FR3009754A1 - Diagnostic de la resistance interne d'une batterie electrique - Google Patents

Abstract

Dispositif de diagnostic des cellules électrochimiques (5) d'une batterie (1) pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique comprenant : - des moyens (11) de génération de courant de diagnostic dans au moins une cellule (5) de la batterie (1), - des moyens (6) de mesure de la tension aux bornes de chaque cellule (5), - des moyens (7, 71) de détermination du courant traversant la ou les cellule(s) (5), et - des moyens (12) d'estimation de la résistance interne de chaque cellule (5) à partir des mesures du courant déterminé et des tensions mesurées.

Description

Diagnostic de la résistance interne d'une batterie électrique L'invention concerne les batteries électriques notamment pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique, et plus particulièrement le diagnostic de l'état de santé et de la puissance disponible de la batterie. Une batterie vieillit au cours du temps. Les caractéristiques intrinsèques d'une batterie, de type Lithium-Ion par exemple, évoluent au cours de sa vie, ce qui entraîne notamment une détérioration de ses performances. En particulier, la capacité des cellules de la batterie diminue ce qui se traduit par une perte d'autonomie, et la résistance interne de ces mêmes cellules augmente entraînant une diminution de la puissance que chacune d'elles peut délivrer, c'est-à-dire une diminution de la puissance disponible pour le véhicule automobile. Un diagnostic de l'état de santé d'une batterie, notamment haute tension, permet d'évaluer l'état général de la source d'énergie principale et ainsi de connaître les performances de la source d'alimentation. Par l'état général d'une source d'énergie, on entend notamment l'état de santé de la source d'énergie et les performances disponibles. Dans un véhicule automobile à traction ou propulsion électrique ou hybride, un diagnostic de l'état de santé de la batterie, correspondant au vieillissement de celle-ci offre une meilleure estimation de l'autonomie kilométrique du véhicule, information primordiale pour le conducteur, et une meilleure estimation des puissances disponibles pour le roulage et le freinage, soit un meilleur agrément de conduite. En outre, le diagnostic du vieillissement de la batterie permet aux services après-vente de remplacer des éléments de la batterie qui ne sont plus en état de marche. Il est connu du document FR 2 956 260 un système et un procédé d'équilibrage de charge des étages d'accumulateurs permettant de piloter le courant de charge ou de décharge parcourant chacune des cellules de la batterie. Cependant, l'architecture de cellules et le procédé d'équilibrage de charge dans cette architecture ne tiennent pas compte de l'état de santé et de la puissance admissible. Il est connu des documents EP2403048A2, US8159228B des procédés permettant de déterminer la résistance interne de la batterie complète. Cependant, ces procédés déterminent la résistance interne de la batterie, c'est-à-dire de l'ensemble des cellules électrochimiques de la batterie à la fois. Ces procédés ne présentent pas une bonne robustesse en ce qu'ils ne permettent pas de détecter précisément l'augmentation de la résistance interne d'une seule cellule, mais uniquement de l'ensemble des cellules. Ils impliquent par ailleurs un coût élevé pour leur mise en oeuvre. Par exemple, sur un pack de 100 cellules, si une seule voit sa résistance interne augmenter de 50%, les autres restant constantes, la résistance interne du pack complet n'augmente que de 0.5%. Le manque de robustesse provient de l'incapacité à détecter précisément des augmentations de résistance inhomogènes. En outre, les systèmes décrits dans les documents EP2403048A2 et US8159228B ne permettent pas de piloter aisément le courant utilisé pour les impulsions électriques utilisées pour réaliser des diagnostics. La présente invention propose de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en réalisant un diagnostic de l'état de chaque cellule d'une batterie en utilisant la structure matérielle décrite dans le document FR2956260, ainsi qu'une estimation robuste et à moindre coût de la puissance admissible de la batterie. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de diagnostic des cellules électrochimiques d'une batterie pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique comprenant des moyens de génération de courant de diagnostic dans au moins une cellule de la batterie, des moyens de mesure de la tension aux bornes de chaque cellule, des moyens de détermination du courant traversant la ou les cellule(s), et des moyens d'estimation de la résistance interne de chaque cellule à partir du courant déterminé et des tensions mesurées.

La valeur du courant traversant la ou les cellule(s) peut être mesurée à l'aide d'un capteur de courant ou bien estimée. Le courant de diagnostic peut être une impulsion de courant d'une durée de 1 s à 30 s pour simplifier l'estimation de la résistance interne d'une cellule de batterie Le courant de diagnostic peut également être une sinusoïde à fréquence variable. La sinusoïde permet d'identifier l'impédance électrique équivalente de chaque cellule plutôt que la seule résistance interne.

La réponse en tension d'une cellule soumise à un courant de diagnostic, tel qu'une impulsion de courant de décharge durant 1 s, se traduit par une chute de tension instantanée due à la connectique et à la résistance interne de la cellule, et d'une polarisation dont la dynamique est plus lente.

En connaissant la chute de tension et l'amplitude de l'impulsion, il est possible d'identifier la valeur de la résistance interne de chaque cellule d'un pack de batterie. Le dispositif comprend de préférence des moyens de mesure de la température de chaque cellule ou au voisinage des cellules, et un module d'étalonnage apte à commander avant la génération du courant de diagnostic une mesure de la tension aux bornes de chaque cellule destinée à être diagnostiquée, une détermination du courant traversant la ou les cellule(s) à diagnostiquer, et une détermination de la température de chaque cellule à diagnostiquer, et une détermination de l'état de charge de chaque cellule à diagnostiquer. L'estimation de la résistance interne, notamment la résistance interne instantanée, pour chaque cellule à diagnostiquer est réalisée à partir de l'équation suivante : vcefi'm (t + Te)-Vcell,n(t) Rinstm - (1) I(t+Te)-I(t) Avec Rinstn, la résistance interne instantanée d'une cellule m de la batterie, Vcelln, la tension aux bornes de la cellule m de la batterie, I le courant traversant la cellule m, et avec t l'instant initial, Te la période d'échantillonnage des mesures de tension et de courant, et t+Te l'instant correspondant au pas d'échantillonnage suivant. La valeur de la résistance interne instantanée est ainsi actualisée à chaque calcul et peut être mémorisée avec la température et l'état de charge de la cellule correspondante. La variation de cette résistance par rapport à la résistance connue en début de vie, c'est-à-dire la résistance interne de référence, permet de donner une indication de l'état de santé de la cellule électrochimique. Avantageusement, le dispositif peut comprendre en outre des moyens d'estimation de l'état de santé d'une cellule aptes à comparer la résistance interne instantanée estimée de la cellule à la résistance interne de référence de la cellule, et des moyens d'estimation de l'état de santé d'un ensemble de cellules, voire de la batterie, en fonction de l'état de santé de la cellule ayant subi le vieillissement le plus important. On entend par l'état de santé d'une cellule électrochimique, l'état de vieillissement de la cellule électrochimique. L'état de santé d'une cellule de batterie, noté ici SOHR', est estimé à partir de la variation de la résistance interne instantanée de la cellule pour une température et un état de charge associés. Pour cela, on calcule le rapport entre la valeur de référence de la résistance interne pour la température et l'état de charge auxquels la résistance interne instantanée à été calculée et la résistance instantanée déterminée, d'après l'équation : Rref (T SOC ) SOH m m m (2) R Rinst,n Avec Tm la température mesurée pour la cellule m de la batterie lors de la détermination de la résistance interne instantanée de la batterie, SOC,, l'état de charge estimé pour la cellule m de la batterie lors de la détermination de la résistance interne instantanée de la batterie et Rrefm la valeur de référence de la résistance interne de la cellule m de la batterie pour les valeurs de Tm et SOC m. L'évolution de la variable représentant l'état de santé d'une cellule peut être réalisée avec un lissage des valeurs obtenues. Dans ce cas, la dernière valeur estimée est additionnée avec une pondération, aux n dernières valeurs estimées pendant les n derniers diagnostics. Cela permet d'éviter des variations abruptes. Le dispositif peut également comprendre des moyens de commande aptes à commander les moyens de génération de courant de diagnostic de manière à générer respectivement un courant de décharge ou de charge de ladite cellule, ledit courant respectivement de décharge ou de charge formant le courant de diagnostic pour estimer respectivement la résistance interne de décharge ou de charge d'une cellule, et des moyens d'estimation de la puissance maximale admissible respectivement en décharge ou en charge de la batterie en fonction de la résistance interne respectivement en décharge ou en charge estimée pour les cellules à la température mesurée. Pour les calculs de la puissance admissible d'une batterie, il est important de déterminer une puissance admissible dans le véhicule pouvant être assurée pendant un certain nombre x de secondes. Cela pour permettre un dépassement par exemple. Dans ce cas, la valeur de la résistance interne utilisée n'est pas la résistance interne instantanée, Rinst, calculée à partir de la chute de tension instantanée, mais celle de la résistance interne équivalente obtenue après une durée x choisie, en général une dizaine de secondes. La valeur de cette résistance équivalente augmente avec le temps, car il s'agit de la résistance interne de la batterie à laquelle est ajoutée une composante de polarisation.

La résistance interne de charge, Rfrn, est ainsi calculée avec un courant de charge, I, délivré pendant une période de charge, Atfrn, pour chacune des m cellules électrochimiques de la batterie à partir de l'équation suivante : Rfrn = Vicellm (t + At frn ) Vcellin(t) (3) , in + Atfrn )- /(t) La résistance interne de décharge, Rdch, est ainsi calculée avec un courant de décharge, I, délivré pendant une période de décharge, Atdch, pour chacune des m cellules électrochimiques de la batterie à partir de l'équation suivante : Rdch =Vcell"i(t + At dcn)-Vcellin(t) 1(t + At dcn)- 1(t) A chaque actualisation de la résistance interne de charge ou de décharge, la valeur peut être mémorisée avec la température de la cellule correspondante et son état de charge.

Les mises à jour des valeurs de résistances internes de charge ou décharge mémorisées peuvent également être faites avec un lissage des valeurs obtenues. Dans ce cas, la dernière valeur estimée est additionnée avec une pondération aux n dernières valeurs estimées pendant les n derniers diagnostics.

Les périodes de charge, Atf,, et de décharge, At dch, sont librement adaptables et constituent des paramètres de réglage selon l'application. Ces périodes sont souvent identiques et de l'ordre de la dizaine de secondes pour des véhicules à traction ou propulsion entièrement électrique.

La puissance maximale admissible pour la batterie, c'est-à-dire l'assemblage des cellules électrochimiques, en charge, c'est-à-dire lors d'un freinage récupératif notamment, notée Pfrnmax, est calculée à partir des relations suivantes : Rfrnmax (t) = max(Rfrnm ((T(t), SOCm (t))) (5.1) n Rfrnmax(t) représente ainsi la valeur maximale, parmi les m cellules, des résistances internes équivalentes estimées en charge, à l'instant t. fr( Vcellmax-max(/c ellm(d)fr ,-[V(fr max (Vc ell,,(t)) fipnmaxt)=min fr( inmaxmax(ce,t))+Rn,a,V)- min fr //m.Rnma't Rnma'(t) (5.2) Où Vcellma,, est la valeur du seuil de tension supérieur d'utilisation des cellules, Ifrnma,, est l'intensité maximale pour le courant de charge ou de freinage, max(Vcelln,(0) est la tension maximale mesurée aux bornes des m cellules électrochimiques composant la batterie. Dans la formule (5.2), le courant est par convention compté positivement dans le sens de la charge. (4) La puissance maximale admissible pour la batterie, c'est-à-dire l'assemblage des cellules électrochimiques, en décharge, notée Pdch., est calculée à partir des relations suivantes : Rdc knax(t) = max(Rdc hm (Tm (t), SOC ni (t))) (6.1) Rdchmax(t) représente ainsi la valeur maximale, parmi les m résistances internes équivalentes estimées en décharge, à Idchmax cellules, des l'instant t. Pdchma,(t)= min 7, min (Veen m(t))-Vcell,',' Rdchma,,(t) [min(Vcell m(t)) Rdchmajt). min 7 min(Vcell m(t))-Vcell mr') Rdchma,(t) Idchma' m (6.2) Où Vcellm,' est la valeur du seuil de tension inférieur d'utilisation des cellules, 1/dchmax1 est la valeur absolue de l'intensité maximale pour le courant de décharge, min(Vcellm(0) est la tension minimale mesurée aux bornes des m cellules électrochimiques composant la batterie.

Avantageusement, les moyens de commande peuvent commander les moyens de génération de courant de diagnostic de manière à générer alternativement un courant de charge puis un courant de décharge de ladite cellule, ledit courant de décharge ou de charge formant alternativement le courant de diagnostic.

Ainsi, les résistances internes pour le calcul de la puissance de charge lors du freinage récupératif seront toujours calculées lors de la génération d'un courant de diagnostic de charge, et les résistances internes pour le calcul de la puissance de décharge seront toujours calculées lors de la génération d'un courant de diagnostic de décharge.

Cela permet d'obtenir des prédictions de résistance interne en charge, pour le freinage récupératif, encore plus adaptées aux conditions d'utilisation de la batterie. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une batterie pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique comprenant des cellules électrochimiques assemblées pour former un réseau haute tension, un réseau basse tension et des convertisseurs de tension raccordés entre le réseau haute tension et le réseau basse tension pour alimenter le réseau basse tension à partir du réseau haute tension et équilibrer le niveau de charge des cellules électrochimiques, la batterie comprenant des capteurs de tension pour chaque cellule électrochimique et au moins un moyen de détermination du courant, notamment un par groupe de cellules, permettant de mesurer ou d'estimer le courant traversant la ou les cellule(s). Selon une caractéristique générale de l'invention, la batterie comprend un dispositif de diagnostic tel que défini ci-dessus dans lequel les moyens de générations de courant de diagnostic comprennent lesdits convertisseurs de tension, les moyens de mesure de tension comprennent lesdits capteurs de tension, et les moyens de détermination de courant comprennent lesdits capteurs de courant. Ainsi, à partir d'une structure existante d'une batterie pour un véhicule automobile comprenant des convertisseurs de tension dont le but premier est d' équilibrer le niveau de charge des cellules électrochimiques et d'alimenter une source d'énergie à basse tension, le dispositif de diagnostic de la batterie permet de réaliser une estimation de la résistance interne de chaque cellule électrochimique à partir des mesures ou estimations de courant et des mesures de tension réalisées par les capteurs de courant et de tension existants, ces capteurs étant utilisés initialement pour l'équilibrage de charge. Les convertisseurs de tension peuvent avantageusement être des convertisseurs unidirectionnels ou bidirectionnels, et plus particulièrement les convertisseurs unidirectionnels ou bidirectionnels du système de commande de transfert d'énergie de la batterie du véhicule automobile. Dans une configuration avec des convertisseurs unidirectionnels raccordés à un réseau d'alimentation basse tension comprenant une batterie basse tension, telle qu'une batterie 14 V par exemple, les convertisseurs unidirectionnels associés chacun à un groupe de cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie sont successivement commandés de manière à générer un courant de diagnostic de décharge en venant charger la batterie basse tension. Dans une configuration avec des convertisseurs unidirectionnels raccordés à un réseau d'alimentation basse tension sans batterie basse tension, un module auxiliaire est activé avant que les convertisseurs unidirectionnels associés chacun à un groupe de cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie soient successivement commandés de manière à générer un courant de diagnostic de décharge en modulant la puissance fournie à l'auxiliaire. On entend par module auxiliaire un organe électrique alimenté par le réseau basse tension du véhicule. Les modules auxiliaires peuvent comprendre par exemple des calculateurs embarqués, une commande de direction assistée, des feux clignotants ou des vitres électriques.

Des convertisseurs bidirectionnels permettent aussi bien le transfert d'énergie du réseau haute tension vers le réseau basse tension que le transfert d'énergie du réseau basse tension vers les cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie. Dans une configuration avec des convertisseurs bidirectionnels associés chacun à un groupe de cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie, les convertisseurs sont successivement commandés de manière à générer un courant de diagnostic de décharge ou de charge en venant respectivement décharger ou charger les cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie.

Pour obtenir une impulsion de courant de diagnostic qui soit constante pendant toute une période de charge ou de décharge, il faut adapter la consigne de puissance du convertisseur de tension à la variation de tension aux bornes du module. Cette adaptation nécessite une boucle de régulation.

Selon encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de diagnostic des cellules électrochimiques d'une batterie pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique, dans lequel : - on génère un courant de diagnostic dans au moins une cellule de la batterie, - on mesure la tension aux bornes de chaque cellule, - on détermine le courant traversant la ou les cellule(s), et - on estime la résistance interne de chaque cellule à partir des du courant déterminé et des tensions mesurées.

La génération du courant de diagnostic est préférentiellement précédée d'une mesure de la tension aux bornes de chaque cellule à diagnostiquer, d'une détermination du courant traversant la ou les cellule(s) à diagnostiquer, d'une détermination de la température de chaque cellule à diagnostiquer et de la détermination de leurs états de charge. La détermination du courant peut être réalisée à l'aide d'une mesure du courant ou d'une estimation de courant. De préférence, le diagnostic est réalisé dans une situation où la batterie est au repos, c'est-à-dire une situation où il n'existe aucun courant principal traversant la batterie, et aucun équilibrage en cours. Avantageusement, le procédé peut comprendre en outre une estimation de l'état de santé d'une cellule en comparant, pour la cellule, la résistance interne estimée à la résistance interne de référence, l'état de santé d'un ensemble de cellules correspondant à l'état de santé de la cellule ayant subi le vieillissement le plus important. Avantageusement, le courant de diagnostic généré est un courant respectivement de décharge ou de charge de ladite cellule pour estimer la résistance interne équivalent respectivement de décharge ou de charge de ladite cellule, le procédé comprenant en outre une estimation de la puissance maximale admissible en décharge ou en charge de la batterie en fonction de la résistance interne équivalente respectivement en décharge ou en charge estimée des cellules à une température mesurée et pour un état de charge donné.

Avantageusement, le courant de diagnostic généré peut être alternativement un courant de charge puis un courant de décharge de la ou des cellule(s). D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation et d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente de manière schématique une batterie d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre une réponse en tension d'une cellule électrochimique à une impulsion de courant selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 présente un organigramme d'une phase d'étalonnage et d'une première phase de diagnostic d'un procédé de diagnostic des cellules électrochimiques de la batterie d'un véhicule automobile selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; la figure 4 présente un organigramme d'une seconde phase de diagnostic du procédé de diagnostic des cellules de la figure 3. Sur la figure 1 est représentée de manière schématique une batterie 1 pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique selon un mode de réalisation de l' invention. La batterie 1 comprend un réseau à haute tension 2 et un réseau à basse tension 3 raccordés électriquement via des convertisseurs de tension 4. Le réseau à haute tension 2 comprend une pluralité de cellules électrochimiques 5 assemblées en série, ainsi que des capteurs de tension 6, un capteur de courant 7 placé en série des cellules 5 pour mesurer l'intensité du courant parcourant l'intégralité des cellules 5 de la batterie 1. Chaque capteur de tension 6 est couplé en parallèle à une cellule électrochimique 5 pour mesurer la tension aux bornes de la cellule électrochimique 5. Le réseau à haute tension 2 comprend également des capteurs de température 8. Chaque capteur de température 8 est associé à une ou plusieurs cellules électrochimiques 5 du réseau à haute tension 2 pour mesurer la température au voisinage de chaque cellule 5.

Les convertisseurs de tension 4 forment un moyen d'équilibrage du niveau de charge des cellules électrochimiques 5 du réseau à haute tension 2. Chaque convertisseur 4 est connecté à un groupe de cellules 5. Pour équilibrer le niveau de charge des cellules électrochimiques 5 du réseau à haute tension 2, les convertisseurs de tension 4 sont commandés en fonction des mesures de courant et de tension réalisées sur les cellules électrochimiques 5 par les capteurs de tension 6 et le capteur de courant 7. Les convertisseurs de tension 4 intègrent des moyens de mesure du courant 71, aptes à mesurer le courant d'équilibrage parcourant les cellules reliées aux convertisseurs 4. Ils peuvent être placés du coté du réseau haute tension 2, comme illustré sur la figure 1, ou du côté du réseau basse tension 3. Dans ce deuxième cas, le courant du côté haute tension 2 est estimé à partir de la mesure du côté basse tension.

Dans ce mode de réalisation, chaque convertisseur de tension 4 est relié à dix à douze cellules électrochimiques 5 assemblées en série. Le réseau à haute tension 2 comprend entre dix et cent cellules électrochimiques 5 assemblées en série de manière à atteindre une tension de 40 V à 400V. La borne positive du réseau à haute tension 2 est notée HV+ et sa borne négative est notée HV-. Le réseau à basse tension 3 est composé d'un bus sur lequel sont connectés en parallèle un certain nombre de consommateurs auxiliaires 9. Dans ce mode de réalisation, une batterie basse tension 10, de 14 V par exemple, est connectée au bus du réseau basse tension 3. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, la batterie 1 comprend un dispositif de diagnostic comprenant des moyens 11 de génération d'un courant de diagnostic, des moyens 12 d'estimation de la résistance interne d'une cellule électrochimique 5 et des moyens 13 de commande du diagnostic. Le dispositif de diagnostic comprend également les capteurs de tension 6 et les capteurs de courant 7 et 71 du réseau à haute tension 2. Le dispositif de diagnostic utilise ainsi une structure existante de la batterie 1 dans un autre but, en l'occurrence réaliser un diagnostic et un équilibrage du niveau de charge des cellules 5 de la batterie 1, et plus particulièrement estimer la résistance interne de chaque cellule électrochimique 5 de la batterie 1 pour ensuite déterminer l'état de santé de chaque cellule 5 ainsi que l'état de santé de la batterie 1, et déterminer la puissance admissible par la batterie aussi bien pour une charge, lors d'un freinage récupératif, que pour une décharge des cellules électrochimiques 5. Les moyens 11 de génération d'un courant de diagnostic se composent des convertisseurs de tension 4. Ils sont commandés par des moyens de commande 13. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, les convertisseurs de tension 4 sont des convertisseurs unidirectionnels raccordés au réseau à basse tension 3 comprenant une batterie basse tension 10. Chaque convertisseur de tension 4 unidirectionnel est associé à plusieurs cellules électrochimiques 5 du réseau à haute tension 2 de la batterie 1. Les moyens de commande 13 opèrent successivement sur les convertisseurs 4 de manière à générer successivement un courant de diagnostic de décharge, pour les cellules électrochimiques 5, en venant simultanément charger la batterie basse tension 10.

Dans une variante, il est possible d'utiliser des convertisseurs de tension unidirectionnels raccordés à un réseau d'alimentation basse tension sans batterie basse tension, Dans ce cas, un module auxiliaire est activé avant que les convertisseurs unidirectionnels associés chacun à plusieurs cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie soient successivement commandés de manière à générer un courant de diagnostic de décharge en modulant la puissance fournie à l'auxiliaire. Dans une autre variante, il est possible d'utiliser des convertisseurs de tension bidirectionnels permettant aussi bien le transfert d'énergie du réseau haute tension vers le réseau basse tension que le transfert d'énergie du réseau basse tension vers les cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie. Dans une telle configuration, les convertisseurs sont successivement commandés de manière à générer un courant de diagnostic de décharge ou de charge en venant respectivement décharger ou charger les cellules électrochimiques du réseau haute tension de la batterie. Les moyens 12 d'estimation de la résistance interne d'une cellule électrochimique 5 sont couplés au réseau à haute tension 2, et plus particulièrement aux capteurs de tension 6 et aux capteurs de courant 7 et 71, et aux moyens de génération d'un courant de diagnostic 11, de manière à recueillir les mesures de tension et de courant en réponse aux courants de diagnostic générés par les convertisseurs de tension 4 des moyens 11 de diagnostic. Le courant de diagnostic généré par chaque convertisseur de tension 4 est une impulsion de courant d'une durée comprise entre quelques fractions de seconde et 30 s pour simplifier l'estimation de la résistance interne d'une cellule 5 de la batterie 1. Sur la figure 2 est illustrée une réponse en tension d'une cellule électrochimique 5 soumise à un courant de diagnostic de décharge. Plus explicitement, la figure 2 comprend un graphique représentant le courant de diagnostic en fonction du temps, et un graphique représentant la réponse en tension d'une cellule électrochimique en fonction du temps en correspondance. Le courant de diagnostic généré est une impulsion de courant de décharge d'une durée au moins égale à la période d'échantillonnage Te des moyens 12 d'estimation de la résistance interne. La réponse en tension se traduit par une chute de tension instantanée due à la connectique et à la résistance interne de la cellule, et d'une polarisation dont la dynamique est plus lente. A partir des mesures de la chute de tension et de l'amplitude de l'impulsion de courant, il est possible déterminer la valeur de la résistance interne de chaque cellule 5 de la batterie 1. Les moyens d'estimation 12 du dispositif de diagnostic comprennent un module d'étalonnage 14 apte à commander avant la génération du courant de diagnostic une mesure de la tension aux bornes de chaque cellule 5 à diagnostiquer, une mesure ou une estimation du courant traversant chaque cellule 5 à diagnostiquer, et une détermination de la température de chaque cellule 5 à diagnostiquer. Les mesures ainsi recueillies sont stockées dans une mémoire 15 du dispositif de diagnostic. Pour estimer la résistance interne instantanée de chaque cellule 5, les moyens d'estimation 12 utilisent l'équation 1 déjà mentionnée ci-avant.

La valeur de la résistance interne instantanée Rinstm ainsi calculée pour chaque cellule 5 est mémorisée avec la température Tm et l'état de charge SOC,, de la cellule 5 correspondante dans la mémoire 15.

Le dispositif comprend également des moyens 16 d'estimation de l'état de santé d'une cellule 5 couplés aux moyens 12 d'estimation de la résistance interne Rinstm de chaque cellule 5. Les moyens 16 d'estimation de l'état de santé des cellules comparent la résistance interne instantanée estimée Rinstm pour une cellule 5 à la résistance interne de référence Rrefm de la même cellule 5, pour la température Tm à laquelle les mesures ont été faites. Pour cela, les moyens 16 d'estimation calculent le rapport entre la résistance instantanée déterminée Rinstm et la valeur de la résistance interne de référence Rrefm de la cellule 5, notée m dans l'équation, pour la température Tm et l'état de charge SOC,, auxquels la résistance interne instantanée Rinstm a été calculée, en utilisant l'équation 2 mentionnée ci-dessus. L'état de santé de chaque cellule 5 est ensuite mémorisé dans la mémoire 15. Les moyens 16 d'estimation permettent également de déterminer l'état de santé de la batterie 1, l'état de la santé de la batterie 1 correspondant à l'état de santé de la cellule 5 en moins bonne santé, c'est-à-dire celle dont la valeur SOHR'' définie par l'équation (2), est la plus petite. Le dispositif de diagnostic comprend en outre des moyens 17 d'estimation de la puissance maximale admissible en décharge ou en charge de la batterie 1 en fonction des résistances internes équivalentes respectivement en décharge ou en charge estimées pour les cellules 5 à la température Tm mesurée et un état de charge SOC,, estimé. Pour déterminer la puissance maximale admissible en charge ou en décharge de la batterie 1, les moyens de commande 13 du dispositif de diagnostic commandent les moyens 11 de génération d'un courant de diagnostic de manière à générer respectivement un courant de décharge ou de charge pour chaque cellule 5 pour estimer respectivement la résistance interne équivalente de décharge ou de charge de chaque cellule 5 de la batterie 1. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, les moyens de commande 13 commandent les moyens 11 de génération d'un courant de diagnostic de manière à générer alternativement un courant de charge puis un courant de décharge pour chaque cellule 5 de manière à déterminer alternativement la résistance interne de charge pour la puissance de charge lors du freinage récupératif lors de la génération d'un courant de diagnostic de charge, et la résistance interne de décharge pour le calcul de la puissance de décharge lors de la génération d'un courant de diagnostic de décharge. Cela permet d'obtenir des prédictions de résistance interne de charge, pour le freinage récupératif, encore plus adaptées aux conditions d'utilisation de la batterie. Lors du calcul de la puissance maximale admissible en charge ou en décharge de la batterie 1, la valeur de la résistance interne utilisée n'est pas la résistance interne instantanée, Rinst, calculée à partir de la chute de tension instantanée, mais celle de la résistance interne équivalente obtenue après une durée de charge ou de décharge x choisie, de l'ordre de 1s à 10 s dans ce mode de réalisation, selon l'utilisation qui est faite de la batterie. La valeur de cette résistance équivalente augmente avec le temps, car il s'agit de la résistance interne de la batterie à laquelle est ajoutée une composante de polarisation. Les moyens 12 d'estimation de la résistance interne calculent la résistance interne de charge, Rfrn, lors de la génération par les convertisseurs de tension 4 d'un courant de charge, I, délivré pendant une période de charge, Atfrn, pour les m cellules électrochimiques 5 de la batterie 1 à partir de l'équation 3 mentionnée ci-dessus. De même, les moyens 12 d'estimation de la résistance interne calculent la résistance interne équivalente de décharge, Rdch, lors de la génération par les convertisseurs de tension 4 d'un courant de décharge, I, délivré pendant une période de charge, Atdch, pour les m cellules électrochimiques de la batterie à partir de l'équation 4 mentionnée précédemment.

Les valeurs calculées des résistances internes de charge et de décharge sont mémorisées avec la température de la cellule Tm et l'état de charge SOC,, correspondants dans la mémoire 15. Les périodes de charge, Atfrn, et de décharge, Atdch, sont librement adaptables et constituent des paramètres de réglage selon l'application. Ces périodes sont souvent identiques et de l'ordre de la dizaine de secondes pour des véhicules à traction ou propulsion entièrement électrique, ou de ls pour des véhicules hybrides. Les moyens 17 d'estimation déterminent la puissance maximale admissible pour la batterie 1, c'est-à-dire l'assemblage des cellules électrochimiques 5, en charge, c'est-à-dire lors d'un freinage récupératif notamment, notée Pfrnmax, à partir des relations (5.1) et (5.2) mentionnées précédemment. Les moyens 17 d'estimation déterminent la puissance maximale admissible pour la batterie 1 en décharge, notée Pdchmax, à partir des relations (6.1) et (6.2) mentionnées précédemment. Sur la figure 3 est présenté un organigramme d'une phase de d'étalonnage et d'une première phase de diagnostic d'un procédé de diagnostic des cellules électrochimiques de la batterie d'un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique selon un mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel l'état de la batterie est déterminé. De préférence, le diagnostic est réalisé dans une situation où la batterie est au repos, c'est-à-dire une situation où il n'existe aucun courant principal traversant la batterie, et aucun équilibrage en cours. Dans une étape initiale 100, on vérifie que la batterie 1 au repos, c'est-à-dire qu'aucun courant principal ne traverse la batterie 1, et qu'aucun équilibrage de tension des cellules électrochimiques 5 de la batterie est en cours.

Si la batterie 1 est au repos, on peut débuter le procédé de diagnostic, sinon le procédé n'est pas démarré. Le procédé de diagnostic est initié par une phase d'étalonnage 110. Dans une première étape d'étalonnage 111, on mesure à l'aide des capteurs de tension 6 la tension, Vcellm(t), aux bornes de chaque cellule électrochimique 5 de la batterie 1 à diagnostiquer. Dans une seconde étape d'étalonnage 112, on mesure à l'aide des capteurs de courant 7 et 71 le courant, 1(t), traversant chaque cellule électrochimique 5 à diagnostiquer, on détermine la température, Tm(t), de chaque cellule 5 à diagnostiquer à l'aide des capteurs de température 8 situés au voisinage de la cellule. Dans une étape 114, on détermine l'état de charge SOC de la cellule. Puis on réalise une première phase de diagnostic, dans laquelle, dans une première étape 120, on génère un courant de diagnostic sous la forme d'une impulsion de courant d'une durée au moins égale à la période d'échantillonnage, Te (de l'ordre de 0,1 seconde) dans chaque cellule électrochimique 5 de la batterie 1 à diagnostiquer. On mesure ensuite pour chaque cellule électrochimique 5 à diagnostiquer la tension, Vcellm(t+Te), aux bornes de la cellule 5, dans une étape 130, et le courant, I(t+Te), traversant la cellule 5, dans une étape 140. On estime ensuite pour chaque cellule 5 dans une étape 150 à partir de la phase d'étalonnage et des mesures réalisées aux étapes 130 et 140 la résistance interne instantanée à partir de l'équation 1.

Dans une étape suivante 160, on détermine l'état de chaque cellule électrochimique 5 diagnostiquée en comparant la résistance interne instantanée estimée de la cellule 5 à la résistance interne de référence de la même cellule 5, d'après l'équation 2. Dans une étape suivante 170, on détermine l'état de la batterie 1, l'état de la batterie 1 correspondant à l'état de la cellule électrochimique 5 en moins bonne santé, c'est-à-dire dont la valeur SOHR,, est la plus petite. Sur la figure 4 est présenté un organigramme d'un procédé de diagnostic pour estimer la puissance admissible de décharge et de charge de la batterie 1 selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les étapes décrites dans cet organigramme peuvent être réalisées à la place de la phase de diagnostic, étapes 120 à 170, de l'organigramme de la figure 3, ou bien à la suite de la phase de diagnostic, les étapes décrites ci-après étant des étapes d'une seconde phase de diagnostic. Dans une étape 121, on génère un courant de diagnostic sous la forme d'une impulsion de courant de charge d'une période de charge, Atf', d'une dizaine de secondes dans chaque cellule électrochimique 5 de la batterie 1. On mesure ensuite pour chaque cellule électrochimique 5 la tension, Vcellm(t+ Atf'), aux bornes de la cellule 5, dans une étape 131, et le courant, I(t+Atfrn), traversant la cellule 5, dans une étape 141.

Dans une étape 151, on estime ensuite pour chaque cellule 5 à partir de la phase d'étalonnage et des mesures réalisées aux étapes 131 et 141 la résistance interne de charge Rfrn,n à partir de l'équation 3. Dans une étape suivante 161, on détermine la puissance admissible de charge, Pfrnmax, de la batterie 1 à partir de l'équation 5.1 et 5.2 utilisant les valeurs calculées des résistances internes équivalentes de charge Rfrnn, de toutes les cellules électrochimiques 5 diagnostiquées. Dans une étape suivante 122, on génère un courant de diagnostic sous la forme d'une impulsion de courant de décharge d'une période de décharge, Atdch, d'une dizaine de secondes dans chaque cellule électrochimique 5 de la batterie 1. On mesure ensuite pour chaque cellule électrochimique 5 la tension, Vcellm(t+Atdch), aux bornes de la cellule 5, dans une étape 132, et le courant, /(t+Atdch), traversant la cellule 5, dans une étape 142. Dans une étape 152, on estime ensuite pour chaque cellule 5 à partir de la phase d'étalonnage et des mesures réalisées aux étapes 132 et 142 la résistance interne équivalente de décharge Rdchn, à partir de l'équation 4. Dans une étape suivante 162, on détermine la puissance admissible de décharge de la batterie 1 à partir des équations 6.1 et 6.2 utilisant les valeurs calculées des résistances internes équivalentes de décharge Rdchn, de toutes les cellules électrochimiques 5 diagnostiquées. Dans une variante il est possible de calculer alternativement la résistance de charge d'une cellule 5 en réalisant les étapes 121 à 151 puis la résistance de décharge de la même cellule 5 en réalisant les étapes 122 à 152 avant de déterminer les résistances de charge et de décharge d'une autre cellule électrochimique 5, et de ne calculer les puissances admissibles en charge et en décharge de la batterie 1 à l'aide des étapes 161 et 162 qu'une fois toutes les résistances internes de charge et de décharge déterminées, les valeurs étant mémorisées. La présente invention permet ainsi d'obtenir une batterie comprenant un dispositif permettant de réaliser un diagnostic robuste et à moindre coût, d'une part de l'état de chaque cellule de la batterie et, d'autre part, de la puissance admissible en charge et en décharge de la batterie, en utilisant une structure matérielle existante dans un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de diagnostic des cellules électrochimiques (5) d'une batterie (1) notamment pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens (11) de génération de courant de diagnostic dans au moins une cellule (5) de la batterie (1), des moyens (6) de mesure de la tension aux bornes de chaque cellule (5), des moyens (7, 71) de détermination du courant traversant la ou les cellule(s) (5), et des moyens (12) d'estimation de la résistance interne de chaque cellule (5) à partir du courant déterminé et des tension mesurées.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens (8) de mesure de la température au voisinage de chaque cellule (5) et un module d'étalonnage (14) apte à commander, avant la génération du courant de diagnostic : une mesure de la tension aux bornes de chaque cellule (5) destinée à être diagnostiquée, une mesure du courant qui permet de déterminer le courant traversant chaque cellule (5) à diagnostiquer et une détermination de la température de chaque cellule (5) à diagnostiquer. une détermination de l'état de charge de chaque cellule (5) à diagnostiquer
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre des moyens (16) d'estimation de l'état de santé d'une cellule (5) aptes à comparer la résistance interne estimée de la cellule à la résistance interne de référence de la cellule, et des moyens d'estimation de l'état de santé d'un ensemble de cellules (5) en fonction de l'état de santé de la cellule ayant subi le vieillissement le plus important.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre des moyens de commande (13) aptes à commander les moyens (11) de génération de courant de diagnostic de manière à générer respectivement un courant de décharge ou de charge de ladite cellule (5), ledit courant respectivement de décharge ou de charge formant le courant de diagnostic pour estimer respectivement la résistance interne équivalente de décharge ou de charge, et des moyens (17) d'estimation de la puissance maximale admissible respectivement en décharge ou en charge de la batterie en fonction de la résistance interne équivalente respectivement en décharge ou en charge estimée pour les cellules (5) à la température mesurée.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les moyens (13) de commande commandent les moyens (11) de génération de courant de diagnostic de manière à générer alternativement un courant de charge puis un courant de décharge de ladite cellule, ledit courant de décharge ou de charge formant alternativement le courant de diagnostic.
6. 6. Batterie (1) pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique comprenant des cellules électrochimiques (5) assemblées pour former un réseau haute tension (2), un réseau basse tension (3) et des convertisseurs (4) de tension raccordés entre le réseau haute tension (2) et le réseau basse tension (3) pour alimenter le réseau basse tension (3) à partir du réseau haute tension (2), la batterie (1) comprenant des capteurs de tension (6) pour chaque cellule électrochimique (5) et au moins un moyen de détermination de courant permettant de mesurer ou d'estimer le courant traversant la ou les cellule(s), caractérisé en ce que la batterie (1) comprend un dispositif de diagnostic selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les moyens (11) de génération de courant de diagnostic comprennent lesdits convertisseurs de tension (4), les moyens de mesure de tension comprennent lesdits capteurs de tension (6), et les moyens de détermination de courant comprennent lesdits capteurs de courant (7, 71).
7. 7. Batterie selon la revendication 6, dans laquelle l'un des convertisseurs de tension (4) est bidirectionnel et apte à générer alternativement le courant de charge puis le courant de décharge formant le courant de diagnostic.
8. 8. Procédé de diagnostic des cellules électrochimiques (5) d'une batterie (1) pour un véhicule automobile à traction ou propulsion au moins partiellement électrique, dans lequel : - on génère un courant de diagnostic dans au moins une cellule (5) de la batterie (1), - on mesure la tension aux bornes de chaque cellule (5), - on détermine le courant traversant la ou les cellule(s) (5), et - on estime la résistance interne de chaque cellule (5) à partir des courants déterminés et des tensions mesurées.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la génération du courant de diagnostic est précédée d'une mesure de la tension aux bornes de chaque cellule (5) à diagnostiquer, d'une détermination du courant traversant la ou les cellule(s) (5) à diagnostiquer, d'une détermination de la température de chaque cellule (5) à diagnostiquer et d'une détermination de l'état de charge de chaque cellule.
10. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, comprenant en outre une estimation de l'état de santé d'une cellule (5) en comparant, pour la cellule (5), la résistance interne estimée à la résistance interne de référence, l'état d'un ensemble de cellules (5) correspondant à l'état de santé de la cellule (5) ayant subi le vieillissement le plus important.
11. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel le courant de diagnostic généré est un courant respectivement de décharge ou de charge de ladite cellule (5) pour estimer la résistance interne équivalente respectivement de décharge ou de charge de ladite cellule (5), le procédé comprenant en outre une estimation de la puissance maximale admissible en décharge ou en charge de la batterie (1) en fonction de la résistance interne équivalenterespectivement en décharge ou en charge estimée des cellules (5) à une température mesurée.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, dans lequel le courant de diagnostic généré est alternativement un courant de charge puis un courant de décharge de la ou des cellule(s).