FR3046249A1 - Procede d'evaluation de l'etat de charge d'une batterie - Google Patents

Abstract

Procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie comprenant l'association de plusieurs cellules comprenant au moins une phase d'estimation de l'état de charge de la batterie par un algorithme d'estimation de l'état de charge et au moins une phase de recalage de l'algorithme d'estimation mis en œuvre durant la phase d'estimation, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la mise en œuvre des étapes suivantes : - détection d'une valeur réelle d'un état de charge de la batterie à un instant donné par la mise en œuvre des étapes suivantes : - mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné ; - analyse (E4) des valeurs de tension mesurées à l'étape précédente, dans le but de calculer au moins une grandeur représentative de l'écart entre ces valeurs ; - comparaison (E5) de la au moins une grandeur calculée à l'étape précédente avec un seuil choisi de sorte à identifier un état particulier de la batterie correspondant à une valeur réelle d'état de charge connue et prédéfinie de la batterie, - recalage (E10) de l'algorithme d'estimation de l'état de charge de la batterie à partir de ladite valeur réelle d'état de charge audit instant donné.

Description

Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie L'invention concerne un procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie. Elle concerne aussi un dispositif d’évaluation de l’état de charge d’une batterie mettant en oeuvre ce procédé. Enfin, elle concerne un système comprenant une batterie et mettant en oeuvre ce procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie.

La connaissance de l’état d’une batterie (ou accumulateur électrochimique) comprend notamment le calcul de son état de charge à tout moment de son existence, aussi appelé SOC pour sa dénomination anglo-saxonne de « State Of Charge ». Pour cela, une jauge (ou indicateur) d’état de charge est généralement associée à une telle batterie. Cette jauge est gérée par un système de gestion de la batterie, qui met en oeuvre l’estimation de l’état de charge de la batterie à partir d’algorithmes prédéfinis et de mesures réalisées par des capteurs associés à la batterie. Avec les solutions de l’état de la technique, on note une dégradation de cette estimation de l’état de charge d’une batterie avec le temps, et avec son vieillissement. Pour pallier à ce phénomène, il est connu de mettre en oeuvre des phases dites de « recalage de la jauge d’état de charge », qui consistent en des adaptations avec le temps des algorithmes prédéfinis, par exemple des paramètres de ces algorithmes, pour leur permettre finalement d’atteindre une estimation fiable de manière durable.

Une première méthode de l’état de la technique pour mettre en oeuvre une phase de recalage de la jauge d’état de charge d’une batterie consiste à réaliser une pleine charge de la batterie. Lorsque la pleine charge est atteinte, la jauge est recalée par son réglage à 100%.

Une seconde méthode alternative de l’état de la technique pour mettre en oeuvre une phase de recalage de la jauge d’état de charge d’une batterie consiste à réaliser une pleine décharge de la batterie, qui permet d’atteindre un état de charge nul qui permet de recaler la jauge à 0%.

Ainsi, ces phases de recalage consistent finalement en un positionnement des batteries dans une configuration totalement chargée ou déchargée, pour laquelle leur état de charge réel est connu, pour recaler les algorithmes d’estimation sur cette valeur réelle. Naturellement, un inconvénient de ces solutions de l’état de la technique est qu’elles nécessitent la mise en oeuvre régulière d’une charge ou décharge complète de la batterie, ce qui engendre une perte de temps et ne permet pas l’utilisation normale de la batterie pendant ces phases de recalage. Il existe une multitude d’applications d’une batterie pour lesquelles la batterie atteint très rarement naturellement ces situations extrêmes (SOC de 0 et 100%).

Une autre méthode de recalage de la jauge d’état de charge d’une batterie consiste à mesurer la tension aux bornes de la batterie. Cependant cette méthode nécessite d’avoir un capteur de tension très précis et une fréquence de mesure importante. De plus, cette mesure de tension est ensuite exploitée par des calculs complexes, qui nécessitent une puissance de calcul importante.

Ainsi, un objet général de l’invention est de proposer une solution d’estimation de l’état de charge d’une batterie qui ne comprend pas les inconvénients de l’état de la technique.

Plus particulièrement, un objet de l’invention est de proposer une solution d’estimation de l’état de charge d’une batterie qui permet d’améliorer la précision de l’estimation tout en allégeant le procédé d’estimation. A cet effet, l’invention repose sur un procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie comprenant l’association de plusieurs cellules comprenant au moins une phase d’estimation de l’état de charge de la batterie par un algorithme d’estimation de l’état de charge et au moins une phase de recalage de l’algorithme d’estimation mis en oeuvre durant la phase d’estimation, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la mise en oeuvre des étapes suivantes : - détection d’une valeur réelle d’un état de charge de la batterie à un instant donné par la mise en oeuvre des étapes suivantes : - mesure de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné ; - analyse des valeurs de tension mesurées à l’étape précédente, dans le but de calculer au moins une grandeur représentative de l’écart entre ces valeurs ; - comparaison de la au moins une grandeur calculée à l’étape précédente avec un seuil choisi de sorte à identifier un état particulier de la batterie correspondant à une valeur réelle d’état de charge connue et prédéfinie de la batterie, - recalage de l’algorithme d’estimation de l’état de charge de la batterie à partir de ladite valeur réelle d’état de charge audit instant donné.

La phase de recalage peut comprendre la répétition des étapes de mesure, d’analyse, et de comparaison tant que la comparaison ne permet pas de détecter un état particulier de la batterie, selon une période prédéfinie.

Le procédé d’évaluation de l’état de charge peut comprendre la mesure de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné pendant une phase de décharge de la batterie durant laquelle elle alimente simultanément une charge selon un fonctionnement normal de la batterie. L’étape de mesure de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné peut comprendre la mesure de la tension aux bornes de toutes les cellules de la batterie ou d’une partie seulement des cellules de la batterie, notamment une pluralité de cellules connectées en série. L’étape d’analyse des valeurs de tension mesurées peut comprendre tout ou partie des calculs suivants : - la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale des tensions mesurées ; - la prise en compte des deux plus grandes valeurs, ou des n plus grandes valeurs, comparées aux deux plus petites, ou aux n plus petites valeurs de tension mesurées ; - un calcul statistique de type écart-type permettant de détecter une augmentation de la dispersion des valeurs de tension mesurées ; - une mise à l’écart des valeurs de tension anormales pour ne pas les utiliser dans le calcul.

Le procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie peut comprendre une étape de détection si l’état de la batterie permet le lancement ou non d’une phase de recalage, comprenant notamment la vérification d’au moins l’une des deux conditions suivantes : - la vérification que le courant aux bornes de la batterie se trouve sous un seuil maximum ; - la vérification que l’état de charge de la batterie se trouve dans une plage intermédiaire, notamment entre 10% et 90%, voire entre 40 et 70%.

Le procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie peut comprendre une étape d’équilibrage des cellules de la batterie si l’écart entre les valeurs de tension mesurées se trouve au-delà d’un seuil.

La batterie peut comprendre plusieurs cellules lithium-ion à électrode négative de graphite et la valeur réelle d’état de charge connue et prédéfinie de la batterie peut être autour de 60%.

Le procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie peut comprendre une étape préalable de calibration, consistant en une étape de tracé d’au moins une partie de la courbe d’évolution de la tension aux bornes d’une cellule de la batterie en phase de charge et/ou de décharge, et la détection d’au moins un point particulier de cette courbe, comme un palier ou une zone de forte pente. L’invention porte aussi sur un dispositif d’évaluation de l’état de charge d’une batterie comprenant l’association de plusieurs cellules, comprenant un calculateur et une mémoire électronique, caractérisé en ce que le dispositif comprend un dispositif de communication avec des capteurs de tension pour recevoir des données numériques de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie, et en ce que le calculateur met en oeuvre le procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie tel que décrit précédemment. L’invention porte aussi sur un support informatique lisible par une unité de gestion, caractérisé en ce qu’il comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre et pilotage du procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie tel que décrit précédemment. L’invention porte aussi sur un système comprenant une batterie comprenant l’association de plusieurs cellules et une unité de gestion comprenant un calculateur, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs capteurs de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie et un dispositif de communication entre ces capteurs et le calculateur de l’unité de gestion, cette unité de gestion mettant en oeuvre le procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie tel que décrit précédemment. L’unité de gestion pilote l’utilisation de la batterie en fonction de son état de charge évalué par le procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie tel que décrit précédemment.

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

La figure 1 représente l’évolution de la tension aux bornes d’une batterie de type lithium-ion à électrode négative de graphite lors d’une décharge et d’une charge à faible courant.

Les figures 2 et 3 représentent aussi l’évolution de la tension aux bornes d’une batterie de type lithium-ion à électrode négative de graphite lors d’une charge et d’une décharge successive pour respectivement deux régimes différents.

Les figures 4 à 5 représentent l’évolution de la dispersion entre les tensions aux bornes de différentes cellules d’une batterie en fonction du temps lors d’une charge et d’une décharge successive pour respectivement deux régimes différents.

La figure 6 représente schématiquement un organigramme du procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon un mode de réalisation de l’invention.

Pour une raison de simplicité, des éléments semblables porteront les mêmes références sur les différentes figures.

Le procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie est particulièrement adapté à une batterie comprenant une multitude de batteries élémentaires, souvent appelées plus simplement cellules, reliées entre elles électriquement en série et/ou parallèles. Une telle batterie est parfois appelée pack batterie. Le procédé est aussi particulièrement adapté à un pack batterie construit avec la technologie lithium-ion à électrode négative à base de graphite.

Le procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon un mode de réalisation avantageux de l’invention comprend une phase d’estimation, durant laquelle une méthode d’estimation de l’état de charge est mise en oeuvre, et une phase de recalage. Cette phase de recalage permet, à partir d’une valeur précise et réelle d’état de charge, de recaler les calculs mis en oeuvre durant la phase d’estimation, pour modifier par exemple les paramètres des calculs mis en oeuvre par les algorithmes utilisés lors de ladite phase d’estimation et actualiser les valeurs des paramètres pour tenir compte du vieillissement de la batterie, mais également d’une éventuelle dérive des mesures effectuées par les capteurs. Ce recalage, ou encore actualisation ou compensation, est réalisé selon la même approche que celui explicité en rapport avec l’état de la technique. L’invention porte plus précisément sur la détection simple d’une valeur réelle de recalage.

Comme cela va être détaillé par la suite, les phases de recalage selon le mode de réalisation de l’invention permettent d’obtenir au moins une valeur précise et fiable de l’état de charge d’une batterie, de manière plus simple et moins contraignante qu’avec les solutions de l’état de la technique, quel que soit le vieillissement de la batterie. Cette approche permet ainsi de mettre en œuvre les phases de recalage selon une occurrence plus importante qu’avec les méthodes de l’état de la technique, ce qui permet d’améliorer globalement la précision de l’estimation de l’état de charge d’une batterie. Cette occurrence sera choisie pour atteindre un compromis optimal entre une grande précision de l’estimation de l’état de charge et la simplicité du procédé global d’estimation de l’état de charge. Il est aussi possible de choisir un algorithme d’estimation de l’état de charge plus simple et moins robuste, dont la baisse de performance sera au moins compensée par des phases de recalage plus nombreuses.

Une phase de recalage de l’estimation de l’état de charge d’une batterie selon un mode de réalisation va maintenant être explicitée. Cette phase de recalage repose sur l’observation de l’évolution de la tension aux bornes de la batterie lors de sa charge ou de sa décharge. A cet effet, la figure 1 montre une courbe 2 qui représente l’évolution de la tension aux bornes d’une batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa décharge, et une courbe 3 qui représente l’évolution de la tension aux bornes de ladite batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa charge. Il apparaît que ces deux courbes 2, 3 comprennent différents paliers 4 et des zones intermédiaires 5 de fortes pentes entre ces paliers.

Différentes études montrent que au moins certains de ces paliers 4 et zones intermédiaires 5 se produisent toujours à un état de charge SOC identique à chaque cycle, de manière indépendante du vieillissement de la batterie élémentaire.

Les figures 2 et 3 illustrent ce même phénomène pour respectivement deux régimes différents de charge et décharge.

La figure 2 représente les mesures de tension relevées lors d’une charge et d’une décharge successive à un régime de C/20. On retrouve une première courbe 3 qui représente l’évolution de la tension aux bornes d’une batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa charge, et une courbe 2 qui représente l’évolution de la tension aux bornes de ladite batterie lithium-ion élémentaire en fonction du temps pendant sa décharge successive dans le temps. Ces courbes présentent bien des paliers et des zones intermédiaires de forte pente, dont une zone 5 identifiée et particulièrement intéressante, qui se présente comme une brève rupture des courbes entre deux paliers, qui sera exploitée selon ce mode de réalisation de l’invention. Ces mêmes figures représentent les courbes 6, 7 d’évolution de l’état de charge pendant respectivement la charge et la décharge. On note que la zone 5 en phase de charge de la batterie élémentaire apparaît pour un état de charge d’environ 60%, alors que la zone 5 en phase de décharge apparaît pour un état de charge d’environ 63%.

La figure 3 représente les mêmes courbes pour un régime différent de C/100. Cela illustre que les phénomènes précédents sont visibles pour tout régime.

En fait, les zones 5 intermédiaires se reproduisent systématiquement à état de charge constant, et on constate qu’elles témoignent en fait d’un état physique particulier de la batterie. Ces zones 5 permettent ainsi de détecter cet état physique particulier de la batterie, et de connaître l’état de charge réel de la batterie dans cet état particulier.

Lors de la charge et de la décharge d'un pack batterie constitué de plusieurs batteries élémentaires, aussi appelées cellules, assemblées en série, les différentes cellules n'atteignent pas les paliers et les zones 5 remarquables au même moment, du fait de l’existence inévitable d’un déséquilibre de charge entre les cellules. Ce décalage temporel entre elles se traduit par une augmentation de l'écart entre les tensions des différentes cellules au niveau de ces zones 5 remarquables. Le mode de réalisation de l’invention exploite ce phénomène pour détecter ces zones 5 remarquables par la simple comparaison des mesures de tension entre les cellules de la batterie. Cette approche est ainsi très simple puisqu’elle ne nécessite pas de tracer les courbes 2, 3, voire n’exige pas le calcul d’une dérivée de la tension par rapport au temps pour détecter les changements de pente au niveau des zones 5.

Les figures 4 et 5 illustrent ainsi cette approche pour une batterie test comprenant huit cellules lithium-ion connectées en série, et pour respectivement deux régimes de C/100 et C/5, où C correspond aux conditions nominales. Sur ces deux figures, les huit courbes d’évolution en fonction du temps de la tension en charge et décharge pour respectivement chacune des cellules de la batterie sont sensiblement superposées sur des courbes 3, 2. Ces huit courbes se décalent légèrement sur les zones 5 identifiées précédemment, du fait du phénomène explicité ci-dessus. La courbe 8 représente la différence en fonction du temps entre la tension maximale et la tension minimale des valeurs de tension aux bornes des différentes cellules de la batterie. On s’aperçoit que cette courbe 8 présente un pic 9 au niveau des zones 5 particulières identifiées, ce qui confirme le phénomène susmentionné. Le mode de réalisation de l’invention repose ainsi sur l’identification d’une zone 5 particulière, en charge ou en décharge de la batterie, par la simple détection d’un pic 9 lors de la comparaison des mesures de tension pour les différentes cellules, ou plus généralement d’une augmentation de la dispersion des valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie.

En remarque, la figure 5 illustre deux cycles de charge et décharge de la batterie. On note sur cette figure que les pics 9 sont moins marqués et donc moins identifiables que précédemment. Ainsi, cela illustre le fait que le mode de réalisation de l’invention choisit de préférence un régime de charge ou décharge assez faible, C/100 représentant un bon compromis. En effet, l'écart maximal (pic 9) peut atteindre 20 mV lors d'un cyclage à un régime de C/100. Il diminue pour des courants plus forts et devient plus difficile à détecter.

Les constatations précédentes sont vraies pour des architectures de batteries plus ou moins complexes, comprenant par exemple une multitude de batteries élémentaires associées en série et/ou parallèle, formant un pack batterie. Ainsi, pour une batterie donnée, l’observation d’au moins un écart particulier, un maximum local de l’écart entre les tensions aux bornes des différentes cellules de la batterie permet d’indiquer avec une précision satisfaisante une valeur de l’état de charge de la batterie, que nous considérons comme une valeur réelle de cet état de charge.

Sur la base de cette constatation, le principe mis en oeuvre dans une phase de recalage d’un procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie consiste en une analyse et comparaison des mesures de tension aux bornes des différentes cellules de la batterie lors de sa charge ou décharge, et en une détermination d’au moins un maximum de l’écart entre ces valeurs, qui permet de détecter l’état physique particulier de la batterie et d’en déduire avec précision une valeur réelle de l’état de charge de la batterie, qui sert au recalage du modèle d’estimation de l’état de charge de la batterie, utilisé hors des phases de recalage.

La notion de valeur réelle de l’état de charge est définie par opposition à une valeur estimée de l’état de charge qui correspond à une valeur calculée au moyen d’un algorithme de calcul de l’état de charge. Les algorithmes de calcul, ou d’estimation, utilisent des valeurs de grandeurs physiques, par exemple la tension aux bornes de la batterie, pour calculer une valeur estimée de l’état de charge. Au contraire, une valeur réelle particulière de l’état de charge est obtenue par détection d’un phénomène physique caractéristique permettant d’affirmer que la valeur instantanée de l’état de charge est égale à une valeur connue, prédéterminée, au moment de la détection dudit phénomène physique caractéristique. Par exemple, pour les zones 5 identifiées sur les figures 2 et 3, la détection de ces zones permet d’en déduire que les cellules de la batterie, et donc la batterie elle-même, se trouvent dans un état de charge réel de 60% ou 63%, comme explicité précédemment.

La figure 6 illustre les étapes d’une phase de recalage d’un procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon un mode de réalisation de l’invention.

Dans une première étape E1, le procédé vérifie si les conditions sont réunies pour une mise en oeuvre efficace du recalage du procédé d’évaluation de l’état de charge SOC. Selon le mode de réalisation, les deux conditions suivantes sont vérifiées dans cette première étape E1 : - le courant I de charge ou de décharge appliqué est préféré sous un seuil maximal IJimite, comme explicité précédemment, par exemple inférieur ou égal à C/5 ; - l’état de charge de la batterie, tel qu’estimé par la jauge d’état de charge, même imparfaite avant son recalage, ou par tout autre moyen, comme à partir d’une mesure de tension à vide du système électrochimique de la batterie qui peut aussi être représentative de l’état de charge de la batterie, doit se trouver dans une fourchette acceptable pour la mise en oeuvre d’une phase de recalage. Il faut en effet se trouver dans une position qui va permettre d’atteindre un des points 5 remarquables explicités précédemment. Dans l’exemple considéré, une fourchette large est avantageusement définie par 10% < SOC < 90%, pour garantir que la batterie se trouve dans une situation intermédiaire et non vers les positions extrêmes totalement chargée ou déchargée. En variante, cette fourchette peut être choisie entre 40 et 70 % dans l’optique de détecter la zone 5 précédemment identifiée qui correspond à un SOC voisin de 60%.

Si les conditions précédentes choisies ne sont pas vérifiées lors de cette étape E1, la phase de recalage n’est pas engagée, et cette étape est remise en œuvre périodiquement jusqu’à atteindre les conditions recherchées.

En remarque, la phase de recalage est réalisée dans une phase de charge ou de décharge de la batterie, dans des conditions de courant prédéfinies, de préférence à courant constant et faible. D’autre part, les conditions de charge sont aussi de préférence choisies pour maintenir la température de la batterie sensiblement constante, en évitant par exemple les forts régimes. Les conditions nominales de charge, données par le constructeur, représentent à titre d’exemple une solution, ou un régime à faible courant, par exemple de C/100 comme mentionné précédemment, forme une solution avantageuse.

Si la phase de recalage est engagée, le procédé met alors en oeuvre les itérations suivantes, selon une période choisie :

Dans une étape E3 de mesures, les valeurs de tension aux bornes des différentes cellules de la batterie sont mesurées, à un instant donné. De préférence, les mesures sont réalisées simultanément ou quasi-simultanément pour les différentes cellules. En variante, elles peuvent être légèrement décalées dans le temps. Selon le mode de réalisation, les valeurs de tension de toutes les cellules sont mesurées. En variante, la tension d’une partie seulement de ces cellules pourrait être mesurée, leur pluralité pouvant suffire à détecter une dispersion des mesures.

Ensuite, le procédé met en oeuvre une étape E4 d’analyse des valeurs de tension mesurées à l’étape précédente, dans le but de détecter une augmentation de l’écart entre ces valeurs, comme explicité précédemment. Ainsi, cette étape d’analyse peut mettre en oeuvre les calculs suivants : - La différence entre la valeur maximale et la valeur minimale des tensions mesurées ; - La prise en compte des deux plus grandes valeurs, ou des n plus grandes valeurs, comparées aux deux plus petites, ou aux n plus petites, par exemple en considérant la moyenne des deux ou n valeurs de tension considérées ; - Tout calcul statistique de type écart-type permettant de détecter une dispersion des valeurs mesurées, une augmentation de l’écart entre les valeurs de tension mesurées.

Plus généralement, cette étape E4 d’analyse met en oeuvre le calcul d’au moins une grandeur Diff représentative de l’écart entre les mesures de tension de différentes cellules de la batterie. Naturellement, ces calculs différents peuvent être combinés et/ou cumulés, pour améliorer la fiabilité de l’analyse.

En remarque, l’étape E4 d’analyse peut mettre en oeuvre une étape optionnelle, non représentée, de détection des valeurs de tension anormales, qui sont par exemple dues à une erreur de mesure ou à une défaillance de la cellule associée, pour les mettre de côté et ne pas les prendre en compte dans l’étape E4 d’analyse.

Ensuite, le procédé met en oeuvre une étape E5 de comparaison qui consiste en une comparaison de la au moins une grandeur Diff avec un seuil choisi seuil_1 de sorte à identifier un pic 9 tel que défini précédemment. Si la grandeur Diff est sous le seuil, le pic n’est pas atteint et les étapes E1 à E5, voire E3 à E5, sont répétées. Cette répétition se fait selon une période choisie, par exemple de une seconde, adaptée pour détecter le pic recherché, c’est-à-dire notamment selon un pas de temps inférieur à la largeur temporelle du pic à détecter. Le seuil est naturellement fixé à partir de la connaissance du pic recherché. Il peut dépendre du courant aux bornes de la batterie, voire de la température. Plus généralement, cette étape E5 de comparaison permet de détecter la forte augmentation de l’écart entre les valeurs de tension aux bornes de différentes cellules de la batterie, significative d’un état physique particulier de la batterie.

Dans le cas contraire où le pic est considéré atteint, le procédé met en oeuvre une étape E10 de recalage en tant que telle de l’état de charge de la batterie à la valeur réelle d’état de charge correspondant au pic identifié. En remarque, cette valeur réelle est mémorisée dans une mémoire électronique associée au dispositif de gestion de la batterie. En remarque, le recalage se fait de manière similaire à l’état de la technique, l’invention ne porte pas spécifiquement sur cette dernière étape.

Selon une variante de réalisation, l’étape E5 de comparaison est réalisée à partir de grandeurs Diff obtenues sur plusieurs itérations successives, notamment si la période de mesures est faible, pour garantir avec une plus grande certitude l’atteinte d’un pic 9. D’autre part, le procédé peut optionnellement mettre en œuvre une étape d’équilibrage de tout ou partie des cellules de la batterie, non représentée. En effet, la grandeur Diff ou plus généralement l’écart entre les valeurs de tension aux bornes des cellules représente aussi le déséquilibre entre les cellules de la batterie. Ce phénomène de déséquilibre est avantageusement exploité par le mode de réalisation de l’invention pour le recalage de l’état de charge de la batterie mais n’est pas souhaitable pour une performance optimale de la batterie dans sa fonction d’alimentation d’une charge. Ainsi, si la grandeur Diff est supérieure à un certain seuil, qui peut être égal ou distinct du seuil seuil_1 mentionné ci-dessus, une étape d’équilibrage est mise en œuvre, permettant d’atteindre un état de charge sensiblement identique de toutes les cellules de la batterie. Cet équilibrage peut comprendre la décharge des sous-ensembles les plus chargés. A titre indicatif, et non limitatif, le seuil acceptable de dispersion peut être fixé égal à un ou à quelques pourcents de la valeur moyenne des niveaux d’états de charge des cellules. En remarque, la mise en œuvre des étapes E3 à E5 peut ensuite permettre de valider le bon équilibrage de la batterie. Naturellement, même en cas d’équilibrage, un déséquilibre naturel se produira ultérieurement, qui permettra de nouveau la mise en œuvre du recalage de la batterie par le procédé décrit précédemment.

On note que les étapes E3 à E5 explicitées ci-dessus correspondent en fait à un procédé de détection d’une valeur réelle d’un état de charge d’une batterie, sur lequel porte aussi l’invention.

En remarque, le procédé d’évaluation d’état de charge selon le mode de réalisation de l’invention comprend une étape préalable de calibration EO, qui permet de déterminer les zones 5 particulières de la courbe d’évolution de la tension d’une cellule de la batterie, ainsi que les valeurs réelles associées d’état de charge. Ces données sont alors mémorisées sur une mémoire électronique accessible par le dispositif d’évaluation de l’état de charge de la batterie.

Le procédé décrit ci-dessus atteint les objets recherchés et présente l’avantage de ne pas nécessiter de charge ou de décharge totale de la batterie, ni de phase de repos, pour la phase de recalage de son procédé d’évaluation de son état de charge. De plus, il peut fonctionner sur une courte durée de charge ou de décharge de la batterie, puisqu’il est possible d’engager la phase de recalage dans un état initial de la batterie proche du point particulier à détecter, qui met fin à la phase de recalage. Ainsi, la phase de recalage devient beaucoup moins contraignante. Ce procédé est aussi avantageusement mis en oeuvre pendant l’utilisation simultanée normale de la batterie, soit pendant une phase de charge, soit en décharge pendant une phase d’alimentation d’une charge connectée à la batterie. L’invention porte aussi sur un dispositif d’évaluation d’état de charge d’une batterie, qui comprend des moyens matériels (hardware) et/ou logiciels (software), une unité de gestion dont au moins un calculateur, pour mettre en oeuvre le procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie décrit précédemment, et la mise en oeuvre des phases de recalage détaillées ci-dessus. Ce dispositif pilote notamment les étapes de calcul, de mesure et/ou d’estimations de grandeurs physiques, comme la température, le courant, la tension, ... Ce dispositif de la batterie est intégré ou non au sein de la structure de la batterie. Avantageusement, le dispositif est relié à au moins un capteur de mesure de la tension de chaque cellule, voire d’une partie seulement des cellules de la batterie, ces capteurs étant liés par un dispositif de communication avec le calculateur du dispositif, de même qu’aussi éventuellement un capteur du courant transmis ou provenant de la batterie, et/ou un capteur de mesure de la température de la batterie. Ce dispositif comprend de plus une mémoire électronique pour mémoriser tout ou partie des valeurs mesurées et/ou calculées dans les différentes étapes du procédé, ainsi que les données numériques de calibration. En remarque, le dispositif comprend donc un support informatique lisible par une unité de gestion, qui comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre et pilotage du procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie tel que décrit précédemment. D’autre part, la gestion des batteries de l’état de la technique fait souvent appel à un indicateur complémentaire représentatif du vieillissement d’une batterie, souvent appelé par sa dénomination anglo-saxonne de « State Of Health >> pour état de santé, ou plus simplement SOH. De manière similaire au phénomène explicité en référence avec l’estimation de l’état de charge, une estimation du SOH nécessite des phases de recalage pour pallier à la dérive des méthodes d’estimation. Un tel recalage repose en général sur une phase de décharge complète de la batterie suivie d’une charge complète, pour obtenir le total de la charge (en ampères-heures) Ah(tr) transmise à la batterie à l’instant tr de recalage pour qu’elle atteigne son état totalement chargé et équilibré. Cette mesure permet alors de calculer l’état de santé SOH(tr) de la batterie à l’instant tr par le calcul suivant : SOH(tr) = Ah(tr) / Ah(ti) où Ah(ti) est le total de la charge (en ampères-heures) reçue par la même batterie dans son état neuf dans les mêmes conditions de charge.

Dans le cas où la phase de recalage est mise en oeuvre à partir d’un état totalement déchargé de la batterie, il est ainsi possible de mettre en oeuvre de manière très similaire une phase de recalage d’un procédé d’estimation de l’état de santé SOH de la batterie. L’état de santé d’une batterie se définit à partir de la capacité de référence de la batterie, appelée Cref. Cette capacité de référence représente la quantité de charge maximale que la batterie, initialement chargée, peut restituer au cours d’une décharge. Elle se définit ainsi en considérant une charge et une décharge effectuées dans des conditions nominales (régimes ou profil de courant, température, critères de fin de charge et de décharge). Cette capacité de référence diminue avec le temps, puisqu’avec son vieillissement, la batterie devient moins performante. Ainsi, si on appelle Cref(tO) la capacité de référence de la batterie à l’instant initial puis Cref(t) sa capacité de référence à un instant t, l’état de santé SOH(t) de la batterie à l’instant t se définit de la manière suivante : SOH(t) = Cref(t) / Cref(tO).

La phase de recalage de l’état de santé de la batterie comprend une étape de mesure de la charge Ah(tr) transmise à la batterie entre son état déchargé et son état intermédiaire correspondant à un point 5 particulier pour lequel son état de charge est connu, à l’instant de recalage. Cette même mesure est réalisée à l’état neuf de la batterie, par exemple lors de l’étape de calibration, qui permet ainsi de mesurer et de mémoriser la charge Ah(ti) transmise à la batterie jusqu’au même point particulier à l’état neuf de la batterie. A partir de ces calculs, le procédé en déduit une valeur réelle de l’état de santé de la batterie à l’instant tr, par la formule suivante : SOH(tr) = Ah(t) / Ah(ti)

Cette valeur réelle est ensuite utilisée pour une étape de recalage de l’algorithme de calcul de l’état de santé.

Cette phase de recalage de l’algorithme d’estimation de l’état de santé peut être combinée à celle du procédé d’estimation de l’état de charge, voire être distincte et indépendante.

Selon une variante de réalisation non représentée, le procédé d’évaluation peut aussi mettre en oeuvre une mesure de la température de la batterie, pour adapter la valeur de recalage à cette température. Le procédé peut aussi comprendre une étape de mesure de température de la batterie, et une étape de refroidissement ou de réchauffement de la batterie si la température de la batterie ne se trouve pas dans une plage de plus ou moins 20% autour d’une valeur de température de référence. L’invention porte aussi sur un système comprenant une batterie composée de l’association de plusieurs cellules. Elle est notamment particulièrement utilisable pour les systèmes où le courant de charge/décharge est faible, et aussi intéressante pour les applications où la batterie atteint rarement les états de charge de 0 ou 100%. C’est notamment le cas des systèmes photovoltaïques autonomes. Un tel système comprend donc une batterie, dont le pilotage est basé sur l’évaluation de son état de charge mis en œuvre par le procédé décrit précédemment.

Claims (13)

1. Revendications

   1. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie comprenant l’association de plusieurs cellules comprenant au moins une phase d’estimation de l’état de charge de la batterie par un algorithme d’estimation de l’état de charge et au moins une phase de recalage de l’algorithme d’estimation mis en oeuvre durant la phase d’estimation, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la mise en oeuvre des étapes suivantes : - détection d’une valeur réelle d’un état de charge de la batterie à un instant donné par la mise en oeuvre des étapes suivantes : - mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné ; - analyse (E4) des valeurs de tension mesurées à l’étape précédente, dans le but de calculer au moins une grandeur représentative de l’écart entre ces valeurs ; - comparaison (E5) de la au moins une grandeur calculée à l’étape précédente avec un seuil choisi de sorte à identifier un état particulier de la batterie correspondant à une valeur réelle d’état de charge connue et prédéfinie de la batterie, - recalage (E10) de l’algorithme d’estimation de l’état de charge de la batterie à partir de ladite valeur réelle d’état de charge audit instant donné.
2. 2. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la phase de recalage comprend la répétition des étapes de mesure (E3), d’analyse (E4), et de comparaison (E5) tant que la comparaison ne permet pas de détecter un état particulier de la batterie, selon une période prédéfinie.
3. 3. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend la mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné pendant une phase de décharge de la batterie durant laquelle elle alimente simultanément une charge selon un fonctionnement normal de la batterie.
4. 4. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de mesure (E3) de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie à un instant donné comprend la mesure de la tension aux bornes de toutes les cellules de la batterie ou d’une partie seulement des cellules de la batterie, notamment une pluralité de cellules connectées en série.
5. 5. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape d’analyse (E4) des valeurs de tension mesurées comprend tout ou partie des calculs suivants : - la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale des tensions mesurées ; - la prise en compte des deux plus grandes valeurs, ou des n plus grandes valeurs, comparées aux deux plus petites, ou aux n plus petites valeurs de tension mesurées ; - un calcul statistique de type écart-type permettant de détecter une augmentation de la dispersion des valeurs de tension mesurées ; - une mise à l’écart des valeurs de tension anormales pour ne pas les utiliser dans le calcul.
6. 6. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape (E1) de détection si l’état de la batterie permet le lancement ou non d’une phase de recalage, comprenant notamment la vérification d’au moins l’une des deux conditions suivantes : - la vérification que le courant aux bornes de la batterie se trouve sous un seuil maximum ; - la vérification que l’état de charge de la batterie se trouve dans une plage intermédiaire, notamment entre 10% et 90%, voire entre 40 et 70%.
7. 7. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’équilibrage des cellules de la batterie si l’écart entre les valeurs de tension mesurées se trouve au-delà d’un seuil.
8. 8. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la batterie comprend plusieurs cellules lithium-ion à électrode négative de graphite et en ce que la valeur réelle d’état de charge connue et prédéfinie de la batterie est autour de 60%.
9. 9. Procédé d’évaluation de l’état de charge d’une batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape préalable de calibration (E0), consistant en une étape de tracé d’au moins une partie de la courbe (2, 3) d’évolution de la tension aux bornes d’une cellule de la batterie en phase de charge et/ou de décharge, et la détection d’au moins un point particulier de cette courbe, comme un palier (4) ou une zone (5) de forte pente.
10. 10. Dispositif d’évaluation de l’état de charge d’une batterie comprenant l’association de plusieurs cellules, comprenant un calculateur et une mémoire électronique, caractérisé en ce que le dispositif comprend un dispositif de communication avec des capteurs de tension pour recevoir des données numériques de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie, et en ce que le calculateur met en oeuvre le procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie selon l’une des revendications précédentes.
11. 11. Support informatique lisible par une unité de gestion, caractérisé en ce qu’il comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre et pilotage du procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie selon l’une des revendications 1 à 9.
12. 12. Système comprenant une batterie comprenant l’association de plusieurs cellules et une unité de gestion comprenant un calculateur, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs capteurs de mesures de valeurs de tension aux bornes de plusieurs cellules de la batterie et un dispositif de communication entre ces capteurs et le calculateur de l’unité de gestion, cette unité de gestion mettant en oeuvre le procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie selon l’une des revendications 1 à 9.
13. 13. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité de gestion pilote l’utilisation de la batterie en fonction de son état de charge évalué par le procédé d’évaluation de l’état de charge de la batterie selon l’une des revendications 1 à 9.