FR3049352B1

FR3049352B1 - Procede de determination de l'etat de sante d'une batterie

Info

Publication number: FR3049352B1
Application number: FR1652537A
Authority: FR
Inventors: Michel Mensler; Ana-Lucia Driemeyer-Franco
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2036-03-24
Also published as: FR3049352A1

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie en terme énergétique. La principale caractéristique d'un procédé selon l'invention est qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape de calcul dudit état de santé à partir de paramètres mesurés sur la batterie, - une étape de calcul de l'imprécision ϵ réalisée sur le calcul dudit état de santé et résultant d'erreurs faites sur lesdits paramètres, - une étape de consolidation consistant à incorporer le calcul de l'imprécision ϵ au calcul de l'état de santé de la batterie.

Description

PROCEDE DE DETERMI NATI ON DE L’ETAT DE SANTE D’UNE BATTERI E L'invention se rapporte à un procédé d'estimation de l'état de santé d'une batterie. L'algorithme de calcul du SOHE (de l'anglais State of Health Energy) ou de l'état de santé énergétique d'une batterie est connu en soi. Le SOHE est utilisé pour déterminer le niveau de vieillissement d'une batterie et une fois que ce paramètre atteint une valeur seuil, la batterie est jugée trop vieille et peut être retirée du circuit d'utilisation. Le SOHE est également utilisé pour d'autres calculs internes au BMS (de l'anglais Battery Management System), comme l'énergie disponible par exemple. Pour rappel, le BMS est un système électronique permettant de gérer et de contrôler les différents paramètres d'une batterie, comme par exemple son état de charge ou SOC (de l'anglais State Of Charge).

Les calculs du SOHE sont habituellement assurés par le BMS lors de l'utilisation de la batterie. Or, il arrive bien souvent que ces calculs ne soient pas très fiables, avec parfois des écarts observés par rapport à la véritable valeur du SOHE, pouvant atteindre jusqu'à 10%, voire 20% de la valeur du SOHE.

Afin de connaître avec précision la valeur du SOHE, il est important de se donner les moyens de pouvoir sélectionner les valeurs du SOHE calculées, qui soient les plus proches possibles de la véritable valeur de ce paramètre, et ainsi d'éliminer les valeurs qui en sont éloignées. Il est également possible d'envisager de pondérer différemment les valeurs du SOHE retenues en fonction de l'erreur par rapport à la vraie valeur, mais il demeure cependant difficile de déterminer avec rigueur et précision, l'erreur de la valeur du SOHE calculée par le BMS par rapport à la vraie valeur.

Une possibilité toutefois de connaître cette erreur, consiste à effectuer un grand nombre d'expérimentations, puis de construire une table et/ou une équation.

Les procédés de détermination par calcul de l'état de santé d'une batterie existent et ont déjà fait l'objet de brevet. On peut par exemple citer la demande US2015120225, dont le procédé présente les caractéristiques suivantes : • une première valeur de l'état de santé SOH1 (de l'anglais State Of

Health) est calculée si la variation de l'état de charge ASOC est supérieure à un seuil. C'est un calcul classique du type sohi =

Si SOHI est supérieure à un seuil, alors une deuxième valeur de l'état de santé SOH2 est calculée, via • un calcul de capacité utilisant des couplets (Jidt, ASOC) mesurés (où i est l'intensité du courant traversant la batterie). Il faut plusieurs couplets, mais rien n'est précisé concernant le nombre. Ce SOH2 est en fait un rapport entre la capacité courante et la capacité initiale, la capacité courante étant calculée par la méthode des moindres carrés avec les couplets (Jidt, ASOC).

Le procédé décrit dans ce document, présente l'inconvénient d'engendrer des erreurs de calcul, si le temps est grand, à cause du terme Jidt. De plus, il est difficile, voire impossible d'évaluer l'erreur commise sur la capacité calculée, et donc sur SOH2.

Un procédé selon l'invention permet de déterminer de façon plus rigoureuse, fiable et plus précise l'état de santé d'une batterie en introduisant notamment des facteurs correctifs permettant d'affiner la valeur du SOHE. L'invention a pour objet un procédé de détermination de l'état de santé énergétique d'une batterie.

La principale caractéristique d'un procédé selon l'invention est qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape de calcul dudit état de santé à partir d'au moins un paramètre mesuré sur la batterie, - une étape de calcul de l'imprécision ε réalisée sur le calcul dudit état de santé et résultant d'erreurs de mesure sur ledit au moins un paramètre,

- une étape de consolidation dudit état de santé consistant à incorporer le calcul de l'imprécision ε au calcul de l'état de santé de la batterie.

Le principe d'un tel procédé est d'introduire un facteur correctif permettant de consolider la valeur calculée de l'état de santé de la batterie au moyen d'équations conventionnelles, ledit facteur correctif prenant en compte une imprécision ε due notamment aux erreurs de mesures sur les paramètres de la batterie. Le terme « imprécision » est assimilable au terme « erreur », et la présence d'une telle imprécision a pour conséquence néfaste d'engendrer un écart entre la valeur du SOHE obtenue par le calcul et la véritable valeur de celui-ci.

De façon préférentielle, ledit au moins un paramètre est à choisir parmi une tension aux bornes de la batterie et un état de charge.

Avantageusement, l'étape de calcul de l'état de santé est réalisée à partir de l'équation,

L'imprécision ε résultant de ce calcul.

Les différents paramètres intervenant dans cette équation sont les suivants,

Qo est la capacité à l'état neuf de la batterie OCV1 et OCV2 sont les tensions aux bornes de la batterie en circuit ouvert à l'instant tl de début de la mesure et à l'instant t2 de fin de la mesure respectivement, I(x) est l'intensité du courant traversant la batterie, f(OCV2) = SOC2 est l'état de charge à l'instant t2, et f(OCVi) = SOCi est l'état de charge à l'instant tl-

De manière idéale, les SOCi et SOC2 peuvent correspondre à des états relaxés de la batterie. Dans ces cas, le SOC peut être directement calculé à

partir de la tension cellule ou batterie et de la caractéristique SOC-OCV (SOC=f(OCV)).

Dans l'hypothèse où il n'est pas possible d'avoir des cellules relaxées, pour lesquelles la détermination directe du SOC par la mesure de la tension cellule n'est pas adaptée, le SOC peut être déterminé à l'aide d'estimateur, par exemple un filtrage de Kalman.

Cependant, pour le calcul de l'erreur (ou d'imprécision) du SOHE, l'hypothèse d'un SOC déterminé à partir d'une mesure de tension relaxée est considérée en particulier. L'imprécision sur le SOC due à d'autres causes, comme l'erreur de SOC calculé par un estimateur par exemple, peut être ajoutée par ailleurs dans le calcul d'erreur.

De façon préférentielle, l'étape de consolidation comprend, - une étape de calcul des imprécisions εί faites durant les calculs de l'état de santé à M instants successifs ti respectivement, où 1 <i<M et où M est un entier, - une étape de mémorisation desdites imprécisions εί, - une étape de calcul de l'état de santé de la batterie à partir de l'équation,

où SOHE, désigne l'état de santé à l'instant t,.

Connaissant l'erreur faite sur le SOHE, il est possible alors de l'utiliser pour produire une valeur de SOHE agrégeant une ou plusieurs valeurs successives de SOHE avec un niveau de précision connu.

Un exemple illustré par l'équation ci-dessus, consiste à pondérer chaque valeur de SOHE calculée avec un poids établi à partir de l'erreur ε associée, afin de calculer un SOHE agrégé.

Préférentiellement, l'imprécision de calcul ε résulte,

- d'une erreur sur la mesure de l'état de charge de la batterie, estimée par l'équation suivante :

Où

correspond à l'erreur en pourcentage d'état de charge par unité de tension au point de tension en circuit ouvert à l'instant t, ; où a représente l'erreur de mesure de la tension, et peut être connue soit expérimentalement, soit en consultant la fiche technique du constructeur du système de mesure (figure 1); où β représente l'écart entre la tension relaxée et la tension au moment de la mesure à l'instant t,, L'expression générale du facteur multiplicatif est («+/?), mais ledit facteur peut aussi être égal, soit à a, ou soit à β. - d'une erreur sur la mesure sur la mesure du courant traversant la batterie, estimée par l'équation,

Où Ts est la période d'échantillonnage du signal mesuré, N le nombre de points échantillonnés utilisés pour l'intégration et γ le biais du capteur de courant.

De façon avantageuse, un procédé selon l'invention comprend une étape de calcul des imprécisions εί faites durant les calculs de l'état de santé aux instants successifs ti au moyen de l'équation suivante,

où 3 est l'intégrale du courant mesuré entre les instants ti et t2. Cette équation, qui fait intervenir la somme de trois termes est la plus complète et

la plus précise. Mais elle ne pourrait faire intervenir qu'un seul des trois termes au choix, ou chacune des trois combinaisons possibles d'addition de deux desdits termes.

Selon un autre mode de réalisation préféré d'un procédé selon l'invention, ledit procédé comprend une étape de calcul des imprécisions εί faites durant les calculs de l'état de santé aux instants successifs ti au moyen de l'équation suivante,

où 3 est l'intégrale du courant mesuré entre les instants ti et t2. Cette équation, qui fait intervenir la somme de trois termes est la plus complète et la plus précise. Mais elle ne pourrait faire intervenir qu'un seul des trois termes au choix, ou chacune des trois combinaisons possibles d'addition de deux desdits termes.

Un procédé selon l'invention présente l'avantage de pouvoir déterminer un état de santé de la batterie qui soit parfaitement exploitable, dans le sens où la valeur de cet état de santé est très voisine de la véritable valeur de cet état de santé. Un tel procédé apparaît incontournable lors de la détection d'un état de santé d'une batterie destinée à être embarquée dans un véhicule, car la connaissance précise de cet état va notamment conditionner certains paramètres de roulage dudit véhicule, tels que par exemple, son autonomie.

On donne ci-après une description détaillée d'un procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie selon l'invention, en se référant aux figures suivantes, - La figure 1 est un diagramme illustrant un exemple de distribution de la mesure de tension, - La figure 2 est un diagramme illustrant un exemple d'un écart entre l'instant de mesure et la valeur après relaxation des cellules de la batterie,

- La figure 3 est un diagramme illustrant un exemple de variation dSOC/dOCV en fonction de l'état de charge SOC d'une cellule de la batterie, - La figure 4 est un logigramme simplifié illustrant les différentes étapes du calcul juste de l'état de santé d'une batterie à partir d'un procédé selon l'invention. L'algorithme de calcul du SOHE (de l'anglais State of Health Energy ou état de santé énergie) d'une batterie est classique. Ce SOHE est utilisé pour déterminer le niveau de vieillissement d'une batterie. Une fois un seuil atteint, la batterie peut être retirée du circuit d'utilisation. Ce SOHE est également utilisé pour d'autres calculs internes au BMS (de l'anglais Battery Management System), comme l'énergie disponible par exemple.

Ce calcul du SOHE est d'ordinaire calculé par le BMS lors de l'utilisation de la batterie. Plusieurs valeurs de SOHE sont alors calculées et peuvent être différentes pour des raisons qui seront indiquées dans la suite de la description.

Le problème ici considéré est de pouvoir sélectionner les valeurs de SOHE qui soient le plus proches possibles de la valeur vraie et d'éliminer les valeurs éloignées. Il est possible aussi d'envisager de pondérer différemment les valeurs de SOHE retenues en fonction de l'erreur par rapport à la vraie valeur.

Il est, cependant, difficile de déterminer l'erreur de la valeur de SOHE calculée par le BMS par rapport à la vraie valeur.

Une possibilité est d'estimer cette erreur sur un grand nombre d'expérimentations, puis de construire une table ou une équation (modèle) L'idée ici est de calculer cette erreur par une équation simple fondée sur la théorie.

De manière classique, le SOHE est défini par l'expression suivante :

11]

Où E est l'énergie en [Wh] lorsque la batterie est complètement chargée, Eo est l'énergie en [Wh] lorsque la batterie est complètement chargée et à l'état neuf (début de vie). Cette définition est établie pour une température de 25°C. L'inconvénient de cette définition est que l'énergie est difficilement calculable directement, à la différence de l'état de charge (SOC) qui peut être déterminé directement par la mesure de la tension cellule avec la caractéristique SOC-OCV (de l'anglais Open Circuit Voltage) fournie par le constructeur de cellule. C'est pourquoi, dans la pratique, on calcule plutôt le SOHE de la manière suivante :

2] Où Q est la capacité en [Ah] de la batterie, Qo est la capacité à l'état neuf ou BOL (de l'anglais Begin Of Life). Cette définition est établie à une température de 25°C.

La capacité Q peut être calculée en ligne par le BMS par la relation suivante : 3] Où Ι(τ) est le courant de la batterie, ti est l'instant du début de la mesure, t2 est l'instant de la fin de la mesure, SOCi est l'état de charge à l'instant ti, SOC2 est l'état de charge à l'instant t2.

De manière idéale, les SOCi et SOC2 peuvent correspondre à des états relaxés de la batterie. Dans ces cas, le SOC peut être directement calculé à partir de la tension cellule ou batterie et de la caractéristique SOC-OCV (SOC=f(OCV)).

Dans ce cas, Q peut s'écrire tel que : [4] D'où :

[5]

Cependant, pour le calcul de l'erreur (ou d'imprécision) de SOHE, l'hypothèse d'un SOC déterminé à partir d'une mesure de tension relaxée est considérée en particulier. L'erreur sur le SOC due à d'autres causes, comme l'erreur de SOC calculé par un estimateur par exemple, pourra être ajoutée par ailleurs dans le calcul d'erreur. L'expression de l'erreur sur SOHE est obtenue de la manière suivante à partir de l'équation [5] :

Avec : [7]

Puis,

De cette expression, on peut tirer 2 expressions pour l'erreur de SOHE.

Une première expression de l'erreurs, dite erreur « pire cas » :

Une autre expression est également possible, dite erreur « norme » :

A partir des équations [9] ou [10], il est possible de constater que : 1. les erreurs relatives s'accumulent,

2. plus l'écart entre SOCi = f(OCVi) et SOC2=f(OCV2) devient grand, plus l'impact de l'erreur Af(OCVi) et de l'erreur Af(OCV2) sur ε devient faible.

Causes d'erreur AffOCVf) et calcul de AffOCVf) L'erreur Af(OCVi) correspond à l'erreur ASOC, qui est l'erreur sur le SOC au point i.

Comme on considère ici le cas dans lequel le SOC est déterminé à partir de la mesure de tension, deux causes d'erreur distinctes sont combinées dans la caractéristiques SOC-OCV de la cellule : l'imprécision a de la mesure de la tension cellule, - l'écart β de tension entre l'instant de mesure et la valeur après relaxation.

En se référant à la figure 1, si l'imprécision a de la mesure de la tension cellule a une distribution selon une loi normale, a peut alors être prise comme l'erreur de mesure à ±χσ, où x=l ou 2 ou 3 par exemple, σ étant l'écart-type.

La figure 2 illustre l'écart β de tension entre l'instant de mesure et la valeur après relaxation. Le courant est coupé ou devient nul à l'instant t0 après une décharge par exemple, la tension se relaxe pour atteindre sa tension relaxée ou OCV (open circuit voltage). Si la mesure de tension intervient à l'instant tO+At, alors un écart β par rapport à l'OCV est introduit tel que :

[11] Où V est la tension mesurée à l'instant tO+At, OCV est la tension relaxée, β est l'écart en tension, δ est défini tel que :

Ces erreurs a et β peuvent s'ajouter et se combinent ensuite dans la caractéristique SOC-OCV de la cellule considérée.

Il peut être utile de calculer la courbe (dSOC/dOCV)-OCV qui correspond à la dérivée de la courbe SOC-OCV pour tous les points d'OCV. Cette courbe en %/mV correspond à l'erreur en % de SOC par mV d'erreur sur la mesure d'OCV.

La figure 3 fournit un exemple de courbe (dSOC/dOCV)-OCV pour une cellule Li-ion. L'erreur en SOC ASOCi=Af(OCVi) est calculée tel que :

Ce qui correspond à l'erreur en % de SOC par mV au point d'OCV, et multipliée par l'erreur totale maximale (α+β).

La figure suivante illustre le calcul de l'équation [13].

Causes d'erreur A3 et calcul de l'erreur A3

La principale source d'erreur Δ3 sur l'intégrale 3 du courant est l'offset ou biais sur la mesure du courant.

Selon la technologie du capteur de courant utilisé, cette erreur Δ3 peut avoir plusieurs raisons physiques. Par exemple pour un capteur à effet Hall utilisant un tore magnétique, le biais de mesure peut être classé en deux catégories : le biais électrique et le biais magnétique, les deux se combinant pour former le biais total. L'erreur Δ3 est définie d'après la relation suivante :

Où γ est le biais du capteur de courant et supposé constant au cours d'une mission.

Le calcul de Δ3 est approché de la manière suivante :

Où Ts est la période d'échantillonnage du signal mesuré, N le nombre de points échantillonnés utilisés pour l'intégration.

Utilisation du calcul d'erreurs

Un exemple consiste à pondérer chaque valeur de SOHE calculée avec un poids établi à partir de l'erreur ε associée, afin de calculer un SOHE agrégé donné par :

[16]

Concrètement, un tableau de M colonnes de 2 lignes, soit Mx2 cases, est provisionné. La lere ligne recueille les valeurs de SOHE calculé comme à l'équation [5], la seconde la valeur d'imprécision associée donnée à l'équation [9] ou [10]. Un exemple est illustré par le Tableau 1 ci-après.

Tableau 1 - Stockage des SOHE et de leur imprécision associée

Ensuite, lorsque le tableau est plein, les valeurs de la première colonne sont retirées, les valeurs restantes sont décalées, puis la dernière colonne est remplie avec la nouvelle valeur de SOHE disponible et son imprécision associée. C'est donc un stockage FIFO (first-in first-out) décrit ici, ce qui permet de faire un calcul de SOHEagrégé sur une fenêtre glissante de largeur M.

Il est cependant possible de calculer SOHEagrégé avant que les M colonnes ne soient remplies. Il est possible également de traiter les M cases du tableau d'une manière différente. Par exemple, en retirant les ml cases correspondant à des valeurs de SOHE les plus grandes et/ou les m2 cases correspondant à des valeurs de SOHE les plus faibles, avec ml+m2<M.

Le logigramme de la figure 4 résume tous les éléments décrits précédemment en détachant bien les principales étapes d'un procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie selon l'invention.

En se référant à la figure 4, ledit procédé comprend les principales étapes suivantes : - une étape de calcul du SOHE à partir de données relatives aux cellules de la batterie,

- une étape de calcul de l'imprécision sur le calcul dudit état de santé et provenant des erreurs commises sur les mesures de l'état de charge de la batterie et/ou du courant électrique, - une étape de pondération et d'agrégation incorporant le calcul de l'imprécision au calcul de l'état de santé de la batterie pour obtenir un état de santé de la batterie qui coïncide avec le véritable état de santé de ladite batterie.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de détermination de l'état de santé énergétique d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, - une étape de calcul dudit état de santé à partir d'au moins un paramètre mesuré sur la batterie, ledit au moins un paramètre étant à choisir parmi une tension aux bornes de la batterie et un état de charge, ladite étape de calcul de l'état de santé étant réalisée à partir de l'équation

l'imprécision ε résultant de ce calcul, Où Qo est la capacité à l'état neuf de la batterie, Où OCV1 et OCV2 sont les tensions aux bornes de la batterie en circuit ouvert à l'instant tl de début de la mesure et à l'instant t2 de fin de la mesure respectivement, Où Ι(τ) est l'intensité du courant traversant la batterie, f(OCV2) = SOC2 est l'état de charge à l'instant t2, et f(OCVi) = SOCi est l'état de charge à l'instant tx. - une étape de calcul de l'imprécision ε réalisée sur le calcul dudit état de santé et résultant d'erreurs de mesure sur ledit au moins un paramètre, - une étape de consolidation dudit état de santé consistant à incorporer le calcul de l'imprécision ε au calcul de l'état de santé de la batterie.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de consolidation comprend, - une étape de calcul des imprécisions εϊ faites durant les calculs de l'état de santé à M instants successifs ti respectivement, où l<i<M et où M est un entier,

- une étape de mémorisation desdites imprécisions εϊ, - une étape de calcul de l'état de santé de la batterie à partir de l'équation

où SOHEj désigne l'état de santé à l'instant t,.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imprécision de calcul ε résulte, - d'une erreur sur la mesure de l'état de charge de la batterie estimée par l'équation,

Où

correspond à l'erreur en pourcentage d'état de charge par unité de tension au point de tension en circuit ouvert à l'instant t, ; où a représente l'erreur de mesure de la tension ; où β représente l'écart entre la tension relaxée et la tension au moment de la mesure à l'instant t,, - d'une erreur sur la mesure du courant traversant la batterie estimée par l'équation,

Où Ts est la période d'échantillonnage du signal mesuré, N le nombre de points échantillonnés utilisés pour l'intégration et γ le biais du capteur de courant.
4. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de calcul des imprécisions ci faites durant les calculs de l'état de santé aux instants successifs ti au moyen de l'équation suivante,

où 3 est l'intégrale du courant mesuré entre les instants tx et t2
5. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de calcul des imprécisions ci faites durant les calculs de l'état de santé aux instants successifs ti au moyen de l'équation suivante,

où 3 est l'intégrale du courant mesuré entre les instants tx et t2