FR3019308A1 - Procede d'estimation d'une erreur de mesure de l'intensite du courant traversant une batterie d'accumulateurs - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination d'une erreur de mesure de l'intensité (imes) d'un courant traversant une batterie d'accumulateurs (40). Selon l'invention, ce procédé comporte des étapes : a) de mesure de la valeur d'au moins deux variables d'entrée et de sortie caractéristiques de l'état de ladite batterie d'accumulateurs, et b) d'estimation de ladite erreur de mesure à l'aide d'un observateur d'état qui est basé sur la valeur de chaque variable d'entrée et de sortie mesurée à l'étape a).

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la gestion électrique d'une batterie d'accumulateurs. Elle concerne plus particulièrement un procédé de détermination d'une erreur de mesure causée par un capteur d'intensité adapté à mesurer le courant traversant une batterie d'accumulateurs. L'invention s'applique particulièrement avantageusement aux véhicules 10 automobiles équipés d'un moteur électrique alimenté par une batterie d'accumulateurs. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les véhicules automobiles à propulsion électrique ou hybride sont équipés d'un moteur électrique et d'une batterie d'accumulateurs dédiée à 15 l'alimentation en courant de ce moteur électrique. Une telle batterie, communément appelée « batterie de traction », comporte de manière usuelle un boîtier qui loge une pluralité de cellules d'accumulateurs de tailles réduites, dont le nombre est calculé de telle sorte que le moteur électrique puisse développer un couple et une puissance suffisants pour 20 propulser le véhicule pendant une durée prédéterminée. Chaque cellule présente habituellement une tension à ses bornes de l'ordre de 2 à 5 V. Ces cellules sont alors connectées en série pour atteindre le niveau de tension requis par l'application. La tension mesurée aux bornes de la batterie de traction peut ainsi atteindre 400 V. 25 De manière bien connue, la puissance électrique que peut fournir une batterie d'accumulateurs diminue au cours d'un cycle de décharge. La quantité maximale d'énergie que peut stocker la batterie d'accumulateurs diminue quant à elle progressivement au cours de la durée de vie de cette batterie. Afin de tirer au mieux partie de la puissance électrique disponible dans la 30 batterie pour alimenter le moteur électrique, afin de prédire l'autonomie résiduelle du véhicule avant une nouvelle charge de batterie, et afin de prévoir à quel moment il sera nécessaire de changer toute ou partie de la batterie d'accumulateurs, on cherche à déterminer différents paramètres particuliers de la batterie, notamment son niveau de charge noté SOC (acronyme anglais de "State Of Charge") et sa capacité maximale notée Q. Pour cela, on équipe généralement la batterie d'accumulateurs de différents capteurs, notamment d'un capteur de courant adapté à mesurer l'intensité du courant traversant la batterie, et d'un capteur de tension adapté à mesurer la tension aux bornes de chaque cellule de la batterie d'accumulateurs. Malheureusement, un capteur de courant est rarement très précis, sauf à utiliser un capteur très onéreux, ce qui n'est pas envisageable dans le cadre d'une batterie d'accumulateurs pour véhicule automobile. En outre, même en utilisant un tel capteur, la précision des résultats des mesures resterait aléatoire, du fait 10 notamment des variations de température qui conserve une influence sur ces résultats quel que soit le type de capteur de courant utilisé. Ces erreurs de mesure, également appelées « biais du capteur de courant », ont des effets néfastes tant sur la gestion électrique de la batterie d'accumulateurs que sur la gestion électrique du moteur électrique. En effet, 15 l'intensité du courant est un paramètre qui est utilisé dans de nombreux calculs, par exemple pour estimer l'état de charge de la batterie, son temps de charge, sa capacité, ... On connaît alors du document KR20030089901 une méthode pour estimer ces erreurs de mesure en vue de calculer avec précision l'état de charge 20 de la batterie d'accumulateurs. Dans ce document, la méthode utilisée consiste à estimer périodiquement, pendant des « temps morts » (lorsqu'on est certain qu'aucun courant ne traverse la batterie d'accumulateurs), la moyenne du biais du capteur de courant, puis à compenser ce biais. 25 L'inconvénient majeur de cette méthode est qu'elle ne permet pas d'estimer le biais lorsque la batterie d'accumulateurs est utilisée. Or, ce biais peut varier sensiblement pendant cette utilisation, notamment du fait de l'évolution de la température de la batterie d'accumulateurs. OBJET DE L'INVENTION 30 Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose d'estimer « dynamiquement » le biais du capteur de courant grâce à un observateur. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé tel que défini dans l'introduction, dans lequel il est prévu des étapes : a) de mesure de la valeur d'au moins deux variables d'entrée et de sortie caractéristiques de l'état de ladite batterie d'accumulateurs, et b) d'estimation de ladite erreur de mesure (c'est-à-dire dudit biais) à l'aide d'un observateur d'état qui est basé sur la valeur de chaque variable d'entrée et de sortie mesurée à l'étape a). Ainsi, grâce à l'invention, le biais peut être calculé périodiquement, pendant que la batterie d'accumulateurs est en cours de charge ou de décharge et que sa température varie sensiblement. Il est ainsi possible de compenser le biais du capteur de courant avec une précision et une réactivité accrue. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l'invention sont les suivantes : - les étapes a) et b) sont répétés à chaque pas de temps et, à l'étape b), on estime la valeur de chaque variable de sortie et on fait converger ledit 15 observateur d'état en comparant la valeur mesurée de chaque variable de sortie avec la valeur estimée de cette variable de sortie ; - ladite batterie d'accumulateurs comportant une pluralité de cellules, à l'étape a), on mesure la valeur d'une tension aux bornes de chaque cellule, chacune de ces valeurs constituant une variable de sortie ; 20 - à l'étape a), on mesure la valeur de l'intensité du courant traversant la batterie d'accumulateurs, ladite valeur constituant ladite variable d'entrée ; - ladite batterie d'accumulateurs comportant une pluralité de cellules, à l'étape b), ledit observateur d'état est adapté à simultanément estimer l'état de charge de chaque cellule ; 25 - ledit observateur d'état utilise un vecteur d'état qui comprend au moins ladite erreur de mesure et une valeur de tension modélisant un phénomène de diffusion des ions dans la batterie d'accumulateurs ; et - ledit observateur d'état est basé sur un algorithme de filtrage de Kalman étendu. 30 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un véhicule automobile équipé d'une batterie d'accumulateurs qui comprend une pluralité de cellules et un capteur de courant adapté à mesurer l'intensité du courant traversant ces cellules, et d'une unité de pilotage adaptée à mettre en oeuvre un procédé d'estimation du biais Ai du capteur de courant ; et - la figure 2 est un schéma électrique modélisant l'une des cellules de la batterie d'accumulateurs de la figure 1. En préliminaire, dans la suite de cet exposé, on entendra par « batterie d'accumulateurs » un élément apte à stocker de l'énergie électrique lorsqu'il est alimenté en courant par un réseau électrique extérieur, puis à restituer ultérieurement cette énergie électrique. Une telle batterie d'accumulateurs peut être par exemple de type électrochimique (par exemple Lithium-ion) ou d'un type différent (par exemple condensateur). Sur la figure 1, on a représenté très schématiquement un véhicule automobile 1. Ce véhicule automobile 1 est ici un véhicule électrique. Il comporte alors un moteur électrique 10 prévu pour entraîner en rotation ses roues motrices 20. En variante, il pourrait s'agir d'un véhicule hybride, comportant un moteur à combustion interne et un moteur électrique pour l'entraînement de ses roues motrices. Comme le montre la figure 1, le véhicule automobile 1 comporte une batterie d'accumulateurs, appelée batterie de traction 40. Cette batterie de traction 40 est ici exclusivement prévue pour alimenter le moteur électrique 10 en courant. En variante, cette batterie de traction pourrait être également prévue pour alimenter en courant différents appareils électriques consommateurs de courant, tels que le système de direction assistée, le système de climatisation... Cette batterie de traction 40 comporte un boîtier extérieur 43 duquel émergent deux bornes, une positive 44 et l'autre négative 45 connectées au moteur électrique 10 via un boîtier électronique de puissance (non représenté). La batterie de traction 40 comporte également une pluralité de cellules 41i qui sont logées dans le boîtier extérieur 43 et qui sont ici branchées en série entre les deux bornes positive 44 et négative 45. En variante, on pourrait prévoir que les cellules soient connectées par couples en parallèles, et que ces couples de cellules soient branchés en série entre les deux bornes positive et négative. Le nombre N de cellules 41j utilisées est déterminé de telle sorte que le moteur électrique 10 puisse développer un couple et une puissance suffisants pour propulser le véhicule automobile 1 pendant une durée prédéterminée. Une cellule de batterie de traction délivrant habituellement une tension de l'ordre de 2 à 5 V, le nombre de cellules 41j est alors calculé de telle manière que la tension aux bornes de la batterie de traction 40 puisse atteindre 400 V. Chaque cellule 41j de la batterie de traction 40 est généralement surveillée indépendamment des autres cellules. Dans la suite de cet exposé, chaque cellule sera alors identifiée par un indice j, cet indice j étant compris entre 1 et N. On caractérise généralement l'état électrochimique de chaque cellule 41j par deux paramètres particuliers appelés niveau de charge SOC i et capacité 15 maximale Q. Le niveau de charge SOC i s'exprime en pourcentage. Il traduit l'état de chargement de la cellule 41j considérée, entre un niveau de charge minimal où la cellule n'est plus utilisable (0 %), et un niveau de charge maximal (100 %). La capacité maximale Q; s'exprime en ampère-heure. Elle indique la 20 durée pendant laquelle la cellule 41j peut fournir un courant électrique d'un ampérage donné. Au moment de la fabrication de la cellule 41j, cette capacité maximale Qj est généralement égale ou légèrement inférieure à la capacité nominale pour laquelle la cellule a été conçue. Puis, elle se dégrade au cours du temps, en fonction notamment de l'historique de température de la cellule 41j et de 25 son historique de cycles de charge et décharge. Chaque cellule 41j présente une tension à ses bornes notée Vj, et est traversée par un courant d'intensité noté ij. Il s'avère alors essentiel de déterminer précisément les valeurs de ces deux variables Vj, ij afin de pouvoir déterminer avec précision l'état 30 électrochimique des cellules 41j. En effet, ce sont ces variables et les paramètres précités SOC, Qj qui vont permettre de surveiller l'état de la batterie de traction 40 et de piloter avec précision le moteur électrique 10. Pour cela, le véhicule automobile 1 comporte un calculateur 30, qui est ici représenté comme étant indépendant de la batterie de traction 40. En variante, ce calculateur pourrait être intégré à la batterie. Selon une autre variante, le calculateur pourrait faire partie intégrante de l'unité globale de pilotage du moteur électrique. Ici, comme le montre la figure 1, le calculateur 30 comprend un 5 processeur (CPU), une mémoire vive (RAM), une mémoire morte (ROM), des convertisseurs analogiques-numériques (A/D), et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 30 est adapté à recevoir de différents capteurs des signaux d'entrée relatifs à la batterie de traction 40. 10 Dans sa mémoire vive, le calculateur 30 mémorise ainsi en continu : - l'intensité mes du courant débité par la batterie de traction 40, à l'aide d'un capteur de courant 46 connecté électriquement entre les cellules 41 et la borne négative 45 de la batterie de traction 40, et - la tension Vj aux bornes de chaque cellule 41j, à l'aide de voltmètres 15 connectés électriquement aux bornes des cellules 41j de la batterie de traction 40. Si la tension Vj mesurée aux bornes des cellules 41j présente une précision appropriée à l'utilisation qui en sera faite, il n'en est pas de même de l'intensité mes du courant mesurée. Le capteur de courant 46 présente en effet un biais Ai inhérent à sa 20 conception et à différents paramètres extérieurs (notamment à la température dans la batterie de traction 40). Par biais, on entend qu'il existe une erreur entre la mesure effectuée par le capteur de courant 46 et l'intensité réellement débitée par la batterie de traction 40. Il est alors important, et c'est d'ailleurs l'objet de la présente invention, 25 d'estimer ce biais Ai afin de corriger la valeur de l'intensité mes mesurée par le capteur de courant 46, ce qui permettra ensuite d'obtenir de meilleures estimations de l'état de la batterie de traction 40 (notamment de son niveau de charge SOC, de sa capacité maximale Qj et de son espérance de vie). Grâce à un logiciel mémorisé dans sa mémoire morte, le calculateur 30 30 est adapté à déterminer, en fonction des valeurs mesurées, la valeur de ce biais Ai, ainsi qu'éventuellement d'autres valeurs liées à l'état de la batterie de traction 40. Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 30 est adapté à transmettre ces données à l'unité globale de pilotage du moteur électrique 10. Dans la suite de cet exposé, on s'intéressera alors à l'algorithme mis en oeuvre par le calculateur 30 pour déterminer la valeur du biais Ai. Au démarrage du moteur électrique 10, le calculateur 30 met en oeuvre une opération d'initialisation au cours de laquelle il affecte des « valeurs initiales estimées » à différents paramètres, notamment au niveau de charge SOC i de chaque cellule 41i, au biais Ai, et à la tension de diffusion Vci des ions dans chaque cellule 41i (cette tension sera mieux définie dans la suite de cet exposé). Ces valeurs initiales peuvent par exemple être choisies égales aux dernières valeurs calculées (avant extinction du moteur électrique 10). Au premier démarrage du moteur, elles peuvent par exemple être choisies ainsi : - SOC i = 100 %, - Ai = 0 A, et - = 0 V. Le calculateur 30 met ensuite en oeuvre un algorithme en trois étapes, répétées de manière récurrente à chaque pas de temps (le pas de temps considéré étant ici noté k). Selon l'invention, la première étape consiste à mesurer la valeur d'au moins deux variables d'entrée et de sortie caractéristiques de l'état de la batterie de traction 40, la seconde étape consiste à estimer le biais Ai à l'aide d'un observateur d'état qui est basé sur la valeur de chaque variable d'entrée et de sortie mesurée précédemment, et la troisième étape consiste à corriger l'intensité in,' du courant mesurée en fonction du biais Ai estimé.

Ces étapes sont plus précisément mises en oeuvre de la manière suivante. Au cours de la première étape, le calculateur 30 acquiert les valeurs des tensions Vi mesurées aux bornes des N cellules 41i par les capteurs de tension, ainsi que la valeur de l'intensité mes du courant mesurée par le capteur de courant 30 46. Au cours de la seconde étape, l'observateur d'état est utilisé pour reconstruire, à partir des mesures, les variables internes d'un système dynamique. L'observateur, à partir d'un modèle embarqué des cellules 41i et de la valeur de l'intensité mes du courant mesurée, prédit les tensions aux bornes des cellules. Il compare ensuite cette prédiction à la mesure des tensions aux bornes des cellules. La différence entre tension prédite et tension mesurée est utilisée pour adapter les états internes du modèle et les faire converger de manière à annuler l'écart entre tension prédite et tension mesurée. Elle permet alors d'obtenir une bonne estimation du biais Ai. Cet observateur d'état a été développé théoriquement, à partir d'équations élaborées de la manière suivante. Comme le montre la figure 2, chaque cellule 41i est modélisée sous la forme d'un circuit électrique 42 comportant des composants idéaux. Ce circuit électrique 42 comporte plus précisément, en série, une source de tension parfaite OCV, une résistance RQ, et au moins un couple de résistance Ri et de capacité Ci branchées en parallèle. Dans ce modèle, la source de tension parfaite OCV modélise le potentiel électrochimique de la cellule 41j. La différence de potentiels aux bornes de cette source de tension parfaite OCV dépend alors directement du niveau de charge SOCi de la cellule 41. On notera alors cette différence de potentiels OCV(SOCi). La résistance RQ modélise la chute de tension induite par la connectique de la cellule 41i et par la résistance interne de la cellule 41j.

Le couple de résistance Ri et de capacité Ci branchées en parallèle modélise quant à lui le phénomène de diffusion des ions lithium dans la cellule 41i et dans les électrodes de la cellule 41j. La tension de diffusion Vci précitée correspond alors à la tension qu'on pourrait mesurer aux bornes de ce couple de résistance R et de capacité C.

La mise en équation de ce circuit électrique 42 équivalent conduit au système d'équations suivant : dSOC dt dr7ci Vcj , avec j allant de 1 à N. dt R C c (7, = ocv (soc )-F R'.i +V ci On sait par ailleurs qu'il existe des courants d'équilibrage iEj traversant chaque cellule 41j. Ces courants d'équilibrage iEj sont créés pour équilibrer les tensions aux bornes des cellules 41i branchées en parallèle.

Compte tenu de ces courants d'équilibrage iEj, on peut écrire la relation suivante : ij = imes iEj - Ai L'équation globale à partir de laquelle a été élaboré l'observateur a alors été obtenu sur la base du constat suivant : tandis que la tension et le niveau de charge SOC de chaque cellule 41i évolue rapidement, le biais Ai présente une évolution beaucoup plus lente. De ce fait, l'hypothèse de considérer une variation de biais Ai nulle entre deux pas de temps k est raisonnable. On écrit alors : dAi =0 dt La discrétisation de ces équations permet d'obtenir le système suivant : SOC j(k)= SOC j(k 1)Te.Ai(k Te 1) -1)+iEj(k -1)) 0 O. - i Vc T (k) (1 ' ).Vq k 1) Te .Ai(k T` ' y (k -1) + i (k -1)) RC C C Ai(k)= 4 (k -1) V (k)= OCV (SOC (k))-1.3d(k)+ RQ.(im,,(k)+ (k))+ Vn (k) Dans ce système d'équations, Te est la période d'échantillonnage. L'observateur d'état ici utilisé pour obtenir à chaque pas de temps k une 15 bonne évaluation du biais Ai et du niveau de charge SOCj des cellules 41i est un filtre de Kalman étendu. Il pourrait en variante s'agir d'un autre filtre. La résolution d'un tel système d'équations par la méthode de filtrage de Kalman étant bien connue de l'homme du métier, elle ne sera donc pas décrit ici en détail. On pourra, pour plus de détail, se référer par exemple à l'ouvrage 20 « Optimal State Estimation » de Dan Simon, publié aux éditions Wiley. En résumé, cet observateur d'état utilise un vecteur d'état xk, un vecteur d'entrée uk, un vecteur de sortie yk, un bruit d'état wk, et un bruit de mesure vk. Il considère alors le système stochastique suivant : [x' = f,_1(x,_i,u,'_1, ) v'.=1,7,(x,,u,, Q k(o, 0k) rk-(°:Rk)10 Dans ce système, Rk est la matrice de covariance de bruit de mesure et Qk la matrice de covariance de bruit d'état. En pratique, le vecteur d'état xk est défini ainsi : r SOC 1(k)1 = ï7. (k) Ai(k)J Le vecteur de sortie yk est défini ainsi : Yk = [Vi(k)] Le vecteur d'entrée uk est défini ainsi : uk =mes(k) Les fonctions fk-1 et hk sont obtenues à l'aide du système d'équations discrétisées mentionné supra. Le calculateur 30 linéarise alors le système d'équations en calculant les matrices jacobiennes suivantes : f A-1 F k = ax = 0(0 rk-1 Il estime alors la matrice de covariance d'erreur d'estimation de la variable d'état Pk et la variable d'état xk de la manière suivante : = IPkIFkTI + LkIQkILI x' = Le calculateur 30 linéarise alors ces équations en calculant les matrices jacobiennes suivantes : Hk = k ah k av rk Enfin, le calculateur 30 met à jour le gain de Kalman Kk, estime la variable d'état xk et la matrice de covariance d'erreur d'estimation de la variable d'état Pk de la manière suivante : Kk=PkHkr(HkPkHk ±MkRkilikT)1 xk = xk + K - h(xk,u,,0)] P; =(1- 13,11 k)P,- Le calculateur 30 obtient ainsi les valeurs estimées du biais Ai et du niveau de charge SOC i de chaque cellule 41i. Au cours de la troisième étape, le calculateur 30 peut alors corriger la mesure de l'intensité imes à l'aide du biais Ai. La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. Ainsi, on pourrait par exemple prévoir, dans le cas où le niveau de charge SOC i de chaque cellule 41i est déjà connu (car calculé par ailleurs), de réduire le nombre d'équations à résoudre à chaque pas de temps. Le vecteur d'état xk serait alors défini ainsi : rvc,(k)1 Xk= \i(k) Encore en variante, on pourrait se baser sur d'autres paramètres d'état pour affiner l'estimation du biais. On pourrait ainsi considérer, comme variable d'entrée ou de sortie, la température autour du capteur de courant. Un capteur de température serait alors nécessaire. Selon une autre variante de l'invention, on aurait pu affiner l'estimation du biais en modélisant chaque cellule de la batterie de traction par un circuit électrique équivalent plus complet. On aurait ainsi pu modéliser la diffusion des ions dans chaque cellule non pas par un unique couple de résistance Ri et de capacité Ci branchées en parallèle, mais plutôt par plusieurs couples de ce type branchés en série les uns par rapport aux autres.25

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'une erreur de mesure (Ai) de l'intensité (mes) d'un courant traversant une batterie d'accumulateurs (40), caractérisé en ce qu'il comporte des étapes : a) de mesure de la valeur d'au moins deux variables d'entrée (imes(k)) et de sortie (Vi(k)) caractéristiques de l'état de ladite batterie d'accumulateurs (40), et b) d'estimation de ladite erreur de mesure (Ai) à l'aide d'un observateur d'état qui est basé sur la valeur de chaque variable d'entrée (iii,'(k)) et de sortie (Vi(k)) mesurée à l'étape a).
2. 2. Procédé de détermination selon la revendication précédente, dans lequel les étapes a) et b) sont répétés à chaque pas de temps (k) et dans lequel, à l'étape b), on estime la valeur de chaque variable de sortie (Vi(k)) et on fait converger ledit observateur d'état en comparant la valeur mesurée de chaque variable de sortie (Vj(k)) avec la valeur estimée de cette variable de sortie .
3. 3. Procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, ladite batterie d'accumulateurs (40) comportant une pluralité de cellules (41i), à l'étape a), on mesure la valeur d'une tension (Vi(k)) aux bornes de chaque cellule (41i), chacune de ces valeurs constituant une variable de sortie.
4. 4. Procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, à l'étape a), on mesure la valeur de l'intensité (imes(k)) du courant traversant la batterie d'accumulateurs (40), ladite valeur constituant ladite variable d'entrée.
5. 5. Procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, ladite batterie d'accumulateurs (40) comportant une pluralité de cellules (41i), à l'étape b), ledit observateur d'état est adapté à simultanément estimer l'état de charge (SOC) de chaque cellule (41i).
6. 6. Procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit observateur d'état utilise un vecteur d'état (xk) qui comprend au moins ladite erreur de mesure (Ai) et une valeur de tension (\ici) modélisant un phénomène de diffusion des ions dans la batterie d'accumulateurs (40).
7. 7. Procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit observateur d'état est basé sur un algorithme de filtrage deKalman étendu.
8. 8. Véhicule automobile comportant un moteur électrique (10) alimenté en courant par une batterie d'accumulateurs (40), et une unité de pilotage (30) du moteur électrique (10) et/ou de la batterie d'accumulateurs (40), caractérisé en ce que ladite unité de pilotage (30) est adaptée à mettre en oeuvre un procédé de détermination selon l'une des revendications précédentes.10