FR3131385A1 - Procede d’estimation d’un etat de charge d’une batterie sans mesure de courant au niveau de la batterie - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour déterminer un état de charge d’une batterie à un moment donné t1.La batterie est connecté à au moins une source d’énergie et à au moins un consommateur d’énergie. Le procédé comprend : - dans une première étape : Fournir un état de charge de la batterie à un moment t0 précédent à t1, - dans une deuxième étape : Déterminer la charge de la batterie au moment t1 à partir de la charge de la batterie au moment t0 et d’une première puissance électrique fournie par la source d’énergie entre t0 et t1 et d’une deuxième puissance électrique consommée par le consommateur d’énergie entre t0 et t1. Figure pour l’abrégé : figure 1.
Description
D
omaine technique et état de la technique antérieure
Une batterie intégrée dans un système de production d’énergie intermittente peut être assujetti à des conditions pénalisantes, causées par l’intermittence de la fabrication de l’énergie.
Par exemple, dans un système photovoltaïque, les batteries sont souvent trop chargées durant les jours d’un fort ensoleillement et profondément déchargées durant la nuit ou durant les jours de faible ensoleillement. En particulier les batteries lithium-ion présentent un vieillissement rapide quand elles restent pleinement chargées pendant de longues périodes. Ce vieillissement est encore accentué si accompagné d’une température élevée, comme souvent le cas durant des journées d’ensoleillement important.
Une estimation de l’évolution de l’état de charge de la batterie au cours du temps permet de mettre en place un système de management de la batterie. Le système de management détermine la charge de la batterie et veille à éviter, par exemple, un déchargement trop important ou une charge trop élevée durant les périodes de fort ensoleillement. La charge électrique de la batterie peut être déterminée en intégrant le courant entrant dans la batterie ou sortant de la batterie en fonction du temps. Habituellement, un capteur de courant est installé au niveau de la batterie pour mesurer le courant entrant ou sortant de la batterie.
Pour réduire le cout du système il serait pourtant avantageux de pouvoir déterminer l’état de charge de la batterie sans la nécessité d’installer un capteur de courant au niveau de la batterie. La présente invention se rapporte ainsi à une estimation d’un état de charge d’une batterie sans la nécessité d’une mesure d’un courant au niveau de la batterie.
C’est par conséquent un but de la présente invention d’offrir un procédé pour déterminer un état de charge d’une batterie à un moment donné t1, la batterie étant connecté à au moins une source d’énergie et à au moins un consommateur d’énergie. Le procédé comprend les étapes suivantes :
- dans une première étape : Fournir un état de charge de la batterie à un moment t0précédent à t1,
- dans une deuxième étape : Déterminer la charge de la batterie au moment t1à partir de la charge de la batterie au moment t0et d’une première puissance électrique fournie par la source d’énergie entre t0et t1et d’une deuxième puissance électrique consommée par le consommateur d’énergie entre t0et t1.
Avantageusement, durant ladite deuxième étape, le calcul d’une puissance électrique étant entrée dans la batterie ou étant sortie de la batterie peut être effectué. Danc ce cas, l'état de charge de la batterie à t1peut être déterminé par la formule suivante :
SOC(t1) : état de charge de la batterie à t1,
SOC(t0): état de charge de la batterie à t0,
Enom : capacité totale de la batterie en terme d’énergie,
PB : puissance électrique d'entrée et/ou de sortie de la batterie entre t0et t1.
Il est également possible de mesurer une tension de la batterie, de préférence entre t0et t1, et de déterminer une charge électrique entrée dans la batterie ou sortie de la batterie à partir de la tension de la batterie et de la puissance électrique entrée dans la batterie ou sortie de la batterie.
L'état de charge de la batterie à t1peut être déterminé par la formule :
SOC(t1) = SOC(t0)+ QB/ C dans lequel :
avec :
SOC(t1) : état de charge de la batterie à t1,
SOC(t0) : état de charge de la batterie à t0,
QB : charge électrique entrée ou sortie de la batterie entre t0et t1,
PB : puissance électrique d'entrée et/ou de sortie de la batterie entre t0et t1,
U(t) : tension de la batterie.
Avantageusement, au moment t0, la batterie peut être complètement déchargée ou complètement chargée.
Au moment t0la tension à vide de la batterie peut représenter une valeur caractéristique d’un état de pleine charge, ou d’un d’état de décharge complète, et/ou une évolution de la tension de la batterie avec le temps présentant un point d’inflexion ou un minimum local ou un maximum local.
Une mesure de la tension à vide de la batterie peut être effectuée régulièrement afin d'identifier un état de pleine charge ou de pleine décharge.
De préférence une injection dans la batterie d'une production et/ou une consommation du système peut être contrôlée afin d'amener la batterie à un état de pleine charge ou de pleine décharge, de préférence à un intervalle de temps régulier.
Le moment t1peut se trouver dans un futur et la puissance électrique fournie par la source d’énergie peut être prédite dans le futur.
Avantageusement, la source d’énergie comprend une source photovoltaïque et ladite prévision dans le futur comprend une prévision d’un ensoleillement de la source photovoltaïque.
Le moment t1peut se trouver dans un futur et la puissance électrique consommée par le consommateur peut être prédite dans le futur.
De préférence ladite prévision dans le futur étant basée sur une connaissance de consommation en fonction d’un jour d’une année.
Avantageusement, la source d’énergie est un système photovoltaïque comprenant un panneau solaire et la première puissance électrique fournie est déterminée par une mesure d'une irradiance du panneau solaire en W/m² et une conversion de ladite mesure en ladite puissance, connaissant la surface du panneau solaire en m2.
Il est également possible que la puissance électrique fournie par la source d’énergie est déterminée par :
- déterminer une puissance à la sortie de la source d’énergie,
- réduire ladite puissance par un facteur rendement réseau.
Avantageusement ledit facteur rendement réseau représente une perte de puissance entre la sortie de la source d’énergie et une entrée à la batterie.
Pour déterminer une évolution d’un état de charge d’une batterie, un procédé peut aussi comprendre les étapes suivantes :
- calculer un premier état de charge de la batterie à un moment t1selon le procédé décrit auparavant,
- calculer un deuxième état de charge de la batterie comme décrit auparavant en fournissant ledit premier état de charge, calculé ci-dessus, comme charge de la batterie au moment t0.
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels :
E
xposé détaillé de modes de réalisations particuliers
La montre un système de production d’énergie intermittente. Le système comprend une source d’énergie (10) et une batterie (30). Dans le système montré, la source d’énergie est un panneau photovoltaïque. Le système comprend également un régulateur (20), un convertisseur (40) et un consommateur (50). Le consommateur peut être par exemple, un bâtiment, un véhicule, un appareil électrique de la maison ou un éclairage extérieur.
La batterie permet de lisser la production d’énergie par la source intermittente en permettant un usage de l’énergie produite à un moment ultérieur, comme montré sur la . La montre un diagramme de puissance (60) en fonction du temps écoulé (70). Une production (80) de puissance peut varier, par exemple, en fonction d’un ensoleillement du panneau solaire. De façon générale, une demande (90) de puissance ne suit pas la production de puissance. La batterie permet de stocker la puissance qui est fabriquée en surplus de la consommation et de fournir de la puissance dans des moments où la fabrication d’énergie n’est pas suffisante.
L’état de charge (SOC, state of charge) de la batterie est défini par la quantité de charge électrique (q(t)) stockée à un moment donné (t) au sein de la batterie divisée par la capacité de la batterie (C(t)) à ce même moment donné. L’état de charge peut être exprimé en pourcentage entre 0% (état vide) et 100% (état plein). Ainsi, l’état de charge de la batterie peut être exprimé par :
La charge électrique stockée dans la batterie (q(t)) peut être déterminée en intégrant le courant I(t) entrant dans la batterie ou sortant de la batterie en fonction du temps. Ledit courant peut être déterminé à l’aide d’un capteur de courant installé au niveau de la batterie.
Il est également possible d'utiliser la tension de la batterie pour estimer l'état de charge de la batterie. Pourtant, cette estimation est liée à la résistance interne de la batterie qui évolue avec son vieillissement. Cette estimation est ainsi peu fiable.
La montre un procédé pour déterminer un état de charge SOC(t) de la batterie (30) à un point de temps ou moment t = t1. Comme montré dans la , la batterie (30) est connectée à une source d’énergie (10) et à un consommateur d’énergie (50). Le procédé peut être mis en œuvre par un contrôleur (140), tel que montré dans la . Le contrôleur est connecté à la source d’énergie et au consommateur d’énergie. Avantageusement, le contrôleur peut également être connecté à la batterie.
Dans une première étape (210) un état de charge de la batterie à un moment t = t0est donné et fourni au contrôleur.
Le moment t0précède le moment t1dans le temps. De manière générale, le moment t1peut être le présent et t0un moment ou point de temps dans le passé. De façon alternative, t0présente le présent et t1un moment dans le futur. Il est également envisageable que les deux moments t0et t1se trouvent dans le passé ou dans le futur.
Dans le cas où le moment t1se trouve dans le présent ou dans le passé, une puissance fournie PSpar la source d’énergie (10) et une puissance consommée PCpar le consommateur entre t0et t1peuvent être mesurées comme cela sera décrit par la suite.
Dans le cas où le moment t1se trouve dans le futur, la puissance fournie PSpar la source d’énergie (10) et la puissance consommée PCpar le consommateur sont prédites dans le futur par un modèle. Par exemple, la source d’énergie peut comprendre une source photovoltaïque (10). Dans ce cas, ladite prévision dans le futur comprend une prévision d’un ensoleillement de la source photovoltaïque.
La puissance électrique consommée par le consommateur peut être prédite à la base d’une connaissance de consommation fonction d’un jour d’une année. Le consommateur peut par exemple être un moteur d’un vélo électrique. Dans ce cas, une utilisation du vélo pour chaque jour d’une année à venir peut être estimée. Ainsi, une puissance consommée peut être prédite pour chaque jour de l’année à venir.
Cette estimation de la puissance de production ou de la puissance de consommation peut également être exploitée sur une période passée lorsque qu’un moyen de mesure de la puissance de production ou de consommation n’est pas disponible sur le système.
Dans une deuxième étape (220) la charge de la batterie au moment t1est déterminée par le contrôleur à partir de la charge de la batterie au moment t0et la première puissance électrique fournie par la source d’énergie entre t0et t1et la deuxième puissance électrique consommée par le consommateur d’énergie entre t0et t1.
Le contrôleur (140) détermine une puissance fournie PSpar la source d’énergie (10) et une puissance consommée PCpar le consommateur entre t0et t1. Par exemple, le contrôleur peut calculer une valeur moyenne de la fonction temporelle de
PS(t) entre t0et t1et calculer une valeur moyenne la fonction temporelle de PC(t) entre t0et t1.
PS(t) entre t0et t1et calculer une valeur moyenne la fonction temporelle de PC(t) entre t0et t1.
La puissance temporelle fournie par la source PS(t) peut être fournie par un premier puissance-mètre ou wattmètre, installé auprès de la source (10). De façon alternative, pour un système photovoltaïque, il est possible de mesurer une irradiance du panneau solaire en (W/m²) et de convertir ensuite cette mesure d’irradiance en ladite puissance temporelle, connaissant la surface du panneau solaire en m2. La puissance temporelle consommée par le consommateur PC(t) peut être fournie par un deuxième puissance-mètre ou wattmètre installé auprès du consommateur.
Le contrôleur calcule ensuite l’énergie fournie (ES) et consommée (EC) entre t0et t1. L’état de charge au moment t1est ensuite calculé par :
où Enomest la capacité totale de la batterie en terme d’énergie
Différentes solutions sont possibles pour connaître l’état de charge de la batterie au départ du procédé, c’est à dire au moment t = t0.
Avantageusement, au moment t0, la batterie est complètement déchargée ou complètement chargée. Un chargement complet ou un déchargement complet de la batterie peut être détecté de manière fiable par une mesure de la tension à vide au niveau de la batterie seule. Autrement dit, le contrôleur mesure la tension de la batterie (30) au niveau de la batterie.
Un chargement complet correspond à une tension déterminée préalablement en fonction du dimensionnement et de la technologie de la batterie. Un déchargement complet correspond à une autre tension déterminée également préalablement.
Le déchargement complet est associé à un état de charge (SOC (t0)) de 0 %, le chargement complet est associé à un état de charge de 100 %. Pour certaines technologies de batterie, la mesure de la tension à vide peut également renseigner sur un SOC intermédiaire de la batterie, qui peut être issus d’essais, et paramétré dans le contrôleur. Les tensions à vide correspondant à une batterie pleinement chargée ou une batterie pleinement déchargée dépendent de la technologie de batterie et de son dimensionnement. Il est possible de constater qu’un déchargement complet correspond à une tension minimale Umin et un chargement complet correspond à la tension maximale Umax. Ces tensions sont indiquées dans la spécification de la batterie, par exemple Umin=2 V et Umax =3.6 V pour une cellule de batterie Lithium ion LFP. De façon alternative, Umin=2.7 V et Umax =4.2 V pour une cellule de batterie Lithium ion NMC. Dans le cas d’un assemblage de cellules de batteries, les tensions minimales et maximales seront multiples des tensions minimales et maximales à l’échelle cellule.
Le calcul du SOC(t) est avantageusement effectué en découpant la période entre t0et t1en différentes journées, les journées représentant généralement une forme de répétitivité sur les profils d’usage et de production. Des profils journaliers d’usage peuvent par exemple être utilisés, en différenciant les jours de la semaine. Un profil journalier de production peut être également estimé quand cela est nécessaire.
Avantageusement, le contrôleur calcule une puissance électrique étant entrée dans la batterie ou une puissance électrique étant sortie de la batterie. Ladite puissance électrique PBest calculée comme une fonction de PC(t) et PS(t) en intégrant d’autres connaissances sur le système qui permettent d’être plus précis sur la puissance chargée et déchargée dans la batterie et donc dans l’estimation de l’évolution de son état de charge au cours du temps. Ceci se traduit par la formule :
Par exemple, pour obtenir l’état de charge de la batterie avec plus de précision sur base de l’intégration de PB(t) au cours du temps, la puissance temporelle fournie par la source PS(t) est réduite par un facteur de rendement réseau R. Autrement dit, PS(t) est multiplié avec un chiffre entre 0 et 1. Ledit facteur de rendement réseau prend en compte les pertes de transmission d’énergie entre la source d’énergie et la batterie. Ces pertes peuvent par exemple être causées par une résistance électrique des câbles. Dans ce cas, ledit facteur de rendement réseau représente aussi une perte de puissance entre la sortie de la source d’énergie et une entrée de la batterie. L’évolution de la charge batterie se calcule alors par une intégration au cours du temps par :
PB(t) = R *Ps(t) - Pc(t)
où R est le facteur de rendement réseau.
Optionnellement, ledit procédé peut également être mis en œuvre si une tension de la batterie (30) est mesurée au niveau de la batterie. Dans ce cas, un voltmètre installé au niveau de la batterie peut être utilisé pour fournir une tension de la batterie UB(t). Le contrôleur est connecté à ce voltmètre pour obtenir ladite tension. Le contrôleur mesure ainsi la tension de la batterie, de préférence entre t0et t1.
Une charge électrique (QB) entrée dans la batterie ou sortie de la batterie peut dans ce cas facilement être établie à partir de la tension de la batterie et la puissance électrique (PB) entrée dans la batterie ou sortie de la batterie. Ladite charge électrique est déterminée par
Ensuite, l’état de charge de la batterie au moment t1est déterminé par SOC(t1) = SOC(t0)+ QB/ C. La capacité C de la batterie est considéré constante.
La montre une évolution de l’état de charge de la batterie avec le temps. La figure montre un état de charge (100) de la batterie en pourcentage et différents points dans le temps (70). Une production d’énergie (130) et une consommation d’énergie (120) sont également indiquées.
L’évolution de l’état de charge de la batterie peut être déterminée par une application récursive du procédé pour déterminer l’état de charge d’une batterie (30) à un moment donné t1décrit auparavant. Ainsi, le contrôleur peut appliquer de façon récursive le procédé de calcul de l’état de charge de la batterie pour déterminer une évolution avec le temps.
La indique un premier point de temps t0-0au moment duquel l’état de la charge de la batterie SOC(t = t0-0) est connu. Il peut s’agir par exemple d’un point de déchargement complet ou de chargement complet de la batterie ou d’un point d’inflexion, de maximum local ou de minimum local.
Ensuite, un premier état de charge de la batterie SOC(t = t1) à un moment t1est calculé selon le procédé décrit auparavant. Ce premier état de charge est ensuite utilisé comme point de départ d’une nouvelle application du procédé de calcul. Autrement dit, la valeur de SOC(t = t1) précédemment calculé est fournie comme charge de la batterie à un nouveau moment dénommé t = t0pour calculer l’état de charge à un moment ultérieur t1.
L’évolution de l’état de charge de la batterie ainsi calculé peut dériver de l’état de charge réel, par exemple à cause d’une erreur de mesure de la puissance électrique fabriquée ou consommée. Due à l’application récursive du procédé de calcul d’état de charge, une erreur s’accumule avec le temps et la différence entre l’état de charge calculé et l‘état de charge réel grandit avec le temps. Ainsi, de façon avantageuse, le procédé pour déterminer l’évolution de la charge de la batterie peut être recalé en utilisant un état de charge connu avec haute précision (SOCX) à un moment donné (tX). Autrement dit, durant l’application du procédé pour déterminer l’évolution de l’état de charge de la batterie, l’état de charge SOCXest utilisé pour remplacer un état de charge calculé par le procédé.
Ledit état de charge connu avec haute précision peut notamment être un état de charge évalué comme pour l’obtention du SOC(t0) précédemment, sur la base d’une mesure de tension à vide de la batterie. Ceci peut préférentiellement correspondre à un SOC de 0% (état de pleine décharge), de 100% (état de pleine charge), identifiable par une mesure de la tension à vide de la batterie. Ce peut aussi être un SOC de valeur intermédiaire, pour certaines technologies de batterie permettant une évaluation fiable de SOC intermédiaire sur base de la tension à vide. Une mesure de tension à vide de la batterie peut être effectuée régulièrement afin d'identifier l'état de pleine charge ou l'état de pleine décharge. Il est également possible de contrôler l’injection dans la batterie d’une production et/ou d’une consommation du système afin d'amener la batterie à l'état de pleine charge ou de pleine décharge, par exemple acceptant de perdre la production en la déconnectant temporairement, ou en déconnectant temporairement la consommation. Dans ce cas, de préférence, la batterie est amenée à un état de pleine charge ou à un état de pleine décharge à un intervalle de temps régulier.
Cet état de charge connu avec haute précision peut également être un état de pleine charge connu, par exemple suite à une recharge complète de la batterie sur base du réseau électrique, ou un état de décharge complète suite un pilotage forcé de la décharge complète de la batterie par le contrôleur. Ces différents états constituent des points de calage permettant de recaler le SOC batterie sur une valeur connue avec précision.
Cet état de charge connu avec haute précision peut être identifié par une mesure régulière de la tension à vide de la batterie, pour identifier des valeurs caractéristiques de tension (par exemple pleine charge, ou décharge complète).
Le système de gestion de la batterie peut ainsi être configuré pour contrôler la production électrique et/ou la consommation électrique afin d’amener ponctuellement la batterie à un état de pleine charge, ou peine décharge.
Ces états charge ou décharge complète, ou de mesure de tension à vide pour permettre le recalage de SOC peuvent avantageusement être planifiés de façon régulière afin de limiter la dérive du calcul du SOC. Ce recalage peut par exemple être effectué de façon journalière, ou hebdomadaire.
Claims (14)
- Procédé pour déterminer un état de charge d’une batterie (30) à un moment donné t1,
la batterie étant connecté à au moins une source d’énergie (10) et à au moins un consommateur (50) d’énergie, le procédé comprenant :
- dans une première étape : Fournir un état de charge de la batterie à un moment t0précédent à t1,
- dans une deuxième étape : Déterminer la charge de la batterie au moment t1à partir de la charge de la batterie au moment t0et d’une première puissance électrique fournie par la source d’énergie entre t0et t1et d’une deuxième puissance électrique consommée par le consommateur d’énergie entre t0et t1. - Procédé selon la revendication 1 comprenant, durant ladite deuxième étape, le calcul d’une puissance électrique étant entrée dans la batterie ou étant sortie de la batterie.
- Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'état de charge de la batterie à t1est déterminé par la formule :
avec :
SOC(t1) : état de charge de la batterie à t1,
SOC(t0) : état de charge de la batterie à t0,
Enom : capacité totale de la batterie en terme d’énergie,
PB : puissance électrique d'entrée et/ou de sortie de la batterie entre t0et t1. - Procédé selon la revendication 2 ou 3 comprenant :
- mesurer une tension de la batterie, de préférence entre t0et t1,
- déterminer une charge électrique entrée dans la batterie ou sortie de la batterie à partir de la tension de la batterie et de la puissance électrique entrée dans la batterie ou sortie de la batterie. - Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'état de charge de la batterie à t1est déterminé par la formule :
SOC(t1) = SOC(t0)+ QB/ C dans lequel :
avec :
SOC(t1) : état de charge de la batterie à t1,
SOC(t0) : état de charge de la batterie à t0,
QB : charge électrique entrée ou sortie de la batterie entre t0et t1,
PB : puissance électrique d'entrée et/ou de sortie de la batterie entre t0et t1,
U(t) : tension de la batterie. - Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel, au moment t0, la batterie est complètement déchargée ou complètement chargée.
- Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel au moment t0la tension à vide de la batterie représente une valeur caractéristique d’un état de pleine charge, ou d’un d’état de décharge complète, et/ou une évolution de la tension de la batterie avec le temps présentant un point d’inflexion ou un minimum local ou un maximum local.
- 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel une mesure de la tension à vide de la batterie est effectuée régulièrement afin d'identifier un état de pleine charge ou de pleine décharge.
- 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8 dans lequel une injection dans la batterie d'une production et/ou une consommation du système est contrôlée afin d'amener la batterie à un état de pleine charge ou de pleine décharge, de préférence à un intervalle de temps régulier.
- 0 Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel le moment t1se trouve dans un futur et la puissance électrique fournie par la source d’énergie est prédite dans le futur,
de préférence la source d’énergie comprenant une source photovoltaïque (10) et ladite prévision dans le futur comprenant une prévision d’un ensoleillement de la source photovoltaïque. - 11. Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel le moment t1se trouve dans un futur et la puissance électrique consommée par le consommateur est prédite dans le futur,
de préférence ladite prévision dans le futur étant basée sur une connaissance de consommation en fonction d’un jour d’une année. - Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel la source d’énergie est un système photovoltaïque comprenant un panneau solaire et
la première puissance électrique fournie est déterminée par une mesure d'une irradiance du panneau solaire en W/m² et une conversion de ladite mesure en ladite puissance, connaissant la surface du panneau solaire en m2. - 3 Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel la puissance électrique fournie par la source d’énergie est déterminée par :
- déterminer une puissance à la sortie de la source d’énergie,
- réduire ladite puissance par un facteur rendement réseau,
de préférence ledit facteur rendement réseau représentant une perte de puissance entre la sortie de la source d’énergie et une entrée à la batterie. - 4 Procédé pour déterminer une évolution d’un état de charge d’une batterie, le procédé comprenant :
- calculer un premier état de charge de la batterie à un moment t1selon le procédé d’au moins une des revendications 1 à 13,
- calculer un deuxième état de charge de la batterie selon le procédé d’au moins une des revendications 1 à 13 en fournissant ledit premier état de charge comme charge de la batterie au moment t0.
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2021
- 2021-12-27 FR FR2114552A patent/FR3131385B1/fr active Active
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