paramètres a pour avantage d'alléger les tâches ultérieurement réalisées par le bloc 4 car il n'est alors pas nécessaire de cartographier l'ensemble de la plage d'utilisation en température de la batterie 1. This adjustment to the reference temperature T * of the four parameters has the advantage of lightening the tasks subsequently performed by block 4 because it is not necessary to map the entire range of use in temperature of the battery 1.
Nous obtenons ainsi quatre nouveaux paramètres électriques recalés à la température de référence T*: R;*, Rt,*, Cdc*, Ad*. We thus obtain four new electrical parameters calibrated at the reference temperature T *: R; *, Rt, *, Cdc *, Ad *.
Bloc 4 : Bloc d'estimation des du SOC et du SOH en fonction des paramètres recalés. Block 4: estimation block of the SOC and the SOH according to the recalibrated parameters.
A cette étape, l'état de charge, SOC, et l'état de santé, SOH de la batterie 1 peuvent être déterminés de préférence à partir d'une base de données ou une cartographie permettant de relier les quatre paramètres électriques recalés R;*, Rtc*, Cdc*, Ad*, à la température de référence T*, à des valeurs d'état de charge, SOC, et d'état de santé, SOH. At this stage, the state of charge, SOC, and the state of health, SOH of the battery 1 can be determined preferably from a database or a map making it possible to connect the four recalibrated electrical parameters R; *, Rtc *, Cdc *, Ad *, at reference temperature T *, state of charge, SOC, and health status values, SOH.
En pratique, les valeurs de SOC et de SOH préalablement peuvent être déterminés par des essais expérimentaux à la température de référence T*, pour différents états de charge, SOC, et d'état de santé, SOH. In practice, SOC and SOH values previously can be determined by experimental tests at the reference temperature T *, for different states of charge, SOC, and state of health, SOH.
La méthode proposée présente donc une précision accrue grâce à une redondance en utilisant quatre paramètres variants pour estimer deux états. Bloc 5 : Bloc estimateur de puissance disponible à partir du SOC et du SOH estimés au bloc 4. The proposed method therefore has increased accuracy through redundancy by using four variant parameters to estimate two states. Block 5: Power estimator block available from SOC and SOH estimated at block 4.
A présent, munis des estimations l'état de charge, SOC, et l'état de santé, SOH ainsi que 10 des paramètres électriques identifiés R;, Rte, Cdc, Ad, nous pouvons estimer une puissance disponible de batterie, Pbatt. Now, with the state of charge SOC and the health state SOH as well as the identified electrical parameters R, Rte, Cdc, Ad, we can estimate an available battery power, Pbatt.
La puissance est définie par : Pbatt (t) = U(t).l(t) (1 1 ) 15 Ici, nous prenons comme modèle de la tension aux bornes de la batterie : U(t) = Eo (SOC(t), SOH(t), T(t)) ù ZRand,es (SOC(t), SOH(t), T(t)),I(t) (12) 20 avec : The power is defined by: Pbatt (t) = U (t) .l (t) (1 1) Here we take as a model the voltage across the battery: U (t) = Eo (SOC (t ), SOH (t), T (t)) ù ZRand, es (SOC (t), SOH (t), T (t)), I (t) (12) with:
Eo, la tension à vide de la batterie 11, et ZRandles, l'impédance du modèle de Randles en série . Eo, the vacuum voltage of the battery 11, and ZRandles, the impedance of the Randles model in series.
25 La tension à vide, Eo, de la batterie 11 et l'impédance du modèle de Randles en série sont fonctions de l'état de charge, SOC, de l'état de santé, SOH, ainsi que de la température T de la batterie 11. Les différentes valeurs possibles de la tension à vide, Eo, peuvent être contenues dans une cartographie ou déterminées par un modèle issu d'expérimentations. L'impédance de Randles est, quant à elle, recalculée en fonction de l'état de charge, 30 SOC, de l'état de santé, SOH, ainsi que de la température T de la batterie 11. The no-load voltage, Eo, of the battery 11 and the impedance of the Randles model in series are functions of the state of charge, SOC, of the state of health, SOH, as well as the temperature T of the battery 11. The various possible values of the no-load voltage, Eo, can be contained in a cartography or determined by a model resulting from experiments. The impedance of Randles is, in turn, recalculated according to the state of charge, 30 SOC, state of health, SOH, as well as the temperature T of the battery 11.
Il est en outre possible de prédire la puissance disponible, Pbatt, pour un délai de prédiction déterminé, tp. La prédiction de la puissance disponible, Pbatt, au délai déterminé est obtenue par extrapolation sur ce délai du courant I, de l'état de charge, SOC, de la 35 tension U. On fait par ailleurs, en raison de leur lente évolution dans le temps, l'hypothèse5 que l'état de santé, SOH et la température T de batterie sont constants pour le délai considéré, qui à titre indicatif peut être de l'ordre de la minute. It is also possible to predict the available power, Pbatt, for a determined prediction time, tp. The prediction of the available power, Pbatt, at the determined delay is obtained by extrapolation on this delay of the current I, of the state of charge, SOC, of the voltage U. Moreover, due to their slow evolution in the time, the hypothesis5 that the state of health, SOH and the battery temperature T are constant for the time considered, which as an indication may be of the order of a minute.
-Le courant I peut être extrapolé à partir des instants passés grâce par exemple à un 5 modèle auto-régressif étendu d'ordre L tel que présenté en expression (8). The current I can be extrapolated from the instants passed thanks for example to an L-extended extended auto-regressive model as presented in expression (8).
-Le SOC peut être obtenu à partir des quatre paramètres Ri, Rtc, Cdc, Ad identifiés, -La tension U est déterminée via l'expression (12) en ayant comme données d'entrée ZRandles , Eo et I. Au final, nous déterminons la puissance disponible, Pbatt, via la formule (11) à partir de l'état de charge, SOC, déterminé en parallèle au bloc 4 précédent. Le mode de réalisation présenté n'est pas limitatif de l'invention. Dans ce mode de -The SOC can be obtained from the four parameters Ri, Rtc, Cdc, Ad identified, -The voltage U is determined via the expression (12) having as input data ZRandles, Eo and I. In the end, we determine the available power, Pbatt, via the formula (11) from the state of charge, SOC, determined in parallel with the previous block 4. The embodiment presented is not limiting of the invention. In this mode of
15 réalisation nous avons vu que le superviseur, bloc 2 dans la figure 3, s'assurait que le contenu fréquentiel du signal était suffisant pour déclencher l'identification des quatre paramètres électrique dans le bloc 1. Une alternative à ce mode de réalisation est prévue dans le cas où la richesse spectrale We realized that the supervisor, block 2 in FIG. 3, ensured that the frequency content of the signal was sufficient to trigger the identification of the four electrical parameters in block 1. An alternative to this embodiment is provided. in case the spectral richness
20 n'est pas suffisante, c'est-à-dire que, par exemple, la puissance minimale Pmin est inférieure au seuil Pseuil. Dans ce cas, on autorise la détermination des paramètres électriques, en effectuant une identification réduite aux deux paramètres électriques que sont d'une part la somme de la résistance interne Ri et de la résistance de transfert de charge, Rtc; et d'autre part le gain de l'impédance de Warburg, Ad, issu de l'expression 20 is not sufficient, i.e., for example, the minimum power Pmin is below the threshold Pseuil. In this case, the determination of the electrical parameters is authorized, making a reduced identification to the two electrical parameters which are on the one hand the sum of the internal resistance Ri and the charge transfer resistor, Rtc; and on the other hand the gain of Warburg's impedance, Ad, derived from the expression
25 simplifiée de l'impédance de Warburg permettant de déterminer l'impédance du modèle de Randles : r Ad ZRandles (S) = Ri + Rtc + v 30 La suite de la procédure est alors la suivante : -On détermine au bloc 3 leurs équivalents, (Ri*+Rtc*), Ad* à la température de référence T*. 10 (13) -On détermine au bloc 4 l'état de charge, SOC, et l'état de santé, SOH, à partir des paramètres électriques recalés à la température T*de référence, (R;*+Rtd*), Ad*. The simplified sequence of the Warburg impedance for determining the impedance of the Randles model is as follows: , (Ri * + Rtc *), Ad * at the reference temperature T *. (13) The state of charge, SOC, and state of health, SOH, are determined in block 4 from the electrical parameters reset at the reference temperature T *, (R; * + Rtd *), ad *.
- On détermine au bloc 5 la puissance disponible Pbatt à partir de l'état de charge, SOC, et 5 l'état de santé, SOH définis au bloc 4. In block 5, the available power Pbatt is determined from the state of charge, SOC, and the state of health, SOH defined in block 4.
Dans une autre variante, la richesse spectrale peut être déterminée au bloc 2 à partir du signal électrique de tension U. Cette variante est cependant moins efficace relativement à l'usage du signal électrique de courant I. Dans une autre variante, l'invention peut comprendre au moins un bloc additif de filtrage des informations véhiculées au sein de l'architecture et en particulier parmi le signal électrique de courant I, le signal électrique de tension U, la température T de la batterie. In another variant, the spectral richness can be determined in block 2 from the voltage electrical signal U. This variant is, however, less efficient with respect to the use of the electrical current signal I. In another variant, the invention may be comprise at least one additive block for filtering the information conveyed within the architecture and in particular among the current electrical signal I, the voltage electrical signal U, the temperature T of the battery.
15 L'invention n'est pas du tout restreinte à un système électrochimique particulier. Elle peut s'appliquer à des moyens de stockage d'énergie électrique tel que batterie au plomb, batterie de technologie Lithium-ion, etc, et notamment à ceux utilisés dans un véhicule automobile. The invention is not at all restricted to a particular electrochemical system. It can be applied to electrical energy storage means such as lead-acid battery, lithium-ion technology battery, etc., and in particular to those used in a motor vehicle.
20 Les principaux avantages de l'invention sont les suivants : The main advantages of the invention are as follows:
-Diminuer le coût à l'usage de la batterie en préservant sa durée de vie pour le conducteur et le constructeur, - Exploiter les profils de courant du véhicule pour la mise en oeuvre de l'identification des 25 paramètres électriques, - Rendre accessible l'information sur l'état batterie au conducteur dans le cadre d'un meilleur suivi de celle-ci, - sécuriser et optimiser le fonctionnement électrique du véhicule, - Afficher un meilleur indicateur d'autonomie du véhicule. En effet, avec la connaissance 30 de l'état de charge et de l'état de santé de la batterie on doit connaître la quantité d'énergie embarquée et donc avec un courant moyen sur les dernières minutes en déduire combien il reste de temps d'utilisation. - d'être réalisable sous la forme d'une solution logicielle utilisant les signaux du moyen de surveillance de batterie, le BMS, donc sans organe mécanique ou électronique 35 supplémentaire par rapport à une architecture déjà existante. 10 - adapter une méthode d'identification temps réel malgré la présence d'un phénomène de diffusion, par le modèle de Randles en série et l'algorithme des moindres carrés récursifs à deux entrées et une sortie. -To reduce the cost of using the battery while preserving its life for the driver and the manufacturer, - Use the current profiles of the vehicle for the implementation of the identification of the 25 electrical parameters, - Make accessible the l information on the battery condition to the driver as part of a better monitoring thereof, - secure and optimize the electrical operation of the vehicle, - display a better indicator of vehicle autonomy. In fact, with the knowledge of the state of charge and the state of health of the battery, it is necessary to know the quantity of energy on board and therefore with a mean current over the last minutes to deduce how much time is left 'use. to be feasible in the form of a software solution using the signals of the battery monitoring means, the BMS, and therefore without any additional mechanical or electronic element with respect to an already existing architecture. Adapting a real-time identification method despite the presence of a diffusion phenomenon, by the Randles model in series and the recursive least squares algorithm with two inputs and one output.
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