FR3123517A1 - Systeme de gestion de batterie comprenant au moins un moyen de limitation d’etat de charge, vehicule et procede sur la base d’un tel systeme - Google Patents

Systeme de gestion de batterie comprenant au moins un moyen de limitation d’etat de charge, vehicule et procede sur la base d’un tel systeme Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un système de gestion de batterie (BMS)comprenant un moyen d’évaluation (E) d’un état de charge de batterie (SOC), et des moyens pour limiter (L) l’état de charge (SOC) lorsque l’état de charge (SOC) passe au-dessus d’un seuil d’état de charge (SOCs) suivant des paramètres de fonctionnement donnés (DT, T,Uc, Ud, Vv, C, H, PI, PO, CR). En particulier, lesdits paramètres de fonctionnement comprennent un temps donné (DT) pendant lequel l’état de charge (SOC) est resté au-dessus du seuil d’état de charge (SOCs). L’invention concerne en outre un véhicule automobile et un procédé de gestion de batterie sur la base d’un tel système. Figure 1

Description

SYSTEME DE GESTION DE BATTERIE COMPRENANT AU MOINS UN MOYEN DE LIMITATION D’ETAT DE CHARGE, VEHICULE ET PROCEDE SUR LA BASE D’UN TEL SYSTEME
La présente invention concerne le domaine des accumulateurs d'énergie, et plus particulièrement des batteries, telles que les batteries de traction au lithium pour véhicule automobile. L’invention concerne en outre des batteries 12V, à base de divers éléments chimiques.
Les batteries et accumulateurs ont une capacité maximale. Cette capacité s'estompe avec le temps et l'utilisation. L'énergie disponible peut être exprimée en pourcentage de l'énergie maximale stockable. C'est l’état de charge (ou SOC pour « State Of Charge » en anglais).
Certaines réactions parasitaires internes sont accélérées avec un état de charge élevé. Les batteries au lithium sont également plus instables à mesure que l’état de charge augmente (car il y a plus d'énergie stockée). Après avoir chargé et déchargé la batterie au-dessus d'un certain état de charge (par exemple de 80%), elles peuvent devenir dangereuses et/ou dégrader leur capacité maximale à un taux élevé si elles continuent à être utilisées jusqu'à 100% d’état de charge. L'évanouissement de la capacité implique une diminution de la plage de fonctionnement.
Un objectif de l'invention est de prendre en compte le temps passé au-dessus d'un certain état de charge pour prendre la décision de réduire l’état de charge maximum. L’invention permet d’éviter d'utiliser la batterie dans une gamme d’états de charge dans laquelle la batterie est considérée comme dangereuse ou dans laquelle les performances et la capacité se dégradent rapidement.
Pour atteindre cet objectif, l’invention concerne un système de gestion de batterie comprenant un moyen d’évaluation d’un état de charge de batterie, un moyen d’évaluation de paramètres de fonctionnement et au moins un moyen pour limiter l’état de charge lorsque l’état de charge passe au-dessus d’un seuil d’état de charge suivant des paramètres de fonctionnement donnés, ledit moyen pour limiter l’état de charge définissant une consigne maximale cible d’état de charge suivant le seuil d’état de charge.
En particulier, lesdits paramètres de fonctionnement comprennent un temps donné pendant lequel l’état de charge est resté au-dessus du seuil d’état de charge.
Cette invention vise à limiter l’état de charge maximum lorsqu'un certain temps est passé au-dessus d'un certain seuil d’état de charge. En particulier, limiter l’état de charge maximum signifie que pendant les phases de charge (dite « plug-in » c'est-à-dire « branché ») ou de régénération (freinage par récupération), aucun courant négatif ne sera autorisé une fois l’état de charge maximum atteint.
Pour les utilisateurs qui chargeront régulièrement à l’état de charge maximum autorisé, la stratégie préservera une meilleure plage de fonctionnement moyenne sur la durée de vie (l’état de charge maximum est réduit, mais le taux d'épuisement de la capacité sera plus faible, ce qui donne dans l'ensemble une meilleure plage opérationnelle moyenne). Pour les autres utilisateurs, ils gardent la possibilité de charger parfois jusqu'à 100% d’état de charge (ayant ainsi la portée maximale de fonctionnement) tant que ce n'est pas dangereux ou tant que leur taux d'épuisement de capacité est acceptable.
Selon une variante, ledit temps donné est d’au moins 6 heures.
Selon une variante, ledit moyen pour limiter l’état de charge est configuré pour qu’aucun courant négatif ne soit autorisé une fois que le seuil d’état de charge est atteint dans lesdits paramètres. Il s’agit d’un moyen de limitation simplifié pouvant être basé sur une architecture matérielle connue.
Selon une variante, ledit moyen pour limiter l’état de charge comprend un moyen d’application d’un courant de charge à 0 ampère aux bornes de la batterie. De même, ce moyen de limitation peut être basé sur l’architecture matérielle connue.
Selon une variante, ledit moyen pour limiter l’état de charge comprend un moyen d’application d’une échelle incrémentale de limitation. Ainsi, la valeur d’échelle incrémentale de limitation appliquée est accentuée quand l’état de charge SOC est important, en particulier au-dessus du seuil d’état de charge SOCs ; et diminuée quand l’état de charge est faible, en particulier en dessous du seuil d’état de charge SOCs. Cela permet de ne pas limiter en « tout-ou-rien » mais d’avoir des valeurs objectives de limitation plus ou moins importante.
Selon une variante, la valeur d’échelle incrémentale de limitation appliquée est la différence entre l’état de charge et l’état de charge seuil.
Selon une variante, lesdits paramètres comprennent une température de batterie, une valeur de courant de charge, une valeur de courant de décharge, une vitesse de véhicule, un état de clé de démarrage de véhicule, un état de moyens de chargement. Cela permet de tenir compte de ces différents paramètres pour limiter l’état de charge.
L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système de gestion de batterie selon l’invention.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de gestion de batterie comprenant des étapes pour
- évaluer un état de charge de batterie, et
- limiter l’état de charge lorsque l’état de charge passe au-dessus d’un seuil d’état de charge suivant des paramètres de fonctionnement donnés.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :
- illustre schématiquement un système de gestion de batterie selon une variante préférée de l’invention ;
- illustre schématiquement une courbe de tension de batterie Lithium-ion en décharge ;
- illustre schématiquement un essai de limitations d’états de charge de batterie ; et
- illustre schématiquement des états de charge maximums autorisés dans l’essai de la .
L’invention concerne un système de gestion de batterie BMS pour une batterie B (ou un autre accumulateur).
Le système de gestion de batterie BMS comprend un moyen d’évaluation d’un état de charge de batterie SOC. L’état de charge est généralement estimé en pourcentage de la charge maximale à 100% de manière connue.
Selon l’invention, le système de gestion de batterie BMS comprend en outre au moins un moyen pour limiter L l’état de charge SOC lorsque l’état de charge SOC a duré un temps donné DT au-dessus d’un seuil d’état de charge SOCs et de préférence suivant des paramètres de fonctionnement donnés T, Uc, Ud, Vv, C, H, PI, PO, CR détaillés plus bas. En particulier, ledit moyen pour limiter L l’état de charge SOC définit une consigne maximale cible d’état de charge suivant le seuil d’état de charge SOCs. La consigne maximale peut être égale au seuil SOCs ou être en dessous avec une marge de sécurité.
Ledit temps donné DT est d’au moins 6 heures par exemple.
Cette invention permet donc de limiter l’état de charge SOC maximum lorsqu'un certain temps est passé au-dessus d'un certain seuil d’état de charge SOCs. En particulier, limiter l’état de charge SOC maximum signifie que pendant les phases de charge ou de régénération (freinage par récupération), aucun courant négatif ne sera autorisé une fois le «SOC maximum» atteint. Par « courant négatif » est entendu un courant dans le sens de la décharge de la batterie.
Pour les utilisateurs qui chargeront régulièrement à l’état de charge maximum autorisé, la stratégie préservera une meilleure plage de fonctionnement moyenne sur la durée de vie (l’état de charge maximum est réduit, mais le taux d'épuisement de la capacité sera plus faible, ce qui donne dans l'ensemble une meilleure plage opérationnelle moyenne). Pour les autres utilisateurs, ils garderont la possibilité de charger parfois jusqu'à 100% SOC (ayant ainsi la portée maximale de fonctionnement) tant que ce n'est pas dangereux ou tant que leur taux d'épuisement de capacité est acceptable.
En particulier, lesdits paramètres comprennent une température de batterie T, une valeur de courant de charge Uc, une valeur de courant de décharge Ud, une vitesse de véhicule Vv, un état de clé de démarrage de véhicule C, H (c’est-à-dire clé en contact C ou hors contact H), un état de moyens de chargement PI, PO, CR (c’est-à-dire débranché du secteur PO, branché PI au secteur en charge normale, ou branché en charge rapide CR).
Les moyens d’évaluation des paramètres de fonctionnement peuvent être issus d’une architecture connue, telle que notamment un thermomètre T0 pour la température T.
Dans le mode de réalisation préféré, les paramètres utilisés sont l’état de charge SOC et la vitesse du véhicule Vv.
En particulier, ledit moyen pour limiter L l’état de charge est configuré pour qu’aucun courant négatif ne soit autorisé une fois que le seuil d’état de charge SOCs est atteint dans lesdits paramètres. Ainsi, la charge peut être facilement limitée.
Plus particulièrement, les moyens pour limiter L l’état de charge comprennent un moyen d’application d’un courant de charge à 0 ampère aux bornes de la batterie. Le système de gestion BMS envoie ce courant de charge à la batterie pour limiter l’état de charge SOC. Cela peut être arrêté quand l’état de charge SOC passe en dessous de l’état de charge seuil SOCs.
Dans la variante illustrée, les moyens pour limiter L l’état de charge comprennent un moyen d’application d’une échelle incrémentale de limitation. Ici, l’échelle va de 0 à 1,5 c'est-à-dire qu’on peut augmenter la limitation par une valeur d’échelle incrémentale supérieure, ou l’inverse.
On peut envisager que la valeur d’échelle incrémentale de limitation appliquée soit accentuée quand l’état de charge est important et diminuée quand l’état de charge est faible.
En outre, on peut envisager que la valeur d’échelle incrémentale de limitation appliquée soit la différence entre l’état de charge SOC et l’état de charge seuil SOCs.
En référence à la , lorsque l'énergie augmente dans la batterie B, l’état de charge SOC augmente. Cela se produit lors de deux situations spécifiques :
- la charge de la batterie sur une prise (dit mode «plug-in») PI ; et
- en freinage récupératif lorsqu'une fraction de l'énergie de freinage est récupérée en énergie électrique et non gaspillée en chaleur.
Lorsque l'énergie est utilisée, par exemple par le moteur de traction, l’état de charge SOC diminue.
Pour l'explication de la stratégie, seul l’état de charge SOC au début et à la fin du cycle de conduite et du mode plug-in seront donnés.
La stratégie est basée sur un compteur qui incrémentera sa valeur en fonction de la valeur d’état de charge SOC par rapport à un seuil (par exemple SOCs= 80%). On parlera de « seuil déclenchant l’incrémentation », noté « SI » sur la . Le bas de la illustre la valeur incrémentale, notée « VI », en fonction du temps, compte tenu des seuils de déclenchement d’incrémentation atteints sur le haut de la .
La mise en œuvre de cela peut être illustrée par les figures 3 et 4. La illustre les valeurs VI en fonction du temps (Tps) sur le haut de la figure ; et la limitation d’état de charge SOC notée « LSOC» sur le bas de la figure.
La deuxième partie de la stratégie limitera la plage d’état de charge SOC maximale lorsque la valeur du compteur atteindra un seuil. On peut définir un seuil d’application de limitation de plage d’état de charge, noté « SL », par exemple pendant un temps DT donné à VI=1. Dès que le seuil est dépassé pendant le temps DT, l’état de charge SOC peut être limité par exemple à 80% comme l’illustre la .
La dernière partie de la stratégie comprend arrêter le courant de charge, pendant les phases de charge (plug-in) ou de régénération (freinage par récupération), lorsque la limite maximale d’état de charge SOC est atteinte.
Tous ces calculs sont effectués dans le système de gestion de batterie BMS. Son objectif principal est d'envoyer un courant de charge et de décharge maximal à des appareils du véhicule V capables d'apporter ou de consommer de l'énergie.
Lorsque l’état de charge SOC atteint la limite d’état de charge SOC maximale, le système de gestion de batterie BMS envoie une valeur de 0 ampère comme courant de charge.
Concernant la loi d'incrémentation du compteur, alternativement à ou en combinaison du temps passé par l’état de charge SOC au-dessus du seuil SOCs, un autre paramètre peut être envisagé tel qu’un paramètre non linéaire car plus l’état de charge SOC est élevé, plus les réactions chimiques parasites sont rapides. Il pourrait également prendre en compte la température T de la cellule (dans une application en pack de cellules de batterie).
Concernant les conditions d'incrémentation du compteur, l'exemple donné est uniquement sur une condition d’état de charge SOC. Il pourrait également prendre en compte la valeur du courant de charge Uc, la valeur de courant de décharge Ud, la vitesse du véhicule Vv, l'état du véhicule (clé éteinte, clé allumée, mode plug-in, charge rapide), la température de batterie T ou un autre paramètre de fonctionnement.
Dans une variante, l’invention est orientée vers deux conditions à remplir en même temps : l’état de charge SOC au-dessus du seuil SOCs, et la vitesse du véhicule Vv au-dessus d'un seuil de vitesse. Le compteur augmente de préférence à un taux plus élevé lorsque l’état de charge est élevé. Le taux d'augmentation peut être la différence du seuil d’état de charge SOCs par rapport à l’état de charge SOC.
Dans une autre variante, la loi d'incrémentation du compteur de temps dépend des paramètres suivants :
- le temps DT cumulé passé au-dessus des seuils (une ou plusieurs des valeurs suivantes : le SOC est supérieur au seuil SOCs donné ; la vitesse du véhicule Vv est supérieure à un seuil de vitesse donné ; le courant de charge est supérieur à un seuil donné ; le courant de décharge est supérieur à un seuil donné, et l'état du véhicule. C'est un paramètre sur le réseau du véhicule V qui a des valeurs différentes (généralement notamment : moteur éteint, moteur en marche, mode prise, charge rapide…).
On peut en outre appliquer différents taux d'incrémentation par unité de temps en fonction de paramètres tels que :
- la valeur d’état de charge SOC afin de prendre en compte le fait que plus l’état de charge SOC est élevé, plus les réactions chimiques parasites sont rapides ;
- la température de la cellule pour la même raison que l’état de charge SOC ;
- le courant de charge ; et
- le courant de décharge.
L’invention porte également sur un véhicule automobile V comprenant un système de gestion de batterie tel que décrit précédemment.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de gestion de batterie comprenant des étapes pour
- évaluer un état de charge de batterie SOC, et
- limiter l’état de charge SOC lorsque l’état de charge SOC a duré un temps donné DT au-dessus d’un seuil d’état de charge SOCs suivant des paramètres de fonctionnement donnés T, Uc, Ud, Vv, C, H, PI, PO, CR détaillés plus haut.
Plus généralement, le procédé peut comprendre toute action de tout élément d’un système de gestion de batterie BMS tel que décrit précédemment ou d’une batterie B telle décrite précédemment.

Claims (9)

  1. Système de gestion de batterie (BMS) comprenant un moyen d’évaluation (E) d’un état de charge de batterie (SOC), un moyen d’évaluation de paramètres de fonctionnement (DT, T, Uc, Ud, Vv, C, H, PI, PO, CR) et au moins un moyen pour limiter (L) l’état de charge (SOC) lorsque l’état de charge (SOC) passe au-dessus d’un seuil d’état de charge (SOCs) suivant des paramètres de fonctionnement donnés (DT, T, Uc, Ud, Vv, C, H, PI, PO, CR), ledit moyen pour limiter (L) l’état de charge (SOC) définissant une consigne maximale cible d’état de charge suivant le seuil d’état de charge (SOCs).
  2. Système de gestion de batterie (BMS) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits paramètres de fonctionnement comprennent un temps donné (DT) pendant lequel l’état de charge (SOC) est resté au-dessus du seuil d’état de charge (SOCs).
  3. Système de gestion de batterie (BMS) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit temps donné (DT) est d’au moins 6 heures.
  4. Système de gestion de batterie (BMS) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit moyen pour limiter (L) l’état de charge comprend un moyen d’application d’un courant de charge à 0 ampère aux bornes de la batterie.
  5. Système de gestion de batterie (BMS) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moyen pour limiter (L) l’état de charge comprend un moyen d’application d’une échelle incrémentale de limitation pour augmenter la limitation par une valeur d’échelle incrémentale supérieure, ou l’inverse, dont la valeur incrémentale de limitation appliquée est accentuée quand l’état de charge est au-dessus du seuil d’état de charge(SOCs) et diminuée quand l’état de charge est en dessous du seuil d’état de charge (SOCs).
  6. Système de gestion de batterie (BMS) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur d’échelle incrémentale de limitation appliquée est la différence entre l’état de charge (SOC) et l’état de charge seuil (SOCs).
  7. Système de gestion de batterie (BMS) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 pour véhicule automobile (V), caractérisé en ce que lesdits paramètres comprennent une température de batterie (T), une valeur de courant de charge (Uc), une valeur de courant de décharge (Ud), une vitesse de véhicule (Vv), un état de clé de démarrage de véhicule (C, H), un état de moyens de chargement (PI, PO, CR).
  8. Véhicule automobile (V) comprenant un système de gestion de batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. Procédé de gestion de batterie comprenant des étapes pour
    - évaluer un état de charge de batterie (SOC), et
    - limiter l’état de charge (SOC) lorsque l’état de charge (SOC) passe au-dessus d’un seuil d’état de charge (SOCs) suivant des paramètres de fonctionnement donnés (DT, T, Uc, Ud, Vv, C, H, PI, PO, CR).
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