FR2971854A1 - Dispositif embarque d'estimation du vieillissement d'une batterie d'alimentation de vehicule automobile et procede correspondant. - Google Patents

Abstract

Un dispositif de surveillance de l'état de charge d'une batterie d'alimentation électrique embarquée sur un véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, comprend un capteur de température (T) de la batterie, un ampèremètre apte à mesurer le courant (I) entrant ou sortant de la batterie, un voltmètre apte à mesurer la tension (U) aux bornes de la batterie, et un estimateur de vieillissement (10), l'estimateur de vieillissement comprenant un estimateur de (configuré pour estimer une première grandeur cachée (SÔC), ou charge estimée suivant Kalman de la batterie, et une seconde grandeur cachée ( ) ou capacité maximale estimée de la batterie, dont les dérivées par rapport au temps sont évaluées à partir de l'écart ( ) entre la tension (U) mesurée par le voltmètre, et une tension estimée ( ), définie comme une fonction des grandeurs mesurées de courant (I) et de température (T), ainsi que des grandeurs estimées suivant Kalman (SÔC, ) de charge et de capacité maximale de la batterie.

Description

B10-4504FR 1 Dispositif embarqué d'estimation du vieillissement d'une batterie d'alimentation de véhicule automobile et procédé correspondant L'invention se rapporte au domaine de la gestion de batterie électrique pour véhicule automobile. On entend par batterie, une batterie d'accumulateur apte à stocker de l'énergie électrique lorsqu'elle est branchée sur un réseau extérieur, puis à restituer ultérieurement cette énergie électrique lorsque le véhicule est déconnecté du réseau. Les batteries peuvent être par exemple de type électrochimique telles que des batteries Lithium-ion ou d'autres types de batteries telles que des condensateurs. La puissance électrique que peut fournir la batterie diminue au cours d'un cycle de décharge de la batterie. La quantité maximale d'énergie que peut stocker la batterie diminue également au cours de la vie de la batterie. Afin de tirer au mieux partie de la puissance disponible pour le véhicule, de prédire l'autonomie résiduelle du véhicule avant un nouveau rechargement de la batterie, et de prévoir à quel moment il est nécessaire de changer la batterie, il est utile de connaître deux paramètres particuliers de la batterie, qui sont son état au niveau de charge noté SOC (« State Of Charge ») et sa capacité maximale Q. La capacité maximale de la batterie Q (généralement exprimée en ampére.heure) permet de connaître la durée pendant laquelle la batterie peut fournir un courant d'un ampérage donné. Cette capacité se dégrade au cours du temps en fonction de l'historique de température de la batterie et en fonction de son historique de cycles de charge et décharge. Le niveau de charge de la batterie (SOC) traduit le niveau de chargement de la batterie entre un niveau de charge minimal SOCm,,, où la batterie n'est plus utilisable, et un niveau de charge maximal égal à 1. Le niveau de charge de la batterie peut être calculé à partir de l'historique du courant entrant ou sortant de la batterie par l'équation :

dSOC I dt Q où : t est le temps, I est le courant entrant dans la batterie, et Q est la capacité de la batterie à l'instant t. Les grandeurs SOC et Q ne sont pas directement mesurables de manière simple, puisque la connaissance de SOC implique d'effectuer une intégration à partir d'un état connu, par exemple à partir de l'état complètement chargé, et qu'une mesure directe de Q implique d'effectuer un cycle complet de charge et de décharge de la batterie, ce qui ne peut se faire pendant que la batterie est en service sur le véhicule. La connaissance du niveau de charge SOC contribue à l'évaluation de la puissance immédiatement disponible sur la batterie, et la connaissance de Q permet d'évaluer l'autonomie résiduelle du véhicule pour une charge complète de la batterie. La réduction progressive de cette autonomie du véhicule après chaque cycle de charge-décharge traduit le vieillissement de la batterie, et détermine le moment où la batterie devra être changée pour conserver une autonomie acceptable du véhicule. Des méthodes pour évaluer l'état de vieillissement d'une batterie sont proposées dans la littérature, par exemple dans la demande de brevet US 2008 0 231 284. Ce document propose d'enregistrer de manière périodique certains paramètres de fonctionnement de la batterie, tels que la température, le niveau de charge, le courant maximal de charge ou de décharge durant une étape de charge ou de décharge, le courant moyen de charge ou de décharge pendant une étape de charge ou décharge, la durée d'une étape de charge ou la durée d'une étape de décharge. La demande de brevet US 2008 0 231 284 propose de sélectionner un couple de paramètres parmi les paramètres précédents, et de comptabiliser le nombre d'occurrences de chaque couple dans (I) une table à deux dimensions. Un facteur de pondération peut être attribué à chaque élément de la table. Ce facteur de pondération sera d'autant plus élevé, que le couple de valeurs correspond à une zone de fonctionnement de la batterie tendant à accélérer le vieillissement de celle-ci. Les occurrences comptabilisées dans chaque case de la table peuvent être ensuite additionnées, pondérées par le facteur de pondération correspondant, pour obtenir un paramètre permettant de quantifier l'importance du vieillissement de la batterie.

Cette méthode permet donc de comparer l'état de vieillissement de deux batteries similaires soumises à des historiques différents, mais ne propose pas de moyens pour corréler le paramètre de vieillissement ainsi estimé avec une grandeur physique permettant de prendre des décisions quant au pilotage ou au remplacement de la batterie.

L'invention a pour but de proposer une méthode et un dispositif d'estimation du vieillissement d'une batterie d'alimentation de véhicule automobile permettant notamment une estimation continue ou une estimation périodique de la capacité maximale de charge de la batterie, cette capacité maximale pouvant être par la suite utilisée pour calculer d'autres grandeurs spécifiques à la batterie, ou pour décider du moment où la batterie doit être changée. L'invention a également pour but de proposer une méthode d'estimation de vieillissement apte à fonctionner avec des ressources mémoire réduites, allouées au stockage des données enregistrées concernant la batterie. A cet effet, un dispositif de surveillance d'une batterie d'alimentation électrique embarquée sur un véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, comprend un capteur de température de la batterie, un ampèremètre apte à mesurer le courant entrant ou sortant de la batterie, un voltmètre apte à mesurer la tension aux bornes de la batterie, et un estimateur de vieillissement, l'estimateur de vieillissement comprenant un estimateur de Kalman configuré pour estimer une première grandeur cachée ( SOC ), ou charge estimée suivant Kalman de la batterie, et une seconde grandeur cachée (Q) ou capacité maximale estimée de la batterie, dont les dérivées par rapport au temps sont évaluées à partir de l'écart (E) entre la tension mesurée par le voltmètre, et une tension estimée, définie comme une fonction des grandeurs mesurées de courant (I) et de température , ainsi que des grandeurs estimées suivant Kalman (SOC, Q) de charge et de capacité maximale de la batterie.

Par ampèremètre, on entend ici et dans la suite du texte, tout capteur ou tout moyen d'estimation de l'intensité de courant entrant dans la batterie ou sortant de la batterie.

Par voltmètre, on entend ici et dans la suite du texte, tout capteur ou tout moyen d'estimation de la tension aux bornes de la batterie.Selon un mode de réalisation préféré, SOC, Q sont reliés à

l'écart E de la manière suivante dSOC _ I _KI£, et Q =Kz£,où dt Q dt K1 et Kz sont des gains choisis en fonction des domaines de valeurs de la tension mesurée (U) par le voltmètre.

Avantageusement, les gains K1 et Kz sont des gains choisis suivant la théorie du filtre de Kalman étendu.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif comprend en outre un estimateur de niveau de charge (SOC) de la batterie délivrant une valeur entre zéro et un, une mémoire dans laquelle est mémorisé un compteur de vieillissement, et une unité de comptage qui est configurée pour multiplier périodiquement le compteur de vieillissement par un coefficient de vieillissement calculé à partir de couples de valeurs de température et de niveau de charge collectés sur une période de temps . Selon un mode de réalisation préféré, l'estimateur de niveau de charge (SOC) de la batterie, est différent de l'estimateur de Kalman.

Avantageusement, le dispositif comprend également un comparateur de surveillance configuré pour comparer à un seuil de contrôle, la valeur absolue de la différence entre la capacité maximale estimée de la batterie, multipliée par une première constante, et le compteur de vieillissement, multiplié par une seconde constante. Selon un mode de réalisation préféré, les deux constantes sont toutes deux égales à un, notamment quand le compteur de vieillissement a initialement - i.e. avant la première multiplication par le coefficient de vieillissement- pour valeur la capacité initiale de la batterie. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend une unité d'acquisition de l'historique de la batterie, l'unité d'acquisition étant apte à comptabiliser des couples de valeurs de température et de niveau de charge acquis à intervalles de temps successifs, dans une table de fréquence comptabilisant le nombre d'occurrences de ces couples comprises simultanément dans une fourchette de température et dans une fourchette de niveau de charge donnée. L'unité d'acquisition de l'historique peut être configurée pour enregistrer le dernier couple de valeurs de température et de niveau de charge acquis, dans une première table de fréquence si la batterie est en cours d'utilisation ou de recharge au moment de l'acquisition, et pour enregistrer le dernier couple de valeurs de température et de niveau de charge acquis, ou la dernière valeur de température acquise, dans une deuxième table de fréquence si la batterie est au repos au moment de l'acquisition.

Avantageusement, l'unité d'acquisition est configurée pour calculer et mémoriser un coefficient de vieillissement sous la forme d'une constante à laquelle est soustraite une puissance a d'une combinaison linéaire des différentes valeurs de fréquence mémorisées dans la ou dans les tables de fréquence, où a est une valeur réelle strictement supérieure à zéro et inférieure ou égale à un. Le dispositif peut comporter une unité de diagnostic de vieillissement configurée pour afficher un message d'alerte si la valeur absolue de la différence calculée par l'estimateur de niveau de charge est supérieure au seuil de contrôle.

L'unité de diagnostic de vieillissement peut en outre être configurée pour afficher, dans le cas où la valeur absolue de la différence est inférieure au seuil de contrôle, une capacité diagnostiquée de la batterie calculée comme une combinaison linéaire, par exemple comme un barycentre, des deux valeurs du compteur de vieillissement et de la capacité maximale estimée de la batterie. Avantageusement, l'estimateur du niveau de charge de la batterie est configuré pour utiliser l'une des trois valeurs : capacité diagnostiquée de la batterie, compteur de vieillissement, ou capacité maximale estimée de la batterie, et pour effectuer la prise en compte de cette valeur après chaque actualisation du compteur de vieillissement. On améliore ainsi la précision de l'estimateur de niveau de charge.

Selon au autre aspect, l'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif de surveillance tel que décrit précédemment, pour vérifier le fonctionnement normal du voltmètre associé à la batterie, ainsi qu'un rythme de vieillissement normal de la batterie.

Selon un autre aspect encore, l'invention a pour objet un procédé de surveillance de l'état de charge d'une batterie d'alimentation électrique embarquée sur un véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, dans lequel on évalue ou on enregistre en continu la température (T) de la batterie, le courant (I) entrant ou sortant de la batterie, et la tension (U) aux bornes de la batterie, et dans lequel on utilise un estimateur de Kalman pour estimer une première grandeur cachée (SOC), ou charge estimée suivant Kalman de la batterie, et une seconde grandeur cachée (Q) ou capacité maximale estimée de la batterie, en postulant que les dérivées par rapport au temps de ces deux grandeurs cachées sont reliées à l'écart (E) entre la tension (U) mesurée par le voltmètre, et une tension estimée (U), la tension estimée étant définie comme une fonction des grandeurs mesurées de courant (I) et de température (T), ainsi que des grandeurs estimées suivant Kalman (SOC, Q) de charge et de capacité maximale de la batterie. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un véhicule électrique équipé d'un dispositif de surveillance suivant l'invention, - la figure 2 montre le fonctionnement d'un estimateur appartenant au dispositif de surveillance de la figure 1, - la figure 3 est une représentation simplifiée d'un véhicule électrique équipé d'un second dispositif de surveillance qui peut être complémentaire au dispositif de surveillance de la figure 1. - la figure 4 illustre une partie d'un processus de surveillance mis en oeuvre par le dispositif de la figure 3.

Tel qu'illustré sur la figure 1, une batterie 2 de véhicule automobile est reliée par l'intermédiaire d'un dispositif électronique 4 de puissance avec un moteur électrique 3 servant à propulser le véhicule. La batterie 2 peut également être reliée au travers d'un boîtier de jonction 6 avec divers consommateurs 5 du véhicule, tels qu'un système de climatisation, un système de chauffage, le système d'éclairage ou les essuie-glace du véhicule. Un dispositif de surveillance 1 de la batterie 2 comprend un ampèremètre 7 disposé de manière à pouvoir mesurer le courant entrant ou sortant de la batterie 2, un voltmètre 8 disposé de manière à mesurer la tension entre les bornes de la batterie 2, ainsi qu'un capteur de température 9 disposé de manière à mesurer une température caractéristique de la batterie. Le capteur de température peut par exemple être disposé à l'interface entre deux éléments constitutifs de la batterie, ou sur une face extérieure de la batterie 2. Le dispositif de surveillance 1 comprend une unité de calcul électronique 10 (UCEl) qui reçoit en entrée les valeurs mesurées par l'ampèremètre 7, le voltmètre 8 et le capteur de température 9, respectivement par des connexions 16, 14, et 15.

Le dispositif de surveillance 1 comprend également un générateur de gain 17 recevant en entrée la valeur mesurée par le voltmètre 8. Le générateur de gain 17 peut également recevoir, bien que ce ne soit pas représenté sur la figure, des valeurs de contrôle transmises par l'unité de calcul électronique 10. Le générateur de gain 17 transmet des valeurs de gain K1 et Kz à l'unité de calcul électronique 10, qui délivre deux valeurs estimées Q et SOC représentant respectivement une capacité maximale estimée de la batterie 2 et une charge estimée suivant Kalman de la batterie 2.

L'unité de calcul électronique 10 utilise la relation de base permettant de définir le niveau de charge de la batterie, c'est-à-dire : dSOC I

dt Q La capacité maximale Q de la batterie est une fonction qui varie lentement par rapport au niveau de charge SOC de la batterie.

L'unité de calcul électronique 10 est par conséquent programmée pour considérer cette charge maximale comme une valeur constante, à une perturbation prés, qui sera proportionnelle à l'écart entre la tension mesurée par le capteur 8, et une tension estimée U calculée par l'unité de calcul elle-même. Pour effectuer cette estimation, l'unité de calcul électronique 10 utilise une équation d'état reliant une valeur estimée U de la tension aux bornes de la batterie 2, U s'exprimant par exemple comme une fonction f de l'intensité I traversant la batterie, de la température T de la batterie, de la charge maximale Q de la batterie et de son état de charge SOC, c'est-à-dire U = f(SOC,I,T,Q).

La théorie des estimateurs de Kalman permet d'effectuer une estimation optimisée d'une valeur estimée Q qui est la capacité maximale estimée de la batterie 2, ainsi que d'une valeur estimée SOC qui est la charge estimée suivant Kalman de la batterie 2 sur la base des deux équations suivantes : dSOC - I - K1(U - f (SOC, I, T, Q» dt Q dQ = K2 (U - f (SOC, I, T, Q» dt Les gains K1 et Kz calculés par le générateur de gains 17 sont déterminés en utilisant la théorie des observateurs optimaux de Kalman. L'expression de K1 et Kz dépend en particulier de l'écart type de l'erreur U-U entre la tension mesurée U et la tension estimée U, et dépend de l'écart type de la mesure du voltmètre 8. Le voltmètre 8 comporte, comme la plupart des capteurs, une zone de travail préférentielle, où l'écart type des erreurs de mesure annoncé par le fournisseur est relativement faible, et des zones de mesure moins favorables où cet écart type devient plus important. Dans les domaines de mesure de tension où les mesures du voltmètre 8 présentent un écart type faible, les valeurs de gain K1 et Kz peuvent par exemple être plus élevées de manière à corriger le modèle par l'information apportée par la mesure. Dans les domaines de travail du voltmètre U où le capteur est moins précis, les valeurs de gain K1 et Kz peuvent être plus faibles car on fait alors davantage confiance au modèle et on limite la valeur de la correction apportée à celui-ci. La théorie des estimateurs de Kalman permet ainsi de générer des gains K1 et Kz de manière continue et optimisée. La figure 2 montre le fonctionnement d'un estimateur appartenant au dispositif de surveillance de la figure 1. On retrouve sur la figure 2 quelques éléments communs à la figure 1, les mêmes éléments étant alors désignés par les mêmes références. L'unité de calcul électronique 10 comprend un estimateur de tension 18, qui est configuré de manière à calculer une tension estimée (1- a' partir de la température T de la batterie qu'il reçoit par la connexion 15, de l'intensité de courant I entrant dans la batterie, que l'estimateur de tension 18 reçoit par la connexion 16, ainsi qu'à partir de deux valeurs estimées intermédiaires Q et SOC calculées par l'unité de calcul électronique 10 elle-même, et renvoyées vers l'estimateur de tension 18. L'unité de calcul électronique 10 reçoit en outre par la connexion 14 la valeur U de tension mesurée aux bornes de la batterie 2. La valeur estimée de tension U est envoyée sur l'entrée négative d'un soustracteur 19, qui reçoit sur son entrée positive la valeur mesurée de tension U. La différence U-U entre les deux tensions estimée et mesurée est ensuite envoyée vers un multiplicateur 21 qui multiplie cette différence par un premier gain de Kalman K1 et envoie le résultat sur l'entrée négative d'un soustracteur 25. Le soustracteur 19, ou un autre soustracteur recevant les mêmes entrées et délivrant la même différence entre la tension mesurée U et la tension estimée U, envoie cette différence vers un multiplicateur 22 qui lui applique un gain K2, puis envoie le résultat sur un intégrateur 20, dont la sortie est une valeur intermédiaire Q qui est, d'une part, renvoyée vers l'estimateur de tension 18, et qui est d'autre part, envoyée après inversion par un inverseur 23, sur un multiplicateur 24. Le multiplicateur 24 reçoit sur une seconde entrée la valeur mesurée I de courant entrant dans la batterie, et délivre un produit I qu'il envoie sur une entrée positive du soustracteur 25. Le Q résultat du soustracteur 25 est envoyé sur un intégrateur 27 qui délivre une variable intermédiaire de calcul SOC qui est renvoyée vers l'estimateur de tension 18. Les valeurs intermédiaires de calcul Q et SOC sont également transmises par l'unité de calcul électronique 10 à d'autres unités de calcul électronique (non représentées), ou sont réutilisées par l'unité de calcul électronique 10 elle-même dans le cadre d'une estimation du niveau de charge SOC de la batterie ou de sa capacité maximale Q, ou d'autres grandeurs dépendant de ces valeurs. Les multiplicateurs 21 et 22 sont des multiplicateurs à gain variable qui reçoivent respectivement une première consigne de gain K1 et une seconde consigne de gain Kz du générateur de gain 17. Les gains K1 et Kz sont élaborés suivant la théorie des observateurs optimaux de Kalman. L'unité de calcul électronique 10 reçoit donc en entrée les trois valeurs mesurées de tension U, de température T et de courant I de la batterie 2, et délivre en sortie deux valeurs estimées Q et SOC qui sont des estimations de deux variables cachées Q et SOC du système. Le niveau de charge SOC et la capacité Q de la batterie ainsi calculés, sont donc fonction de l'état physique de la batterie, tel que mesuré par le capteur de température 9, par le voltmètre 8 et par l'ampèremètre 7. Ils reflètent donc fidèlement l'état physique de la batterie, à condition que les indications des différents capteurs soient exactes. Afin de consolider l'estimation donnée par la valeur Q de capacité maximale estimée de la batterie, il est possible d'effectuer en parallèle, de manière indépendante, une deuxième estimation du vieillissement de la batterie, basée sur l'historique des conditions de fonctionnement, en roulage et en stockage, de la batterie 2, ainsi que sur les caractéristiques physiques moyennes de la batterie 2 déterminées sur banc. Selon les variantes de réalisation, cette deuxième méthode d'estimation du vieillissement de la batterie peut être utilisée indépendamment de la première méthode déjà décrite. La figure 3 illustre un dispositif de surveillance complémentaire qui peut être relié à la batterie 2 parallèlement au dispositif déjà décrit sur la figure 1. On retrouve sur la figure 3 des éléments communs à la figure 1, les mêmes éléments étant alors désignés par les mêmes références. Le dispositif de la figure 3 comprend un estimateur 11 du niveau de charge (SOC) de la batterie 2, cet estimateur 11 étant relié à l'ampèremètre 7 et étant également relié à une unité de calcul électronique 12 appartenant au dispositif. Les estimateurs d'état de charge de la batterie sont connus de l'homme du métier. On trouve par exemple la description de tels estimateurs d'état de charge dans la demande de brevet WO 2005/085889. De tels estimateurs peuvent par exemple utiliser les indications d'un ampèremètre relié à la batterie pendant les phases de charge et de décharge ainsi que les mesures ponctuelles de tension aux bornes de la batterie. L'unité de calcul électronique 12 est également reliée au capteur de température 9 et à une horloge 13. Suivant les variantes de réalisation, l'estimateur 11 de niveau de charge de la batterie peut également être relié au voltmètre 8. L'unité de calcul électronique 12 utilise les signaux de l'horloge 13 pour enregistrer un historique des états de la batterie 2 pendant une période T. Ainsi, pendant une période de temps qui s'étend entre une date (p-1)2 jusqu'à une date p.T, où p est un nombre entier, l'unité de calcul électronique 2 enregistre à intervalles de temps réguliers une température moyenne (T) et un niveau de charge moyen SOC). La température moyenne (T) et le niveau de charge moyen (SOC) correspondant à chaque intervalle de temps sont obtenus par une moyenne glissante, en calibrant la longueur des fenêtres de moyennage en fonction des dynamiques respectives des variables T et SOC. La longueur de la fenêtre de moyennage peut être par exemple sensiblement inférieure ou égale à l'intervalle de temps entre deux acquisitions, et peut être différente pour la variable T et pour la variable SOC. Si la batterie est en charge ou en décharge, ce couple «T), SOC)) de valeurs moyennes est comptabilisé dans une première table de fréquence M,i. Si la batterie est à l'état inactif, le couple «T), SOC)) est comptabilisé dans une seconde table de fréquences N,i.

En outre, pendant les phases de charge ou de décharge de la batterie, un calcul intégral est effectué à partir des valeurs délivrées par l'ampèremètre 7 et par le voltmètre 8, pour calculer un nombre équivalent neq de cycles de charge-décharge effectués par la batterie 2 pendant la période T.

Les tables de fréquence M,i, N,i et le nombre de cycles équivalents neq sont ensuite utilisés pour calculer un coefficient de vieillissement C(pT) relatif à la p-iéme période i dont l'historique vient d'être enregistré, puis pour calculer une capacité maximale Q(pt) représentative de l'état global de vieillissement de la batterie.

La capacité maximale Q(pt) relative à la période dont l'historique vient d'être enregistré, se déduit de la capacité maximale Q((p-1)T) à la fin de la période précédente, par la relation : Q(pt) - C(pt) Q((p-1)T) Le calcul de la capacité est donc récurrent à chaque période, à partir d'une capacité initiale Q,,,, de la batterie. Nous verrons plus loin comment l'unité de calcul électronique 12 élabore les deux matrices M,i et N,i. M,i reflète une distribution, suivant un axe de température et suivant un axe de niveau de charge, du temps passé par la batterie, à l'état de simple stockage. La seconde matrice N,i reflète une distribution de temps passé par la batterie, suivant un axe de température et suivant un axe de niveau de charge, en état de charge ou de décharge.

La valeur nec, représente un nombre de cycles équivalents parcourus énergétiquement par la batterie 2. Le nombre de cycles équivalents peut par exemple être calculé par la formule suivante : neq = X U(t)I(tIdt (P-1 ).c où : U(t) est la tension enregistrée à l'instant t par le voltmètre 8

I(t) est l'intensité de courant enregistrée à l'instant t par l'ampèremètre 7

X est la capacité de la batterie 2 et peut par exemple s'exprimer sous la forme :

X = (U)Q«p -1)ti)

Où la valeur moyenne de tension (U) peut être soit une donnée du fournisseur de la batterie, soit être obtenue en intégrant la valeur mesurée de U sur l'intervalle de temps allant de (p-1)T à pi, et la capacité maximale de la batterie Q est prise égale à la dernière valeur connue, c'est-à-dire celle connue à l'instant (p-1).i.

L'unité de calcul électronique 12 calcule le coefficient C représentant le vieillissement de la batterie 2 entre l'instant (p-1).T et l'instant pT suivant une formule du type : i ~a C=1- E aii1/amii + ne4 E bii1/anii - a est une valeur réelle strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 1. a peut par exemple être proche de, ou égal à 0.5. (Eq. 1) où : - L'indice i est associé à une série d'intervalles de température [Ti, Tin] représentant une segmentation d'un intervalle de travail de la batterie 2 en termes de température.

Ainsi, si la batterie 2 travaille entre une température T° et une température Tmax, et si l'indice i varie entre 1 et une valeur I, on peut choisir Ti =T°+iT -T° . I+1

L'indice j est associé à un intervalle de niveaux de charge de la batterie [SOC,, SOCin], par exemple sachant que le niveau de la charge de la batterie peut être compris entre 0 et 1, on peut poser : SOCJ = J+1 - m,i sont les termes d'une table de fréquence représentant l'historique de la batterie pendant ses phases de repos, les termes m,i étant normalisés de manière à ce que =Tille , où Tidle est le temps i;

total où la batterie était à l'état de repos pendant la période T. - n,i sont les termes d'une table de fréquence représentant l'historique de la batterie pendant ses phases de décharge ou de recharge, les termes n,i étant normalisés de manière à ce que =1. i;

Le coefficient de pondération m,i représente un pourcentage de temps que la batterie 2 a passé, à l'état inactif, dans un état où elle se trouvait simultanément à une température comprise entre Ti et Tin et avec un niveau de charge compris entre SOC, et SOCin.

Le coefficient de pondération n,i représente un pourcentage de temps que la batterie 2 a passé, en phase de charge ou de décharge, dans un état où elle se trouvait simultanément à une température comprise entre Ti et Tin et avec un niveau de charge compris entre SOC, et SOCin.

Les coefficients a,i sont des coefficients caractéristiques de la batterie. Ils peuvent être déterminés à partir de courbes expérimentales d'évolution de la charge maximale Q(t) de la batterie au cours du temps t, réalisées pour une batterie au repos, à une température comprise dans l'intervalle [Ti, Tin] et pour un niveau de charge compris dans l'intervalle batterie [SOC,, SOCin], de manière à vérifier la relation suivante :

Q(t) _ [1-te' 'Qin, (Eq- 2) Où Q(t) est la capacité de la batterie à l'instant t, et Q,,,, est la capacité initiale de la batterie à l'instant=0. De manière similaire, les coefficients b,, sont des coefficients caractéristiques de la batterie qui peuvent être déterminés à partir de courbes expérimentales de manière à vérifier la relation suivante : Qeyde (E q . 3) où Qeyele représente la capacité résiduelle de la batterie après avoir effectué un cycle complet de décharge puis recharge en partant de la capacité initiale Q,,,, , en effectuant le cycle à une température T comprise dans l'intervalle [Ti, Tin], en partant d'un niveau de charge SOC compris dans l'intervalle batterie [SOC,, SOCin]. L'équation (Eql) est donc une généralisation des équations empiriques (Eq2) et (Eq3). Le coefficient de vieillissement C=Q/Q,,,, prend en compte à la fois le vieillissement dit calendaire de la batterie (par les coefficient a,i), c'est-à-dire le vieillissement pendant les phases d'inactivité de la batterie, et le vieillissement en cyclage de la batterie (par les coefficients b,,), c'est-à-dire le vieillissement engendré par les phases de charge et de décharge de la batterie 2. Le coefficient a, qui peut par défaut être choisi égal à 0.5, peut être déterminé à partir d'essais expérimentaux, ou être choisi à partir de considérations physiques sur les mécanismes électrochimiques mis en jeu dans la batterie. La figure 4 illustre un algorithme de remplissage d'une table de fréquences m,i correspondant aux phases d'inactivité de la batterie 2. Un algorithme similaire peut être utilisé pour remplir une table de fréquence n,i correspondant aux phases de charge et de décharge de la batterie 2. Tel qu'illustré sur la figure 4, l'unité de calcul 12, qui joue le rôle d'une unité d'acquisition de l'historique de la batterie 2, comprend une série de valeurs préprogrammées dans une mémoire fixe 40. Ces valeurs préprogrammées comprennent notamment deux bornes de comptage I et J, un intervalle temporel At sensiblement plus court que la période d'acquisition de l'historique, et quatre intervalles temporels t2, t3, t4 qui peuvent être du même ordre de grandeur que At, ou inférieurs. Sont également préprogrammées dans cette mémoire fixe, une série de températures Ti, T2, ...Ti, ...T'+'. Les températures Ti sont rangées par ordre strictement croissant. Sont également stockées en mémoire fixe une série de j+l valeurs comprises entre 0 et 1, de niveaux de charge SOC', SOC2, ...SOCJ+'. Suivant certaines variantes de réalisation, il est possible de ne pas stocker toutes les valeurs de température et toutes les valeurs de niveau de charge SOC,. On peut par exemple se contenter de stocker les bornes minimale et maximale correspondant à Ti et T'+', SOC' et SOCJ+', et générer les autres valeurs intermédiaires en les espaçant régulièrement pour avoir I valeurs de température Ti et J valeurs de niveau de charge SOC,. L'unité de calcul 12 est reliée à une horloge 13 qui définit une échelle de temps u. A une étape 30 correspondant à un instant u, qui est la fin d'une (p-1)iéme période de temps i, l'unité de calcul 12 réinitialise à 0 un compteur d'état k, et réinitialise à zéro une matrice M,i comportant I lignes et J colonnes. A cette étape 30, l'unité de calcul 12 initialise également un compteur t de dates d'enregistrement à une valeur (p-1) ti+ At. A une étape 31, l'unité de calcul 12 effectue un test pour savoir si la batterie est au repos. Si ce n'est pas le cas, l'unité de calcul 12 incrémente le compteur t de l'incrément At, attend que l'échelle de temps u atteigne la valeur t-t', et ré-effectue le test 31. Si le résultat du test 31 est positif, c'est-à-dire que la batterie est au repos, l'unité de calcul 12 acquiert une valeur moyenne de température (T) autour de

l'instant t, par exemple suivant la formule : 30 t+t2 (T)(t) = 1 f T(u)du ti + t2 t-ti A l'étape 32, l'unité de calcul 12 acquiert également une valeur de niveau de charge moyenne (SOC), par exemple suivant la formule :

t+t4 (SOC)(t)= t +t f SOC(u)lu 3 4 t-t3 A une étape 33, l'unité de calcul 12 comptabilise le couple de valeurs ( (T), (SOC)) acquis à l'étape 32, dans la matrice Mii de la

manière suivante : l'unité de calcul 12 incrémente d'une unité la seule case de la matrice Mii qui vérifie simultanément les deux équations T.< (T)(t) <_ Ti+1 et SOCS < (SOC)(t) <_ SOC.

Si le résultat du test 31 est positif, à une étape 34, l'unité de calcul 12 incrémente également le compteur k d'une unité. A une étape 35, l'unité de calcul effectue un test pour savoir si le compteur de temps t est devenu supérieur à p.T, c'est-à-dire s'il s'est écoulé une période depuis l'étape 30. Si la période est écoulée depuis l'étape 30, à une étape 38 l'unité de calcul 12 soit transmet les valeurs calculées pour la matrice Mii, soit les utilise directement pour effectuer elle-même le calcul d'un coefficient de vieillissement C(pt). A l'étape 38, l'unité de calcul 12 peut également transmettre un multiple de la matrice Mii, par exemple en la multipliant par l'intervalle de temps At, pour obtenir les coefficients mii de l'équation (Eql). Si à l'étape 35, le compteur de temps t n'a pas dépassé la valeur pt, à une étape 36 l'unité de calcul 12 incrémente le compteur de temps t de l'intervalle At, et attend pendant une étape 37 que le compteur de temps u soit arrivé à la valeur t-ti, puis ré-effectue le test 31. Ainsi, à l'étape de calcul 38, l'unité de calcul 12 dispose d'une matrice proportionnelle à la matrice Mii, par exemple une matrice mii = At . Mii =kAt. -.M.. , où k est la dernière valeur prise par le compteur k à l'étape 34, et kAt est le temps que la batterie 2 a passé à l'état inactif, et -.M.. est une matrice dont la somme des éléments est égale à 1.

Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure 4, l'unité de calcul 12 comporte une deuxième unité de comptabilisation des états de température et de niveau de charge correspondant aux états actifs de la batterie.

L'algorithme de fonctionnement de cette seconde unité peut être similaire à l'algorithme de la figure 4. On remplace pour cela le test 31, par un test vérifiant si la batterie est en état de charge ou de décharge. On remplace l'étape 33 par une étape de remplissage d'une matrice N,i suivant le même principe que le remplissage de la matrice M,i de l'étape 33 de la figure 4.

Le compteur k est alors remplacé par un deuxième compteur indépendant r, et à l'étape 38, l'unité de calcul 12 délivre de préférence une matrice n,i = 1 de manière à avoir la somme de tous r

les éléments de la matrice n,i égale à 1.

Les valeurs des matrices m,i et n,i sont ensuite utilisées par l'unité de calcul 12 pour calculer un coefficient de vieillissement C =C(pt).suivant l'équation (Eql), puis une capacité de la batterie O (pi) = C(pt) . O ((p-1)T), où O (pi) est la nouvelle capacité de la batterie, et O ((p-1)T) est la capacité de la batterie calculée à la période de temps précédente par la même unité de calcul 12.

Les unités de calcul 10 et 12 des figures 1 et 3 permettent donc d'obtenir deux évaluations indépendantes de la capacité maximale Q de la batterie 2. L'estimation Ode l'unité de calcul 10 tient davantage compte des indications directes de l'ampèremètre 7 et du voltmètre 8, alors que l'estimation O de l'unité de calcul 12 se base davantage sur les propriétés théoriques de la batterie et sur l'estimation de niveau de charge SOC de la batterie issue d'un estimateur 11 déjà en place.

I1 est possible de comparer les valeurs de capacités estimées issues des deux unités de calcul 10 et 12 afin de vérifier, d'une part, que le comportement de la batterie correspond à ses données théoriques, c'est-à-dire si la batterie ne fait pas l'objet d'une dégradation prématurée, et de vérifier, d'autre part, que les valeurs issues du capteur de température de l'ampèremètre et du voltmètre sont cohérentes.

En effet, un écart entre les deux valeurs estimées Q et Q de capacité de la batterie, peut provenir soit d'une non-conformité de la batterie, soit par exemple d'une indication erronée du voltmètre. Les données de l'ampèremètre étant en général utilisées par l'estimateur de niveau de charge 11, les indications erronées provenant de l'ampèremètre 7 ne provoqueront pas systématiquement un écart sensible entre les deux estimations de capacité de la batterie. On peut prévoir de déclencher un message d'alerte si la valeur absolue de la différence entre les deux valeurs estimées Q et Q de capacité de batterie dépasse un certain seuil. On peut également choisir d'utiliser un estimateur pondéré de capacité qui serait calculée comme un barycentre des valeurs de capacité de la batterie délivrées par l'unité de calcul 10 et par l'unité de calcul 12. On « distribue » ainsi les risques d'erreur entre les deux méthodes de calcul, et l'on peut accorder une confiance plus grande à l'une ou à l'autre méthode, en lui attribuant un coefficient plus élevé dans le calcul du barycentre. Cette valeur barycentrique ne sera bien sûr utilisée qu'après avoir vérifié la cohérence entre les deux valeurs, c'est-à-dire le fait que la valeur absolue de la différence entre les deux valeurs ne dépasse pas le seuil choisi.

L'unité de calcul 12 permet de calculer le coefficient de vieillissement C reliant la capacité de la batterie 2 à la fin d'une (p-1)iéme période de temps i, et la capacité de la batterie au début de la p-iéme période de temps 2 suivante. Afin de limiter la quantité de données stockées dans la mémoire de l'unité de calcul, l'historique de la batterie du véhicule n'est pas enregistré depuis le début de la mise en service de la batterie, mais seulement sur une période de temps T. La période de temps i est choisie suffisamment importante pour qu'un vieillissement puisse être perceptible sur cette période, tout en restant suffisamment courte pour disposer en permanence d'une valeur pertinente de capacité de la batterie. On enregistre à chaque période la capacité de la batterie estimée suite à la précédente campagne d'acquisition de l'historique de la batterie, pendant la précédente période i, et l'on recalcule la nouvelle capacité de la batterie suivant la formule Q (pT) = C(pT) - Q ((p-1)T)

Telle que décrite précédemment, l'unité de calcul électronique 12 permet d'estimer un coefficient de vieillissement C traduisant la diminution de la capacité de la batterie. Cependant, l'unité de calcul 12 peut également être configurée pour calculer un coefficient de vieillissement D reflétant l'augmentation progressive de la résistance interne R de la batterie, suivant les formules analogues à celles utilisées pour le coefficient de vieillissement C. On peut ainsi écrire

R(pt) = D(p-OR«p -1)ti) où R(p-1)i est la résistance interne de la batterie à fin d'une (p-1)éme période de temps, R(pi) est la résistance de la batterie à la fin d'une p-iéme période de temps i, et D(pi) est un coefficient de vieillissement calculé à partir d'une ou de plusieurs matrices de fréquence collectées durant la p-iéme période de temps T. Les matrices m,i et n,i collectées pour le calcul du coefficient de vieillissement C peuvent être réutilisées pour calculer un coefficient de vieillissement D associé à l'augmentation de résistance interne R de la batterie 2 suivant une formule du type : i i ~R D=1+ Edo3mii +ne,Eeo3nii où R est une valeur entière strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 1, et les coefficients et e,i caractéristiques de la batterie peuvent être déterminés sur banc. Le coefficient de vieillissement D peut permettre de calculer de manière plus précise -car prenant en compte le vieillissement de la batterie- les grandeurs reliées à la résistance interne de la batterie. I1 permet en particulier de calculer la réserve de courant supplémentaire disponible pour permettre une accélération du véhicule. Le courant supplémentaire disponible Id,spo peut par exemple s'écrire sous la forme _ U(t ) - U,,,;,, ldispo R((p -1}z Id,spo est le supplément d'intensité de courant que peut fournir la batterie sans que sa tension descende en dessous d'une tension minimale Um,,, au-delà de laquelle on risque d'endommager la batterie, U(t) est la tension actuelle aux bornes de la batterie, et R(p-1)i est la dernière estimation disponible de résistance interne de la batterie. On évite ainsi de solliciter la batterie au delà de sa capacité, ce que l'on risquerait de faire en évaluant Id,spo en utilisant la valeur "à neuf " de la résistance interne de la batterie. L'objet de l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits et peut faire l'objet de nombreuses variantes. Ainsi, les lignes des matrices M,i, N,i peuvent correspondre à des intervalles de température et les colonnes peuvent correspondre à des intervalles de niveau de charge ou inversement. La matrice représentant l'historique des états calendaires, c'est-à-dire des états où la batterie est inactive, peut être normalisée de différente manières : de manière à ce que la somme de ses éléments soit égale à 1, ou être au contraire multipliée de manière à ce que la somme de ses éléments corresponde au temps total passé à l'état inactif. Dans le premier cas le temps total devra apparaître dans l'équivalent de l'équation (Eql) utilisée, alors que dans le second cas, le temps total est intégré dans les coefficients m,i de l'équation (Eql), comme décrit plus haut.

I1 est également possible de faire intervenir un temps total passé en charge ou en décharge au lieu d'un nombre de cycles équivalent neq dans l'équation C. On peut utiliser un modèle qui ne prend en compte que la dépendance par rapport à la température, du vieillissement pendant l'état inactif de la batterie, en utilisant des coefficients a; fonction uniquement d'une plage de température et en collectant un historique de fréquences m; uniquement en fonction de la plage de températures. D'autres variantes sont encore possibles, à la fois sur la manière de comptabiliser l'historique de la batterie et sur la manière de pondérer les valeurs délivrées par les deux unités de calcul 10 et 12. Le dispositif de surveillance de batterie suivant l'invention permet de disposer en permanence d'une valeur estimée de capacité de la batterie, ou d'une valeur de résistance interne de la batterie, qui peuvent être utilisées pour planifier le prochain changement de batterie nécessaire, et qui peuvent également être utilisée comme donnée d'entrée pour estimer d'autres valeurs, par exemple pour améliorer les estimations d'un estimateur 11 classique de niveau de charge de la batterie.

En utilisant la variante de réalisation qui inclut à la fois les unités de calcul 10 et 12 fournissant deux évaluations indépendantes de la capacité de la batterie, on peut, en surveillant la cohérence des deux évaluations, vérifier si le rythme de vieillissement de la batterie est conforme aux caractéristiques moyenne de ce type de batterie (données par les coefficients a,i et b,, de l'Egl), et si les indications des capteurs/estimateurs ayant servi à l'une des évaluation (en particulier le voltmètre 8 ou l'estimateur de SOC 11) ne présentent pas de dérive flagrante.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de surveillance de l'état de charge d'une batterie (2) d'alimentation électrique embarquée sur un véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, comprenant un capteur (9) de température (T) de la batterie, un ampèremètre (7) apte à mesurer le courant (I) entrant ou sortant de la batterie (2), un voltmètre (8) apte à mesurer la tension (U) aux bornes de la batterie (2), et un estimateur de vieillissement (10), l'estimateur de vieillissement comprenant un estimateur de Kalman configuré pour estimer une première grandeur cachée (SOC), ou charge estimée suivant Kalman de la batterie, et une seconde grandeur cachée (Q) ou capacité maximale estimée de la batterie, dont les dérivées par rapport au temps sont évaluées à partir de l'écart (E) entre la tension (U) mesurée par le voltmètre, et une tension estimée (U), la tension estimée étant définie comme une fonction des grandeurs mesurées de courant (I) et de température (T), ainsi que des grandeurs estimées suivant Kalman (SOC, Q) de charge et de capacité maximale de la batterie.
2. 2. Dispositif de surveillance suivant la revendication 1, comprenant en outre un estimateur (11) de niveau de charge (SOC) de la batterie délivrant une valeur entre zéro et un, une mémoire dans laquelle est mémorisé un compteur (Q)de vieillissement, et une unité de comptage (12) qui est configurée pour multiplier périodiquement le compteur de vieillissement (Q) par un coefficient de vieillissement (C) calculé à partir de couples de valeurs de température et de niveau de charge (T,SOC) collectés sur une période de temps (t).
3. 3. Dispositif de surveillance suivant la revendication 2, comprenant en outre un comparateur de surveillance configuré pour comparer à un seuil de contrôle, la valeur absolue de la différence entre la capacité maximale estimée (Q) de la batterie, multipliée par une première constante, et le compteur de vieillissement ( Q), multiplié par une seconde constante.
4. 4. Dispositif de surveillance suivant l'une des revendications 2 ou 3, comprenant une unité (12) d'acquisition de l'historique de la batterie, l'unité d'acquisition étant apte à comptabiliser des couples de valeurs de température et de niveau de charge (T, SOC) acquis à intervalles de temps successifs, dans une table de fréquence (M,i, N,i) comptabilisant le nombre d'occurrences comprises simultanément dans une fourchette de température et dans une fourchette de niveau de charge donnée.
5. 5. Dispositif de surveillance suivant la revendication 4, dans lequel l'unité d'acquisition (12) de l'historique est configurée pour enregistrer le dernier couple de valeurs de température et de niveau de charge acquis, dans une première table de fréquence (N,i) si la batterie est en cours d'utilisation ou de recharge au moment de l'acquisition, et pour enregistrer le dernier couple de valeurs de température et de niveau de charge acquis, ou la dernière valeur de température acquise, dans une deuxième table de fréquence (M,i)si la batterie est au repos au moment de l'acquisition.
6. 6. Dispositif de surveillance suivant l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel l'unité d'acquisition (12) est configurée pour calculer et mémoriser un coefficient de vieillissement (C) sous la forme d'une constante à laquelle est soustraite une puissance a d'une combinaison linéaire des différentes valeurs de fréquence mémorisées dans la ou dans les tables de fréquence (M,i, N,i), où a est une valeur réelle strictement supérieure à zéro et inférieure ou égale à un.
7. 7. Dispositif de surveillance suivant la revendication 3, comportant une unité de diagnostic de vieillissement configurée pour afficher un message d'alerte si la valeur absolue de la différence calculée par le comparateur de surveillance est supérieure au seuil de contrôle.
8. 8. Dispositif de surveillance suivant la revendication précédente, dans lequel l'unité de diagnostic de vieillissement est configurée pour afficher, dans le cas où la valeur absolue de la différence est inférieure au seuil de contrôle, une capacité diagnostiquée de la batterie calculée comme une combinaison linéaire,par exemple comme un barycentre, des deux valeurs (Q,Q) du compteur de vieillissement et de la capacité maximale estimée de la batterie.
9. 9. Dispositif de surveillance suivant l'une des revendications 2 à 7, dans lequel l'estimateur du niveau de charge de la batterie est configuré pour utiliser l'une des trois valeurs : capacité diagnostiquée de la batterie, compteur de vieillissement, ou capacité maximale estimée de la batterie, et pour effectuer la prise en compte de cette valeur après chaque actualisation du compteur de vieillissement.
10. 10. Procédé de surveillance de l'état de charge d'une batterie (2) d'alimentation électrique embarquée sur un véhicule automobile à propulsion électrique ou hybride, dans lequel on évalue ou on enregistre en continu la température (T) de la batterie, le courant (I) entrant ou sortant de la batterie (2), et la tension (U) aux bornes de la batterie (2), et dans lequel on utilise un estimateur de Kalman pour estimer une première grandeur cachée ( SOC ), ou charge estimée suivant Kalman de la batterie, et une seconde grandeur cachée (Q) ou capacité maximale estimée de la batterie, en postulant que les dérivées par rapport au temps de ces deux grandeurs cachées sont reliées à l'écart (E) entre la tension (U) mesurée par le voltmètre, et une tension estimée (U), la tension estimée étant définie comme une fonction des grandeurs mesurées de courant (I) et de température (T), ainsi que des grandeurs estimées suivant Kalman (SOC,Q) de charge et de capacité maximale de la batterie.
11. 11. Utilisation d'un dispositif de surveillance suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour vérifier le fonctionnement normal du voltmètre (8) associé à la batterie (2), ainsi que la conformité du rythme de vieillissement de la batterie (2).