FR2976364A1

FR2976364A1 - Procede de determination de l'etat de charge et de l'etat de sante d'une batterie

Info

Publication number: FR2976364A1
Application number: FR1154913A
Authority: FR
Inventors: Walid Lajnef; Denis Porcellato
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-14

Abstract

Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) d'une batterie électrique de véhicule comportant une étape consistant à : - calculer l'état de charge SOC(t) en fonction d'un état de charge précédent SOC(t-Δt) à l'instant (t-Δt), caractérisé en ce que le procédé comporte avant l'étape de calcul de l'état de charge SOC(t) à l'instant (t) une étape consistant à - vérifier le calcul de l'état de charge précédent SOC(t-At) par une méthode indépendante basée exclusivement sur la mesure du courant l(t) échangé par la batterie et de la tension Vbatt(t) à ses bornes.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE L'ETAT DE CHARGE ET DE L'ETAT DE SANTE D'UNE BATTERIE La présente invention concerne de manière générale un procédé de détermination de l'état de charge d'une batterie montée sur un véhicule automobile électrique ou hybride. Il est connu dans l'art antérieur des procédés permettant de calculer l'état de charge d'une batterie, noté SOC. Ces procédés font appel à la méthode de l'intégration du courant échangé par la batterie, selon la formule suivante : f I SOC(t) = SOC(to ) batt .dt - `° Cbatt avec : - SOC(t) : état de charge à l'instant t - SOC(t0) est dit état de charge de référence supposé connu à l'instant initial tO - Cbatt est la capacité de la batterie - 'batt est le courant échangé par la batterie (par convention positif en 15 décharge) En contrepartie, ces procédés présentent notamment l'inconvénient d'être dépendants des erreurs de mesure pendant l'intégration du courant et de la variation au cours de l'utilisation de la capacité de la batterie (la capacité de la batterie diminue lentement lors de son vieillissement). 20 Le procédé de détermination du vieillissement, pour le calcul d'un état de santé, divulgué par le document FR 2 944 358 corrige la valeur de la capacité Cbatt à l'aide d'une cartographie prédéterminée de la capacité Cbatt en fonction du vieillissement. Toutefois, cela nécessite une connaissance préalable du modèle de batterie et cela n'est qu'une approximation du

vieillissement réel basé sur des mesures moyennées entraînant des erreurs de calcul sur le vieillissement et la capacité. Le procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie divulgué par le document FR 2 938 658 corrige, pour calculer le vieillissement de la batterie, la valeur de la capacité Cbatt avec l'historique des températures de la batterie, de l'état de charge, de la tension. De la même manière que précédemment, cela nécessite une connaissance préalable du modèle de batterie et cela n'est qu'une approximation du vieillissement réel entraînant des erreurs de calcul sur le vieillissement, la température et la capacité. De plus, il faut prévoir une mesure de température, ce qui complexifie le système complet. Une autre méthode connue est de déduire l'état de charge d'une mesure de tension à vide (Ev) de la batterie, à l'aide d'une courbe connue de la tension à vide en fonction de l'état de charge, Ev = f(SOC).

Malheureusement, cette méthode ne peut pas être mise en oeuvre lors du fonctionnement du véhicule car la mesure de la tension à vide doit se faire lorsque la batterie est au repos depuis un certain temps (au moins quinze minutes). Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients des documents de l'art antérieur mentionnés ci-dessus et en particulier, tout d'abord, de proposer un procédé simple de détermination de l'état de charge d'une batterie, pendant son utilisation, avec une bonne précision de calcul, sans pour autant nécessiter de connaissance préalable de l'évolution de la capacité de la batterie en fonction du vieillissement ou de la température.

Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un procédé de détermination de l'état de charge (SOC) d'une batterie électrique de véhicule échangeant un courant électrique I(t) avec une tension Vbatt(t) à ses bornes, à un instant (t) d'utilisation à partir d'un instant initial d'utilisation (ta), la batterie ayant une capacité Cbatt, le procédé comportant les étapes consistant à : - prendre en compte un état de charge initial SOC(to) ;

- mesurer dans le temps le courant I(t) échangé par la batterie et la tension Vbatt(t) à ses bornes; - intégrer à intervalles de temps (At) le courant échangé par la batterie entre l'instant initial (to) et l'instant (t) ; - calculer à chaque intervalle de temps (At) l'état de charge SOC(t) en fonction de l'état de charge précédent SOC(t-At) à l'instant (t-At), de l'intégration du courant I(t) entre l'instant (t-At) et l'instant (t), et de la capacité Cbatt ; caractérisé en ce que le procédé comporte avant l'étape de calcul de l'état de 10 charge SOC(t) à l'instant (t) les étapes consistant à - vérifier le calcul de l'état de charge précédent SOC(t-At) par une méthode indépendante basée exclusivement sur la mesure du courant I(t) échangé par la batterie et de la tension Vbatt(t) à ses bornes ; - réajuster le valeur de l'état de charge précédent SOC(t-At) pour le calcul en 15 cours de l'état de charge SOC(t) si la vérification du calcul de l'état de charge précédent SOC(t-At) indique une erreur supérieure à un seuil prédéterminé. L'invention propose de réajuster en cours de calcul la valeur de l'état de charge précédent à l'aide uniquement des mesures de courant et de tension de la batterie. La précision est bonne car il y a réajustement des paramètres 20 utilisés si une erreur de calcul supérieure à un seuil prédéterminé intervient. Par ailleurs, le procédé est simple à mettre en oeuvre, car aucun matériel supplémentaire n'est nécessaire, il n'y a que la tension et le courant à mesurer. La méthode traditionnelle de calcul de l'état de charge utilisant l'intégration du courant est donc fiabilisée par le réajustement opéré si 25 nécessaire. De manière avantageuse, l'étape de vérification du calcul de l'état de charge précédent SOC(t-At) par une méthode indépendante comprend les étapes qui consistent à : - mesurer la tension Vbatt(t-At) aux bornes de la batterie à l'instant (t-At) ; 30 - déduire de la valeur de l'état de charge précédent SOC(t-At) à l'instant (t-At) une valeur théorique Vbatt estimée(t-At) de la tension aux bornes de la batterie ; - comparer les valeurs Vbatt(t-At) et Vbatt estimée(t-At). Le procédé selon l'invention utilise un calcul théorique de tension pour le comparer avec la mesure réelle. Ainsi, la vérification est simple à effectuer, 5 tout en étant précise. Avantageusement, l'étape de déduction d'une valeur théorique Vbatt estimée(t-At) de la tension aux bornes de la batterie comprend une étape consistant à calculer une tension U1 (t-At) aux bornes d'un modèle électrique théorique prédéterminé de la batterie, à l'aide de l'intensité I(t-At) mesurée à 10 l'instant (t-At). Pour calculer la tension Vbatt estimée(t-At), le procédé selon la présente invention utilise un modèle électrique théorique de la batterie et la valeur mesurée de l'intensité I(t-At) échangée par al batterie, ce qui procure une bonne précision à ce calcul. 15 Avantageusement, l'étape de déduction d'une valeur théorique Vbatt estimée(t-At) de la tension aux bornes de la batterie comprend une étape consistant à calculer une tension à vide de la batterie Ev(t-At), à l'instant (t-At), l'aide d'une table prédéterminée de la tension à vide Ev de la batterie en fonction de l'état de charge SOC. 20 Pour calculer la tension Vbatt estimée(t-At), le procédé selon la présente invention utilise une table prédéterminée de la tension à vide Ev de la batterie en fonction de l'état de charge SOC(t-At), une telle table étant connue et fiable, le calcul est précis. Avantageusement, l'étape de réajustement de l'état de charge 25 précédent SOC(t-At) comporte les étapes consistant à - calculer une tension U1 (t-At) aux bornes d'un modèle électrique théorique prédéterminé de la batterie, à l'aide de l'intensité I(t-At) mesurée à l'instant (t-At); - calculer une tension à vide EV(t-At) de la batterie à l'aide de la tension U1(t-At) calculée et de la tension Vbatt(t-At) mesurée à l'instant (t-At); - déterminer l'état de charge précédent SOC(t-At) à l'aide d'une table prédéterminée de la tension à vide Ev de la batterie en fonction de l'état de 5 charge. Le réajustement de l'état de charge précédent est réalisé en fonction de la mesure de l'intensité et de la tension mesurées, ainsi que de la table indiquant la tension à vide en fonction de l'état de charge, ce qui confère une bonne précision au calcul. 10 Avantageusement, le procédé comporte une étape consistant à remettre à jour le modèle électrique prédéterminé de la batterie et sa capacité Cbatt en fonction de son vieillissement. La présente invention améliore encore la précision du calcul de l'état de charge en remettant à jour la valeur de la capacité de la batterie. Cette mise 15 à jour peut être périodique ou réalisée à la demande de l'utilisateur. Avantageusement, le modèle électrique prédéterminé de la batterie comporte deux résistances internes et une capacité C1, et l'étape de mise à jour du modèle électrique théorique prédéterminé de la batterie consiste à calculer par un algorithme la valeur des deux résistances et de la capacité C1 20 à l'aide de l'intensité I(t), de la tension Vbatt(t) et de la tension à vide Ev. La mise à jour concerne l'ensemble des paramètres du modèle électrique théorique prédéterminé utilisés pour le calcul de l'état de charge, ce qui procure une bonne précision de ce calcul. Avantageusement, l'étape de mise à jour de la capacité Cbatt consiste 25 à calculer la capacité Cbatt en fonction de la variation de l'intensité I(t) et de la variation de l'état de charge SOC, entre l'instant (t) et l'instant (t-At). Ces deux paramètres sont précis et sont issus de mesures physiques, ce qui donne une bonne précision pour la valeur de la capacité de la batterie.

Avantageusement, le procédé comporte une étape de détermination d'un état de santé de la batterie en comparant la capacité Cbatt calculée avec la capacité Cbatt de la batterie lorsqu'elle était neuve et/ou en comparant les valeurs des résistances internes calculées avec les valeurs des résistances internes de la batterie lorsqu'elle était neuve. L'invention propose avantageusement un calcul de l'état de santé de la batterie. Il est à noter que cela est possible sans calcul de paramètres supplémentaires, car ceux-ci (la capacité et la résistance interne) ont été déterminés pour le calcul de l'état de charge. Un véritable effet bonus est obtenu par cette mise en oeuvre. Un second aspect de l'invention est un véhicule automobile comportant au moins une batterie dont l'état de charge est déterminé par le procédé selon le premier aspect de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente un modèle électrique d'une batterie, utilisé par le procédé selon l'invention.

La figure 1 représente le modèle électrique théorique d'une batterie dont l'état de charge est déterminé par le procédé selon l'invention. La batterie peut être modélisée comme étant une capacité C1 en parallèle avec une première résistance interne R1, le tout en série avec une deuxième résistance interne Ro. L'équipement standard du véhicule permet de mesurer la tension Vbatt et l'intensité I(t). On dispose également de la courbe qui donne la tension à vide en fonction de l'état de charge de la batterie. A vide, la batterie présente une tension à vide Ev, et on peut écrire la relation suivante : Ev = Vbatt + U1 (1), Comme expliqué plus haut, les procédés de calcul de l'état de charge d'une batterie utilisent la méthode d'intégration du courant, selon la formule suivante : f I(t).dt SOC(t) = SOC(to) - `° (2), Cbatt avec : - SOC(t) : état de charge à l'instant t - SOC(t0) est dit état de charge de référence supposé connu à l'instant initial tO - Cbatt est la capacité de la batterie - I(t) est le courant échangé par la batterie (convention positif en décharge) L'invention propose de mesurer dans le temps le courant I(t) et à intégrer ce courant pendant des intervalles de temps (At). A partir de cette formule (2), on peut déduire l'état de charge à un instant t à partir de celui calculé à l'instant précédent (t-At) :

SOC(t) = SOC(t - At) - I(t) *At , (3) Cbatt En parallèle, du modèle électrique théorique de la batterie et de l'équation (1), on peut déduire que : Vbatt = Ev- U1 (4) et que, à l'aide d'une transformation inverse de Laplace de la fonction de transfert de premier ordre, U1 : TL-1 (G(p)xl(t)) (5) avec : - Tri : transformée de Laplace inverse Par ailleurs, il est possible, en fonction de l'état de charge SOC de déterminer la tension à vide Ev. A cet effet, il suffit d'utiliser la cartographie

prédéterminée et connue de la batterie qui donne la tension à vide Ev en fonction de l'état de charge. Il est alors possible de résoudre l'équation (4) et de donner une valeur estimée de Vbatt estimée(t-At). Une simple comparaison entre la valeur mesurée de la tension Vbatt(t-At) et la valeur estimée Vbatt estimée(t-At) permet de déterminer si une erreur de calcul interviendra dans le calcul de l'état de charge SOC(t) à l'instant t en utilisant la formule (3). Si la différence entre la valeur mesurée de la tension Vbatt(t-At) et la valeur estimée Vbatt estimée(t-At) est supérieure à un seuil prédéterminé, le procédé selon l'invention utilisera pour résoudre l'équation (3), la valeur de l'état de charge SOC(t-At) à l'instant (t-At) déterminée à l'aide de la cartographie prédéterminée et connue de la batterie qui donne la tension à vide Ev en fonction de l'état de charge SOC. La caractéristique principale de ces étapes est que les valeurs Vbatt estimée(t-At) et SOC(t-At) ainsi déterminées ne l'ont été que sur la base de l'intensité mesurée. Cette méthode indépendante de l'intégration du courant permet d'apporter une bonne précision au calcul de l'état de charge. Par ailleurs, il est possible d'une part, à l'aide d'un algorithme d'identification aux moindres carrés récursif ayant pour entrée l'intensité I(t) mesurée et la tension Vbatt(t), de calculer en sortie les valeurs des résistances Ro et R1, ainsi que de la capacité C1 utilisées pour le modèle électrique théorique. D'autre part, en fonction de la variation de la charge de la batterie et de la variation de l'état de charge pendant le même temps, on peut déduire la valeur réelle de la capacité Cbatt, en partant de l'équation (3) : C _ I(t)At (6) b°" - ASOC L'invention permet de remettre à jour les constantes physiques Ro et R1, ainsi que Cbatt, en n'utilisant que les mesures de courant et de tension aux bornes de la batterie. Ces valeurs peuvent alors remplacer celles utilisées dans les équations (3) et (5) pour améliorer la précision du calcul et tenir compte du vieillissement de la batterie.

Enfin, une fois les constantes physiques de la batterie remises à jour, il est possible de les comparer avec les valeurs à neuf pour déterminer un état de santé de la batterie (SOH) afin d'estimer ses performances et son aptitude à stocker et restituer de l'énergie électrique.

Un premier volet consiste à comparer la capacité Cbatt actuelle avec la valeur à neuf. Lors du vieillissement, la capacité Cbatt de la batterie diminue et on peut vérifier par exemple que la diminution n'est pas supérieure à 30% de la valeur initiale. On utilise alors la formule suivante : SOH (%) =100 * Cbartneuve - Cba,tactuelle Capa 0.3 * Cbau neuve avec SOH qui doit rester inférieur à 100.

Le deuxième volet consiste à comparer la valeur de la résistance interne actuelle avec la valeur à neuf. Lors du vieillissement, la résistance interne augmente et on peut vérifier par exemple que la résistance interne actuelle reste inférieure au double de la résistance interne à neuf. On utilise la

formule suivante : SOH (%) = 100 * (Ro + Rt )actuelle - (Ro + R~ )neuve R int (Ro + R~ )neuve avec SOH qui doit rester inférieur à 100.

Ces estimations sont réalisées sans mesure de température, et seulement à l'aide des mesures de courant et de tension aux bornes de la batterie.

On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) d'une batterie électrique de véhicule échangeant un courant électrique I(t) avec une tension Vbatt(t) à ses bornes, à un instant (t) d'utilisation à partir d'un instant initial d'utilisation (to), la batterie ayant une capacité Cbatt, le procédé comportant les étapes consistant à : - prendre en compte un état de charge initial SOC(to) ; - mesurer dans le temps le courant I(t) échangé par la batterie et la tension Vbatt(t) à ses bornes; - intégrer à intervalles de temps (At) le courant échangé par la batterie entre l'instant initial (to) et l'instant (t) ; - calculer à chaque intervalle de temps (At) l'état de charge SOC(t) en fonction de l'état de charge précédent SOC(t-At) à l'instant (t-At), de l'intégration du courant I(t) entre l'instant (t-At) et l'instant (t), et de la capacité Cbatt ; caractérisé en ce que le procédé comporte avant l'étape de calcul de l'état de charge SOC(t) à l'instant (t) les étapes consistant à - vérifier le calcul de l'état de charge précédent SOC(t-At) par une méthode indépendante basée exclusivement sur la mesure du courant I(t) échangé 20 par la batterie et de la tension Vbatt(t) à ses bornes ; - réajuster le valeur de l'état de charge précédent SOC(t-At) pour le calcul en cours de l'état de charge SOC(t) si la vérification du calcul de l'état de charge précédent SOC(t-At) indique une erreur supérieure à un seuil prédéterminé.
2. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon la 25 revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de vérification du calcul de l'état de charge précédent SOC(t-At) par une méthode indépendante comprend les étapes qui consistent à : - mesurer la tension Vbatt(t-At) aux bornes de la batterie à l'instant (t-At) ; - déduire de la valeur de l'état de charge précédent SOC(t-At) à l'instant (t-At) 2976364 -11- une valeur théorique Vbatt estimée(t-At) de la tension aux bornes de la batterie ; - comparer les valeurs Vbatt(t-At) et Vbatt estimée(t-At).
3. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de déduction d'une valeur 5 théorique Vbatt estimée(t-At) de la tension aux bornes de la batterie comprend une étape consistant à calculer une tension U1 (t-At) aux bornes d'un modèle électrique théorique prédéterminé de la batterie, à l'aide de l'intensité I(t-At) mesurée à l'instant (t-At).
4. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon la 10 revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de déduction d'une valeur théorique Vbatt estimée(t-At) de la tension aux bornes de la batterie comprend une étape consistant à calculer une tension à vide de la batterie Ev(t-At), à l'instant (t-At), l'aide d'une table prédéterminée de la tension à vide Ev de la batterie en fonction de l'état de charge SOC. 15
5. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de réajustement de l'état de charge précédent SOC(t-At) comporte les étapes consistant à - calculer une tension U1 (t-At) aux bornes d'un modèle électrique théorique prédéterminé de la batterie, à l'aide de l'intensité I(t-At) mesurée à l'instant (t- At); - calculer une tension à vide EV(t-At) de la batterie à l'aide de la tension U1(t-At) calculée et de la tension Vbatt(t-At) mesurée à l'instant (t-At); - déterminer l'état de charge précédent SOC(t-At) à l'aide d'une table prédéterminée de la tension à vide Ev de la batterie en fonction de l'état de 25 charge.
6. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape consistant à remettre à jour le modèle électrique prédéterminé de la batterie et sa capacité Cbatt en fonction de son vieillissement. 2976364 -12-
7. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon la revendication 6, le modèle électrique prédéterminé de la batterie comportant deux résistances internes et une capacité C,, caractérisé en ce que l'étape de mise à jour du modèle électrique théorique prédéterminé de la batterie 5 consiste à calculer par un algorithme la valeur des deux résistances et de la capacité C, à l'aide de l'intensité I(t), de la tension Vbatt(t) et de la tension à vide Ev.
8. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de mise à jour de la capacité 10 Cbatt consiste à calculer la capacité Cbatt en fonction de la variation de l'intensité I(t) et de la variation de l'état de charge SOC, entre l'instant (t) et l'instant (t-At).
9. Procédé de détermination de l'état de charge (SOC) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination 15 d'un état de santé de la batterie en comparant la capacité Cbatt calculée avec la capacité Cbatt de la batterie lorsqu'elle était neuve et/ou en comparant les valeurs des résistances internes calculées avec les valeurs des résistances internes de la batterie lorsqu'elle était neuve.
10. Véhicule automobile comportant au moins une batterie dont 20 l'état de charge est déterminé par le procédé selon l'une des revendications 1 à 9.