FR2999718A1 - Systeme de gestion de banc de test de batteries - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de gestion de banc (6) de test de batteries capable de réaliser plusieurs essais de nature différente en temps réel et de s'adapter à différentes cellules ou batteries (3). Dans ce but, un système de gestion de banc de test de batterie selon l'invention commande à la fois au moins une armoire électrique de puissance (2), des dispositifs auxiliaires (8 ; BMS) et directement au moins une cellule ou une batterie (3) à tester.
Description
La présente invention concerne le domaine des bancs de test pour batterie, notamment pour des batteries destinées à être utilisées au sein de véhicules automobiles. De nos jours, de nombreux systèmes électriques embarquent un moyen de stockage d'énergie, notamment sous forme de batteries comportant plusieurs cellules électrochimiques, plusieurs supercondensateurs ou plusieurs supercapacités, il s'agit notamment des téléphones portables, des ordinateurs portables, des moyens de transport électriques ou hybrides et des outils portatifs. Outre les applications embarquées, notamment liées au transport et à la mobilité, certaines applications dites stationnaires associées à la production intermittente de l'énergie électrique utilisent également des systèmes de stockage d'énergie de type batterie. Une batterie électrique est un organe complexe constitué d'accumulateurs, également dits éléments ou cellules, connectés en série et/ou parallèle, généralement équilibrés entre eux par des composants électroniques afin de maintenir un état de charge homogène pour l'ensemble. Connaître les caractéristiques des cellules et des batteries, leur évolution et leur comportement dans le temps permet de concevoir des batteries adaptées à leur utilisation. Dans ce but, il a été développé différentes méthodes pour l'étude des cellules et batteries, notamment pour déterminer leur état de charge (SoC : de l'anglais State of Charge), leur état de santé (SoH : de l'anglais State of Health), leur plage de fonctionnement (notamment au niveau de la température), leur autonomie... Toutefois, ces méthodes sont indépendantes les unes des autres, nécessitent une quantité importante de matériel et sont par conséquent onéreuses. Afin de pouvoir réaliser plusieurs mesures, des bancs de test de batterie ont été mis au point. Le document KR 2005 0005694 A décrit un exemple de banc de test de batterie. Un exemple de banc de test de batterie selon l'art antérieur est représenté en figure 1. Ce banc d'essai de batterie comporte un ordinateur de commande (1), par exemple un PC du type BTS600, une armoire de puissance électrique (2). L'armoire de puissance électrique (2) est reliée à la batterie (3) au moyen d'une connexion (5) pour le transfert de la puissance électrique pour alimenter la batterie (3) d'une part et pour l'acquisition des mesures d'autre part. L'ordinateur de commande (1) est relié à l'armoire de puissance (2) par une connexion (4). L'ordinateur de commande (1) commande l'armoire de puissance (2) pour gérer l'alimentation de la batterie (3) dans le but de réaliser la mesure souhaitée mais ne contrôle pas directement la batterie. Par ailleurs, selon cette technique on peut contrôler uniquement la batterie (3), mais pas des dispositifs auxiliaires équipant la batterie, qui sont contrôlés indépendamment de la batterie. Ces dispositifs auxiliaires peuvent être typiquement un système de gestion de batterie (BMS) ou un système de conditionnement thermique (8), c'est à dire un système de refroidissement ou de chauffage de la batterie (3).
Pour palier ce problème, l'invention concerne un système de gestion de banc de test de batteries capable de réaliser plusieurs essais de nature différente en temps réel et de s'adapter à différentes cellules ou batteries. Dans ce but, un système de gestion de banc de test de batterie selon l'invention commande à la fois au moins une armoire électrique de puissance, des dispositifs auxiliaires et directement au moins une cellule ou une batterie à tester. Le système selon l'invention L'invention concerne un système de gestion d'un banc de test de système de stockage d'énergie électrique, ledit banc de test de batterie étant destiné à réaliser au moins un essai sur au moins un système de stockage d'énergie électrique comprenant au moins une cellule électrochimique de stockage d'énergie et étant pourvu d'au moins un dispositif auxiliaire. Ledit système de gestion comprend : a) une unité de commande en temps réel dudit essai, ladite unité de commande étant apte à contrôler ledit système de stockage d'énergie électrique, ledit dispositif auxiliaire et une armoire de puissance électrique dans le but de réaliser ledit essai, ladite armoire de puissance électrique étant intégrée dans ledit banc de test de batterie et étant apte à alimenter électriquement ledit système de stockage de l'énergie électrique, b) des moyens de communication entre ladite unité de commande et ledit système de stockage d'énergie électrique destinés au contrôle dudit système de stockage de l'énergie électrique, c) des moyens de communication entre ladite unité de commande et ladite armoire de puissance électrique destinés au contrôle de ladite armoire de puissance électrique, d) des moyens de communication entre ladite unité de commande et ledit dispositif auxiliaire destinés au contrôle dudit dispositif auxiliaire et/ou à l'acquisition de signaux dudit dispositif auxiliaire, et e) des moyens d'acquisition de signaux électriques de mesure pendant ledit essai. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit au moins un dispositif auxiliaire est un système de gestion de batterie. Avantageusement, ledit système de gestion du banc est apte à communiquer avec ledit système de gestion de batterie et à acquérir des signaux du système de gestion de batterie, dans le but de réaliser au moins un essai pour l'ensemble constitué dudit système de stockage d'énergie électrique et dudit système de gestion de batterie.35 Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, ledit au moins un dispositif auxiliaire est un système de conditionnement thermique de la batterie. Selon l'invention, ladite unité de commande réalise au moins une des fonctions suivantes pour ledit essai : sauvegarde de données, notamment lesdits signaux de mesure, pendant ledit essai, et/ou génération d'une puissance pour alimenter au moins ledit dispositif auxiliaire équipant ledit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou équilibrage de la charge de cellules constituant ledit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou communication avec ladite armoire de puissance électrique, ledit système de stockage de l'énergie électrique, et ledit dispositif auxiliaire et/ou contrôle de ladite armoire de puissance électrique et dudit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou estimation de l'état interne dudit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou construction d'un modèle dudit système de stockage de l'énergie électrique. De manière avantageuse, ledit système de gestion réalise au moins un essai : d'estimation de l'état interne dudit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou de contrôle et de mesure des conditions de fonctionnement dudit système de stockage de l'énergie électrique, notamment de la température et de la tension dudit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou de comportement dudit système de stockage de l'énergie électrique en simulant une intégration dudit système de stockage de l'énergie électrique dans un véhicule, et/ou de comportement d'une cellule de stockage d'énergie électrique en simulant son association à au moins une autre cellule de stockage d'énergie électrique, et/ou pour une modélisation et une calibration d'un modèle dudit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou de commande d'au moins un dispositif auxiliaire audit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou d'équilibrage de la charge dudit système de stockage de l'énergie électrique. De préférence, ledit système de gestion de banc est une unité centrale informatique comprenant : un processeur pour ladite unité de commande, au moins une carte électronique d'entrées/sorties pour lesdits moyens de communication avec ledit système de stockage de l'énergie électrique, ledit dispositif auxiliaire et ladite armoire de puissance électrique et une carte électronique d'acquisition pour l'acquisition desdits signaux de mesure.
Avantageusement, ladite carte d'acquisition comprend un boîtier d'interconnexion analogique, une carte électronique d'équilibrage, de préférence associée à une carte d'isolation galvanique. De plus, ladite unité centrale peut comprendre en outre une carte électronique de puissance, notamment du type modulation de largeur d'impulsion, pour une commande d'au moins un dispositif auxiliaire audit système de stockage de l'énergie électrique. De manière avantageuse, ladite au moins une carte d'entrées/sorties comprend au moins une carte CAN et/ou au moins une carte RS232 et/ou au moins une carte du type modulation de largeur d'impulsion.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit système de gestion comprend en outre des moyens de communication avec une deuxième unité centrale ou un calculateur qui simule le comportement d'un véhicule électrique ou hybride. De préférence, lesdits signaux de mesure sont issus directement dudit système de stockage de l'énergie électrique ou de capteurs.
De manière avantageuse, ledit système de stockage de l'énergie électrique est destiné à être implanté au sein d'un véhicule électrique ou hybride, notamment automobile. L'invention concerne également un banc de test de système de stockage d'énergie électrique pour réaliser au moins un essai sur au moins un système de stockage d'énergie électrique comportant au moins une cellule électrochimique. Le banc de test comprend en outre un système de gestion de banc tel que décrit précédemment et une armoire de puissance électrique contrôlée par ledit système de gestion de banc, ledit système de stockage de l'énergie électrique étant alimenté par ladite armoire de puissance électrique et étant contrôlée par ledit système de gestion de banc.
Selon une variante de réalisation, le banc de test comprend en outre une deuxième unité centrale ou un calculateur qui simule le comportement d'un véhicule électrique ou hybride. En outre, l'invention concerne, l'utilisation d'un banc de test de système de stockage d'énergie électrique tel que décrit ci-dessus, pour la conception d'un système de stockage d'énergie électrique, dans laquelle on réalise au moins un essai en temps réel au moyen dudit banc d'essai sur au moins une cellule de stockage d'énergie, et on conçoit ledit système de stockage de l'énergie électrique en fonction dudit essai. Avantageusement, ledit essai est une estimation de l'état de charge ou de l'état de santé de ladite cellule. En outre, le banc de test peut être utilisé pour la conception d'un système de gestion de batterie équipant ledit système de stockage de l'énergie électrique, dans laquelle on réalise au moins un essai en temps réel au moyen dudit banc d'essai sur au moins une fonction dudit système de gestion de batterie agissant sur au moins une cellule de stockage d'énergie et on adapte lesdites fonctions du système de gestion de batterie en fonction dudit essai.
Avantageusement, ladite fonction du système de gestion de batterie est une estimation de l'état et/ou un équilibrage de la charge dudit système de stockage de l'énergie électrique et/ou une commande d'un système de refroidissement équipant ledit système de stockage de l'énergie électrique. Selon une variante de réalisation de l'invention, pour réaliser ledit essai, on simule au moins une autre cellule et/ou l'intégration de ladite cellule au sein d'un véhicule au moyen dudit système de gestion de banc. Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. La figure 1, déjà décrite, illustre un banc de test de batterie selon l'art antérieur. La figure 2 illustre un banc de test de batterie selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 illustre un banc de test de batterie selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 4 représente un système de gestion selon l'invention. La figure 5 représente un système de gestion selon une autre variante de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention L'invention concerne un système de gestion de banc de test de batterie capable de réaliser plusieurs essais pour plusieurs types de batteries ou cellules. Selon l'invention, le système de gestion comprend : une unité de commande en temps réel de l'essai à réaliser, des moyens de communication entre l'unité de commande et la batterie (ou cellule), des moyens de communication entre l'unité de commande et l'armoire de puissance électrique, des moyens de communications avec des dispositifs auxiliaires équipant la batterie, des moyens d'acquisition de signaux de mesure. Le banc de test selon l'invention permet de tester soit une ou plusieurs batteries entières soit un ou plusieurs packs qui sont par définition dotés d'un BMS, soit une ou plusieurs cellules électrochimiques de stockage d'énergie (qui est le composant électrochimique unitaire d'une batterie) soit ou un ou une pluralité de modules, qui sont des ensembles de cellules. L'appellation système de stockage d'énergie électrique regroupe tous ces termes : batterie, pack, module et cellule. Par ailleurs, dans la suite de la description, le terme générique batterie est utilisé pour désigner à la fois une batterie entière ou une cellule ou en ensemble de cellules, avec ou sans système de gestion de batterie BMS. L'unité de commande pilote l'armoire de puissance du banc de test pour alimenter électriquement la batterie (ou le module ou la cellule) en fonction de l'essai à réaliser, et contrôle également la batterie (ou une cellule seule) de manière adaptée pour l'essai à réaliser. L'unité de commande héberge des fonctions temps-réel, dites fonctions logicielles, pour la réalisation de l'essai. Les fonctions logicielles pouvant être mises en oeuvre dans l'unité de commande sont les suivantes : sauvegarde de données ("datalogger"), notamment signaux de mesure issus de capteurs ou directement de la batterie, génération d'une puissance pour alimenter des dispositifs auxiliaires équipant la batterie, par exemple un système de refroidissement ou de régulation thermique (appelé système de conditionnement thermique de la batterie) notamment un ventilateur ou une pompe de refroidissement, équilibrage de la charge des cellules constituant la batterie, communication avec l'armoire de puissance électrique, la batterie et éventuellement avec un système de gestion de batterie (BMS : de l'anglais Battery Management System), contrôle de l'armoire de puissance électrique, et de la batterie et éventuellement du système de gestion de la batterie (BMS), estimation de l'état interne de la batterie, au moyen d'algorithmes d'estimation, construction d'un modèle de batterie et calibration de paramètres du modèle par génération d'excitations par l'armoire de puissance électrique et analyse des réponses acquises. Au moyen de ces fonctions, l'unité de commande peut réaliser : un essai d'estimation de l'état interne de ladite batterie (par exemple l'état de charge SoC ou l'état de santé de la batterie SoH), et/ou un contrôle ou une mesure du comportement de ladite batterie, notamment de la température et de la tension de ladite batterie soumise à un profil de courant et à un conditionnement thermique donné, et/ou une simulation de l'environnement d'usage de la batterie, par exemple du comportement d'un véhicule intégrant la batterie à tester, et/ou une simulation du comportement d'au moins une cellule en simulant son association avec la batterie à tester, et/ou un essai pour une modélisation et une calibration d'un modèle de ladite batterie, et/ou un essai de commande d'au moins un dispositif auxiliaire à la batterie, tel qu'un système de refroidissement ou de régulation thermique, par exemple un ventilateur ou une pompe d'un refroidisseur, et/ou un essai d'équilibrage de la charge entre plusieurs cellules de ladite batterie. L'ensemble des fonctions réalisables par l'unité de commande permet de réaliser une pluralité d'essais différents avec le banc de test de batterie selon l'invention. Le système de gestion de banc selon l'invention permet donc l'adaptabilité du banc de test à différents essais. La figure 4 représente un système de gestion de banc selon un mode de réalisation de l'invention. Selon ce mode de réalisation, le système de gestion de banc (6) est une unité centrale informatique comportant un processeur (CPU) et un ensemble de cartes et de composants électroniques pour réaliser les différentes fonctions. Le système de gestion (6) comprend une carte électronique d'acquisition (ACQ) pour l'acquisition de signaux électriques de mesure. Il comprend également au moins une carte d'entrées/sorties (E/S) qui est reliée à l'armoire de puissance électrique (2) et à la batterie (3) pour leur commande. Les cartes d'entrées/sortie (E/S) peuvent être du type CAN (pour Controller Area Network), RS 232, du type modulation de largeur d'impulsion (PWM : de l'anglais Pulse Width Modulation). Le processeur (CPU), la carte d'acquisition (ACQ) et les cartes d'entrées/sorties (E/S) sont reliés les uns avec les autres. La figure 5 représente le système de gestion selon une variante du mode de réalisation précédemment décrit. Selon cette variante de réalisation, le système de gestion (6) est une unité centrale informatique comportant un processeur (CPU), une alimentation électrique (ALI) de 220 V alternatif et un ensemble de cartes et composants électroniques tels que : une carte "Timer" (TIM) abrite un composant logiciel de type FPGA (field-programmable gate array : réseau de portes programmables). Ce composant gère les fonctions de bas niveau de type d'Acquisition, de PWM, de Sortie logique et d'Entrée logique, une carte (DI024H) permet de faire de l'équilibrage au niveau de chaque cellule. une carte électronique de puissance est connectée au "Timer" (TIM). Les 4 voies PWM et à les 4 sorties logiques (4x S) sont reliées à cette carte électronique de puissance et ensuite reliées à un premier boîtier d'interconnexion (BI1). Les 4 entrées logiques opto-couplés sont prévues pour lire des entrées de type relai ou contacteur de l'environnement du banc. Les sorties (PWM, Sorties logiques) du boitier d'interconnexion (B11) peuvent servir pour délivrer des courants faibles de quelques ampères sous 12V pour alimenter des dispositifs auxiliaires à la batterie (par exemple un ventilateur ou une pompe de refroidisseur) ou pour communiquer avec la batterie ou pour alimenter un système de gestion de batterie (BMS), des moyens d'acquisition (ACQ) qui comprennent : o un deuxième boîtier d'interconnexion (BI2) qui comprend seize voies analogiques d'acquisition, o une carte électronique d'équilibrage (EQU), connectée au deuxième boîtier d'interconnexion (BI2) et à la carte DI024H, cette carte permet la réalisation de l'équilibrage de la charge des cellules de la batterie, par exemple, le circuit peut supporter 400 V et 1 A en courant alternatif. o une carte électronique d'isolation (ISO) galvanique à seize voies analogiques, notamment pour une isolation de 1500V en mode commun, la carte d'isolation (ISO) est connectée au "Timer" et à la carte électronique d'équilibrage, et sert à la réalisation de l'équilibrage de la charge des cellules de la batterie. des cartes de liaison de type CAN - RS232 - ETHERNET : o des voies CAN, de préférence au nombre de quatre, sont prévues dans le système selon l'invention. Ces voies CAN servent aux communications de la commande entre le système de gestion (1) et la batterie (3) ou son système de gestion (BMS) et entre le système de gestion (1) et l'armoire de puissance électrique (2), les voies CAN permettent des communications bidirectionnelles. o des voies RS232, de préférence au nombre de quatre, sont prévues dans le système selon l'invention. La liaison RS 232 (appelée également liaison série) sert également à la communication entre le système de gestion (1) et la batterie (3) ou un système de gestion de batterie (BMS) et entre le système de gestion (1) et l'armoire de puissance électrique (2), Certaines liaisons RS232 sont utilisées pour gérer par exemple la température des enceintes climatiques du banc. o une sortie réseau (RES) Ethernet (Eth) pouvant servir à relier le système de gestion (1) à une deuxième unité centrale ou un calculateur (7) pour un mode de réalisation de l'invention décrit en relation avec la figure 3.
En outre, le système de gestion (1) peut comprendre : une sortie vidéo, notamment une liaison (VGA) pour l'affichage d'informations relatives à l'essai, un disque dur (DD) pour la sauvegarde de données, un lecteur (LEC) pour lire des données (par exemple d'une disquette ou d'un disque laser), un clavier (KEY) pour commander le système de gestion de banc (1), des moyens de démarrage et d'arrêt (PWR) du système de gestion de banc (1). Les signaux de mesure peuvent être issus de la batterie (3) elle-même, de son système de gestion (BMS), de l'armoire de puissance électrique (2) ou de capteurs additionnels, tels que des capteurs de température, de tension, de courant. La figure 2 représente un banc de test de batterie selon un mode de réalisation de l'invention. Ce banc de test est relié à une batterie ou une cellule électrochimique (3) et comprend un système de gestion de banc de test de batterie (6) tel que décrit ci-dessus un ordinateur de commande (1) et une armoire de puissance électrique (2) contrôlée par le système de gestion (6). La batterie (ou la cellule) (3) est alimentée électriquement par l'armoire de puissance électrique au moyen d'une connexion de puissance (5), cette connexion est unidirectionnelle. La batterie (3) est commandée par le système de gestion de banc (6) au moyen d'une connexion, notamment une liaison CAN. Selon le mode de réalisation représenté en figure 2, le système de stockage (3) est équipé d'un système de gestion de batterie (BMS), dans ce cas le système de gestion de banc (6) est relié au système de gestion pour batterie (BMS), afin de pouvoir le piloter. En outre, la batterie (3) est équipée d'un système de conditionnement thermique (8), par exemple un système de refroidissement (8), dans ce cas le système de gestion de banc (6) est relié au système de conditionnement thermique (8) pour sa commande. Le système de gestion de banc (6) est également connecté avec l'armoire de puissance électrique (2) par une connexion, de préférence de type CAN, pour la commande de l'armoire de puissance (2). Ces dernières connexions permettent également la communication de signaux de mesure.
Ainsi, grâce au banc de test selon l'invention, le système de gestion de banc (6) interagit directement avec la batterie (3) et le cas échéant avec son système de gestion (BMS) et son système de conditionnement thermique (8). Par conséquent, le banc de test de batterie est adaptable à plusieurs types d'essais et de batteries et permet de piloter l'ensemble constitué de la batterie (3), du système de gestion (BMS) et du système de conditionnement thermique (8), par exemple un système de refroidissement. Le système de gestion de banc (6) génère des signaux électriques de commande en fonction de l'essai à réaliser ; il peut notamment générer une série de signaux d'entrée dans un système de gestion de batterie (BMS) qui sont équivalents aux signaux générés par un calculateur automobile puis étudier le comportement de la batterie (tension, courant, température...) qui en découle. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un banc de test de batterie selon l'invention. Par rapport au mode de réalisation précédemment décrit, on ajoute une deuxième unité centrale ou un calculateur (7) qui est relié au système de gestion (6) par une connexion (9), notamment de type Ethernet. L'unité centrale ou le calculateur (7) permet de simuler le comportement d'un véhicule. Ainsi, on peut par exemple étudier la batterie (ou la cellule) dans le cadre d'une intégration à bord d'un véhicule. En effet, le véhicule simulé et son contrôle de traction peuvent ainsi prendre en compte à chaque instant des mesures, informations ou estimations faites sur le système de stockage, et réagir en conséquence, à l'image d'un véhicule hybride/électrique réel dont la réaction dépend fortement de son système de stockage. Les réactions du véhicule et de son contrôle se situent aussi bien sur le changement de point de fonctionnement hybride, l'optimisation de la traction électrique ou encore l'actionnement d'un système de refroidissement du système de stockage. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour l'approche "Hardware in the Loop" (simulation d'un système complexe lors d'essais) qui sollicite un système physique (hard), ici le système de stockage, dans un environnement simulé.
La batterie testée par le banc de test selon l'invention est de préférence une batterie destinée à un véhicule électrique ou hybride, notamment automobile ou aéronautique, toutefois la batterie peut avoir toute autre destination telle que les outils portatifs, les ordinateurs portables, les téléphones portables, ou les applications stationnaires...
Applications du système selon l'invention Étant donné le caractère universel du banc de test selon l'invention et les fonctions pouvant être mises en oeuvre par le système de gestion, le banc de test peut être utilisé pour tester une batterie existante, pour concevoir et dimensionner une batterie (par exemple sélection d'une technologie, détermination du nombre de cellules et leur association), pour tester une cellule électrochimique existante, pour tester un système de gestion de batterie utilisé, pour développer un système de gestion de batterie ou de système de stockage hybride, pour gérer un laboratoire d'essais multi-bancs... Pour illustrer l'utilisation du banc de test selon l'invention, on décrit un exemple qui concerne le développement d'un système de gestion de batterie (BMS). Les réactions ayant lieu lors de la charge et la décharge d'une batterie sont en général nombreuses. Si une ou plusieurs cellules d'un pack viennent à se trouver en dehors des plages de température et/ou de tension préconisées par le constructeur, différents phénomènes indésirables peuvent intervenir. Suivant la chimie de l'accumulateur, ces phénomènes vont pouvoir irréversiblement endommager les matériaux actifs, réduire la capacité de cellule, rendre le système inopérant voire provoquer un emballement thermique assorti de risques de feu et/ou de dégagements gazeux. Les performances des batteries sont sensibles à la température. La plage de température d'usage des véhicules est relativement large, de -30°C à +60°C, si l'on considère les conditions hivernales et estivales à différentes latitudes. Même si la plage de température d'usage d'une batterie est plus limitée, généralement entre 0°C et 45°C pour une batterie de technologie Li-ion, cela suffit pour modifier substantiellement les performances d'une batterie puisque les réactions chimiques et les phénomènes diffusionnels qui s'y déroulent sont thermiquement activés. Cela implique, en général, l'usage d'une régulation thermique, à chaud et/ou à froid. La gestion du système de stockage électrochimique est donc une tâche essentielle, en particulier pour le développement de la filière des véhicules électrifiés. D'une part la maîtrise des risques associés aux systèmes de stockage d'énergie passe par la gestion du niveau de charge et de la température des éléments de batterie qui sont des grandeurs critiques pour garantir la sécurité en usage nominal, mais aussi lors de sollicitations électriques/thermiques sévères.
D'autre part, il s'agit d'assurer un bon niveau de prestations en puissance/énergie du pack batterie et de prolonger sa durée de vie dans son application. Le fonctionnement correct de la batterie de traction s'appuie sur un système de gestion de la batterie (BMS) qui s'occupe de sécuriser le système de stockage et son environnement (comme le véhicule et ses passagers) lorsque le fonctionnement de la batterie sort de son domaine nominal d'utilisation. Pour ce faire le BMS comporte un ensemble de capteurs de courant, tension et température disposés de façon à mesurer ou estimer toutes les informations utiles. La batterie associée à son BMS constitue un pack. Le BMS communique en temps réel avec le réseau électronique du véhicule et en particulier avec un superviseur/contrôleur du véhicule par l'intermédiaire d'une liaison CAN. Il lui transmet ainsi des estimations indispensables telles que l'état de charge SOC, l'état de santé SOH, les domaines de puissance disponible en charge et en décharge, des consignes de température pour le refroidissement, des écarts de tension pour l'équilibrage et des alertes pouvant aller jusqu'à une demande de consignation de la batterie. Toutes ces informations sont issues de calculs réalisés par des fonctions logicielles du BMS. La supervision du véhicule se base sur ces informations pour assurer la bonne marche du véhicule tout en exploitant au mieux les capacités énergétiques et de puissance de la batterie.
Le BMS étant essentiel pour le bon fonctionnement de la batterie, il se pose les problèmes suivants : durant la phase de conception, la définition de la gestion électrique du pack en fonction de son dimensionnement permettent d'optimiser les caractéristiques de la batterie (notamment le nombre de cellules en série Ns et en parallèle Np au sein de la batterie), nature, typage et capacité de la cellule, plage de SoC utile et courants limites) au regard de l'application visée. Ce travail est mené classiquement sur la base de simulations à l'échelle du système véhicule, qui repose sur des modèles réduits de comportement de batterie, dont la précision est insuffisante - ou qui demandent pléthore d'essais. durant la phase de validation, la qualification des fonctions logicielles du BMS se fait généralement par simulation ou en fin de phase d'intégration du pack, voire dans un environnement véhicule émulé dans le meilleur cas (configuration selon la méthode "Hardware in the Loop"), puis dans un véhicule démonstrateur. Le principal inconvénient est qu'il n'existe pas de procédé de qualification des fonctions logicielles (estimateur, équilibrage, gestion thermique...) impliquant une ou plusieurs cellules physiques avant l'intégration du pack. L'invention permet de résoudre ces problèmes, car le banc de test de batterie permet de mettre en oeuvre et de tester les fonctions de gestion de batteries sur une ou plusieurs cellules physiques, notamment lors de la construction et de la qualification d'une nouvelle architecture de batterie. L'invention s'applique notamment au prototypage rapide d'un BMS en fonction de l'environnement de sollicitation du véhicule lors de la construction et de la qualification d'une nouvelle architecture de batterie.
Avantageusement, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour le développement des stratégies du BMS, notamment aux étapes suivantes : 1) le prototypage de fonctions logicielles BMS, à partir d'un essai sur une seule cellule ou un module, a. pour les estimateurs inclus dans le BMS : par exemple un algorithme d'estimation de l'état de charge (SOC) embarqué dans le système de gestion de la batterie (BMS) peut être testé avantageusement sur une cellule en ligne et en amont de la phase d'intégration du pack dans un véhicule pour évaluer sa précision et sa dynamique de convergence suivant divers profils de sollicitation en courant et température ; b. pour l'équilibrage, à partir d'un essai sur une cellule en amont de la phase d'intégration de modules, les autres cellules étant émulées (simulées) par une carte électronique délivrant une tension 0-10V ou, plus simplement par un modèle de cellule ; c. pour la gestion thermique, où différents systèmes de refroidissement variant par la nature et le débit du fluide de refroidissement peuvent être testés en ligne, dans les conditions d'usage nominal et extrême de la cellule (en restant dans les limites de tension cellule autorisées). En résumé, pour fiabiliser le processus et réduire le temps de développement d'un BMS, le système suivant l'invention permet de tester de manière aisée et en temps réel des fonctions (logiciel) d'un système de gestion de batterie (BMS) par comparaison à des essais sur une cellule ou un module. 2) la calibration de la stratégie de gestion électrique à partir d'essais sur une cellule ou un module en émulant le reste du pack, voire un véhicule en entier en configuration "Hardware in the Loop". Cette étape permet de tester en ligne différentes plages de SoC d'usage associées à un dimensionnement Ns, Np de pack, dans un environnement thermique donné, en regard à un cahier des charges véhicule, et compte tenu des courants limites de la cellule. L'utilisateur peut ainsi définir les caractéristiques de pack (technologie de cellule, Ns, Np, masse, SoC min et SoC max) qui permettent de répondre à un cahier des charges véhicule donné en puissance électrique, autonomie, masse, chauffage etc. A noter que la cellule ou le module peuvent avantageusement être testés neufs et/ou vieillis, pour anticiper de potentielles dégradations de performance de la cellule au cours de sa vie. Le dispositif suivant l'invention permet donc de réaliser des essais du type "Hardware in the Loop" sur une cellule sollicitée dans les conditions d'usage visées, sans approximer le comportement de cellule, et de façon simple pour accélérer le dimensionnement et la gestion énergétique de pack. 3) la validation fonctionnelle et dysfonctionnelle d'un BMS une fois intégré (sécurité) ; le système de gestion, grâce à ses fonctions datalogger et puissance, permet de superviser les aspects électriques et thermiques simultanément. 4) le test "Hardware in the Loop" pour un pack en environnement véhicule, sur des profils de mission spécifiques à l'application visée, pour valider le BMS en amont de l'intégration du pack dans le véhicule. Cette phase permet utilement le prototypage et l'évaluation de fonctions du véhicule (supervision système...) pour un pack donné. Selon une variante d'utilisation de l'invention, le système de gestion de banc de test peut commander simultanément plusieurs armoires électriques de puissance associées à différents systèmes de stockage d'énergie de manière à piloter plusieurs bancs dans le cadre de la gestion d'un parc de bancs. Ces systèmes de stockage peuvent être des batteries complètes avec BMS, des cellules unitaires, cas de figure pour lequel l'invention permet d'y associer les couches logicielles indispensables de gestion, à savoir des estimateurs de l'état de celle-ci communément présentes dans un BMS lorsque celui-ci est présent. Ces estimateurs d'état de la cellule sont complétés par d'autres fonctions logicielles de supervision, lorsqu'il s'agit d'optimiser la répartition de puissance entre deux ou plusieurs systèmes de stockage, ou d'optimiser les courants de chaque système de stockage pour satisfaire un objectif de gestion global d'un parc. Selon une autre variante d'utilisation de l'invention, le système de gestion de banc de test peut commander simultanément plusieurs batteries, si on supervise un banc multivoies où on teste plusieurs cellules en même temps pour simuler par ex un micro réseau ; le système de gestion de banc supervise alors l'essai comme un gestionnaire de flotte. Grâce à l'invention, on peut aussi tester un système de stockage hybride et dans ce cas, le système de gestion de banc abrite les algorithmes de répartition d'énergie.
Pour illustrer l'utilisation du banc de test de batterie dans le cadre du développement d'une batterie pour un véhicule automobile, une seule cellule a été testée selon une méthode du type "Hardware in the Loop", un véhicule électrique et une mission (cycle d'utilisation du véhicule) ayant été simulés. Plusieurs configurations de dimensionnement batterie ont été testées, c'est-à-dire plusieurs combinaisons de (Ns, Np). La configuration retenue (Ns = 168 ; Np = 3) aboutit à une estimation de l'autonomie kilométrique, comme l'indique le tableau 1. Pour chaque mission, la cellule a été sollicitée de la manière qu'elle le serait dans le véhicule considéré jusqu'à atteindre une énergie ou une tension minimale, interrompant la mission et donnant lieu à un kilométrage parcouru (colonne autonomie).
Tableau 1: Estimation de l'autonomie d'un véhicule pour différentes missions Mission SoC initial SoC final Distance Énergie Autonomie rio] Fol parcourue consommée [km] [km] [kWh] NEDC 100 25,95 99,16 111 134 Inner city 100 28,61 90,25 107 126 Inner city slope 100 23,5 90,25 115 118 Suburban 100 0 128,94 150 129 D540 100 31,95 98,85 102 145 DS55 100 26,49 109,87 110 149 SORT lourd 100 11,17 99,88 133 112 Chambéry 1 100 0 106,2 150 106 Chambéry 2 100 36,61 83,81 95 132 Chambéry 5 100 46,31 67,19 81 125 Chambéry 6 100 57,85 53,95 63 128 Chambéry 7 100 68,78 40,47 47 130 Chambéry 8 100 0 113,74 150 114 Exemple d'utilisation du système selon l'invention : Le système selon l'invention peut être utilisé pour la conception d'un système de stockage d'énergie électrique, pour cela on réalise au moins un essai en temps réel au moyen du banc d'essai sur au moins une cellule de stockage d'énergie, et on conçoit le système de stockage de l'énergie électrique (3) en fonction de cet essai. Par exemple, on peut réaliser les étapes suivantes : Étape I) Travail préparatoire à l'essai de conception du système de stockage a) programmation du système de gestion de banc (1) pour piloter une armoire de puissance (2) et une enceinte climatique (8) pour réaliser une caractérisation des potentiels à l'équilibre et des résistances en fonction de l'état de charge (SOC), de la température de conditionnement et du signe du courant (charge et décharge) pour une cellule, b) réalisation d'un modèle électrique quasi-statique de la cellule sur la base des cartographies de potentiels à l'équilibre et des résistances obtenues en a), et c) développement d'un estimateur de l'état de charge et d'un estimateur de puissances disponibles sur la base du modèle obtenu en b). Étape II) Essai de conception sur le banc pour définir des stratégies logicielles d'estimateurs en temps réel de l'état de charge du BMS a) implémentation dans le système de gestion de banc (1) d'un logiciel d'estimation de l'état de charge et des puissances disponibles, b) mise au banc d'une cellule au moins et réalisation d'essais avec le banc d'essai, et c) calibration des fonctions d'estimation en différents état de charge et en différentes températures pour des sollicitations de courants maximales en charge et décharge ; ces valeurs étant données par le constructeur de la cellule. Étape Ill) Essai de dimensionnement du système de stockage de l'énergie électrique a) développement d'un simulateur de véhicule hormis l'organe de stockage constituant la cible véhicule et intégration dans un second calculateur (7), b) développement d'un modèle de pack (Ns, Np) prenant en compte la distribution entre cellules à partir de la mesure expérimentale sur une seule cellule, c) mise au banc d'une cellule au moins et réalisation d'essais avec le banc d'essai, et d) variation de l'architecture du pack virtuel (Ns, Np) de façon à atteindre un cahier des charges véhicule, notamment sur l'autonomie électrique et la performance en accélération de celui-ci.
Claims (20)
- REVENDICATIONS1) Système de gestion d'un banc de test de système de stockage d'énergie électrique, ledit banc de test de batterie étant destiné à réaliser au moins un essai sur au moins un système de stockage d'énergie électrique (3) comprenant au moins une cellule électrochimique de stockage d'énergie et étant pourvu d'au moins un dispositif auxiliaire (BMS ; 8), caractérisé en ce que ledit système de gestion (6) comprend : a) une unité de commande en temps réel dudit essai, ladite unité de commande étant apte à contrôler ledit système de stockage d'énergie électrique (3), ledit dispositif auxiliaire (BMS ; 8) et une armoire de puissance électrique (2) dans le but de réaliser ledit essai, ladite armoire de puissance électrique (2) étant intégrée dans ledit banc de test de batterie et étant apte à alimenter électriquement ledit système de stockage de l'énergie électrique (3), b) des moyens de communication entre ladite unité de commande et ledit système de stockage d'énergie électrique (3) destinés au contrôle dudit système de stockage de l'énergie électrique (3), c) des moyens de communication entre ladite unité de commande et ladite armoire de puissance électrique (2) destinés au contrôle de ladite armoire de puissance électrique (2), d) des moyens de communication entre ladite unité de commande et ledit dispositif auxiliaire (BMS ; 8) destinés au contrôle dudit dispositif auxiliaire (BMS ; 8) et/ou à l'acquisition de signaux dudit dispositif auxiliaire (BMS ; 8), et e) des moyens d'acquisition de signaux électriques de mesure pendant ledit essai.
- 2) Système selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un dispositif auxiliaire est un système de gestion de batterie (BMS).
- 3) Système selon la revendication 2, dans lequel ledit système de gestion du banc (6) est apte à communiquer avec ledit système de gestion de batterie (BMS) et à acquérir des signaux du système de gestion de batterie (BMS), dans le but de réaliser au moins un essai pour l'ensemble constitué dudit système de stockage d'énergie électrique (3) et dudit système de gestion de batterie (BMS).
- 4) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un dispositif auxiliaire est un système de conditionnement thermique de la batterie (8).
- 5) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite unité de commande réalise au moins une des fonctions suivantes pour ledit essai :sauvegarde de données, notamment lesdits signaux de mesure, pendant ledit essai, et/ou génération d'une puissance pour alimenter au moins ledit dispositif auxiliaire (BMS ; 8) équipant ledit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou équilibrage de la charge de cellules constituant ledit système de stockage de l'énergie électrique, et/ou communication avec ladite armoire de puissance électrique (2), ledit système de stockage de l'énergie électrique (3), et ledit dispositif auxiliaire (BMS ; 8) et/ou contrôle de ladite armoire de puissance électrique (2) et dudit système de stockage de l'énergie électrique (3), et/ou estimation de l'état interne dudit système de stockage de l'énergie électrique (3), et/ou construction d'un modèle dudit système de stockage de l'énergie électrique (3).
- 6) Système selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit système de gestion (6) réalise au moins un essai : d'estimation de l'état interne dudit système de stockage de l'énergie électrique (3), et/ou de contrôle et de mesure des conditions de fonctionnement dudit système de stockage de l'énergie électrique (3), notamment de la température et de la tension dudit système de stockage de l'énergie électrique (3), et/ou de comportement dudit système de stockage de l'énergie électrique (3) en simulant une intégration dudit système de stockage de l'énergie électrique (3) dans un véhicule, et/ou de comportement d'une cellule de stockage d'énergie électrique en simulant son association à au moins une autre cellule de stockage d'énergie électrique, et/ou pour une modélisation et une calibration d'un modèle dudit système de stockage de l'énergie électrique (3), et/ou de commande d'au moins un dispositif auxiliaire audit système de stockage de l'énergie électrique (3), et/ou d'équilibrage de la charge dudit système de stockage de l'énergie électrique (3).
- 7) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de gestion de banc est une unité centrale informatique comprenant : un processeur (CPU) pour ladite unité de commande, au moins une carte électronique d'entrées/sorties (E/S) pour lesdits moyens de communication avec ledit système de stockage de l'énergie électrique (3), ledit dispositif auxiliaire (BMS ;
- 8) et ladite armoire de puissance électrique(2) et une carte électronique d'acquisition (ACQ) pour l'acquisition desdits signaux de mesure. 8) Système selon la revendication 7, dans lequel ladite carte d'acquisition (ACQ) comprend un boîtier d'interconnexion analogique (BI2), une carte électronique d'équilibrage (EQU), de préférence associée à une carte d'isolation galvanique (IS0).
- 9) Système selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel ladite unité centrale comprend en outre une carte électronique de puissance, notamment du type modulation de largeur d'impulsion (PWM), pour une commande d'au moins un dispositif auxiliaire (BMS ; 8) audit système de stockage de l'énergie électrique (3).
- 10) Système selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel ladite au moins une carte d'entrées/sorties (E/S) comprend au moins une carte CAN et/ou au moins une carte RS232 et/ou au moins une carte du type modulation de largeur d'impulsion (PWM).
- 11) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de gestion comprend en outre des moyens de communication avec une deuxième unité centrale ou un calculateur (7) qui simule le comportement d'un véhicule électrique ou hybride.
- 12) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits signaux de mesure sont issus directement dudit système de stockage de l'énergie électrique (3) ou de capteurs.
- 13) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de stockage de l'énergie électrique (3) est destiné à être implanté au sein d'un véhicule électrique ou hybride, notamment automobile.
- 14) Banc de test de système de stockage d'énergie électrique pour réaliser au moins un essai sur au moins un système de stockage d'énergie électrique (3) comportant au moins une cellule électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend un système de gestion de banc (6) selon l'une des revendications précédentes et une armoire de puissance électrique (2) contrôlée par ledit système de gestion de banc (6), ledit système de stockage de l'énergie électrique (3) étant alimenté par ladite armoire de puissance électrique (2) et étant contrôlée par ledit système de gestion de banc (6).
- 15) Banc de test selon la revendication 14, comprenant en outre une deuxième unité centrale ou un calculateur (7) qui simule le comportement d'un véhicule électrique ou hybride.
- 16) Utilisation d'un banc de test de système de stockage d'énergie électrique selon l'une des revendications 14 ou 15 pour la conception d'un système de stockage d'énergie électrique, dans laquelle on réalise au moins un essai en temps réel au moyen dudit banc d'essai sur au moins une cellule de stockage d'énergie, et on conçoit ledit système de stockage de l'énergie électrique (3) en fonction dudit essai.
- 17) Utilisation d'un banc de test selon la revendication 16, dans laquelle ledit essai est une estimation de l'état de charge ou de l'état de santé de ladite cellule.
- 18) Utilisation d'un banc de test selon l'une des revendications 14 ou 15 pour la conception d'un système de gestion de batterie (BMS) équipant ledit système de stockage de l'énergie électrique (3), dans laquelle on réalise au moins un essai en temps réel au moyen dudit banc d'essai sur au moins une fonction dudit système de gestion de batterie (BMS) agissant sur au moins une cellule de stockage d'énergie et on adapte lesdites fonctions du système de gestion de batterie (BMS) en fonction dudit essai.
- 19) Utilisation d'un banc de test selon la revendication 18, dans laquelle ladite fonction du système de gestion de batterie (BMS) est une estimation de l'état et/ou un équilibrage de la charge dudit système de stockage de l'énergie électrique (3) et/ou une commande d'un système de refroidissement (8) équipant ledit système de stockage de l'énergie électrique.
- 20) Utilisation d'un banc de test selon l'une des revendications 16 à 19, dans laquelle pour réaliser ledit essai, on simule au moins une autre cellule et/ou l'intégration de ladite cellule au sein d'un véhicule au moyen dudit système de gestion de banc.
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