FR3132150A1 - Estimation fiable de la capacité de stockage de cellule(s) d’une batterie cellulaire - Google Patents

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Abstract

Un procédé est chargé d’estimer la capacité de stockage d’une cellule stockant de l’énergie électrique, ayant un état de charge et une charge, et équipant une batterie cellulaire d’un système. Ce procédé comprend une étape (10-70) dans laquelle, lorsque la cellule est en cours d’utilisation, on détermine si des conditions relatives à l’état de charge et à une température de la batterie cellulaire sont satisfaites, puis dans l’affirmative on détermine à M instants successifs M couples comportant chacun des première et seconde variations respectivement de l’état de charge et de la charge entre deux instants successifs, puis on sélectionne parmi les couples déterminés ceux qui comprennent des première et seconde variations satisfaisant respectivement à des premier et second critères, puis on alimente un estimateur paramétrique avec les couples sélectionnés afin d’obtenir une estimation de la capacité de stockage. Figure 3

Description

ESTIMATION FIABLE DE LA CAPACITÉ DE STOCKAGE DE CELLULE(S) D’UNE BATTERIE CELLULAIRE Domaine technique de l’invention
L’invention concerne les batteries cellulaires, et plus précisément l’estimation de la capacité de stockage de cellules de telles batteries.
Etat de la technique
Certains systèmes, comme par exemple certains véhicules (éventuellement de type automobile), comprennent une batterie cellulaire comportant au moins une cellule de stockage d’énergie électrique, éventuellement électrochimique (par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion) ou Ni-Mh ou Ni-Cd). On notera que dans le cas d’un véhicule la batterie cellulaire peut être une batterie dite « principale » (ou de traction) du fait qu’elle est chargée d’alimenter en courant électrique un réseau de bord du véhicule, via un convertisseur, et une machine motrice électrique du groupe motopropulseur (ou GMP) du véhicule. Mais dans le cas d’un véhicule la batterie cellulaire peut aussi être une batterie dite « de servitude » lorsqu’elle est de type très basse tension (typiquement entre 12 V et 48 V) et chargée d’alimenter en courant électrique un réseau de bord du véhicule en l’absence de batterie principale (et donc de machine motrice électrique) ou bien à la place ou en complément d’une batterie principale du véhicule.
Dans ce qui suit et ce qui précède, on entend par « réseau de bord » un réseau d’alimentation électrique auquel sont couplés des équipements (ou organes) électriques (ou électroniques) consommant de l’énergie électrique.
Les batteries cellulaires des systèmes présentés ci-avant font généralement l’objet d’une gestion de certains de leurs paramètres afin qu’elles puissent être utilisées de façon optimale, avec un risque minimisé de défaillance et d’incident, par exemple pour la sécurité et la tranquillité de leurs usagers. Cette gestion est notamment destinée à permettre la réalisation de diagnostics de la batterie cellulaire permettant à leur tour d’optimiser son utilisation, de réduire les coûts des réparations et d’anticiper un dysfonctionnement majeur.
Parmi les paramètres fréquemment gérés, on peut notamment citer l’état de charge (ou SOC (« State Of Charge »)) et l’état de santé en capacité (ou SOHC (« State Of Health of Capacity »)) qui dépend de l’estimation de la capacité de stockage. Ces paramètres sont, par exemple et notamment, utilisés pour estimer l’autonomie kilométrique d’un véhicule le plus précisément possible afin de ne pas surestimer ou sous-estimer les performances.
L’invention concerne plus particulièrement l’estimation de la capacité de stockage d’au moins une cellule, laquelle permet d’en déduire l’état de santé en capacité de cette cellule.
Il a été proposé, notamment dans le document brevet FR-B1 3097649, de déterminer pour une cellule à N instants successifs N couples comportant chacun des première et seconde variations respectivement de son état de charge et de sa charge entre deux instants successifs, puis de prédire sa capacité de stockage au moyen d’un filtre de Kalman, puis de filtrer les N couples en fonction de cette prédiction, afin de déterminer à partir de ces couples filtrés une estimation de sa capacité de stockage.
L’utilisation d’un filtre de Kalman s’avère difficile à mettre en œuvre en raison de sa sensibilité importante. En outre, le filtrage étant réalisé après la détermination non seulement des couples, mais aussi de la prédiction de la capacité de stockage, il ne permet pas de s’affranchir des bruits de mesure, ce qui rend encore plus difficile l’utilisation du filtre de Kalman. Par conséquent, cette solution offre des résultats qui ne sont pas suffisamment satisfaisants.
L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation.
Présentation de l’invention
Elle propose notamment à cet effet un procédé d’estimation destiné à estimer une capacité de stockage d’au moins une cellule propre à stocker de l’énergie électrique, ayant un état de charge et une charge, et équipant une batterie cellulaire d’un système.
Ce procédé d’estimation se caractérise par le fait qu’il comprend une étape dans laquelle, pour au moins une cellule en cours d’utilisation, on détermine si des conditions relatives au moins à son état de charge et à une température de la batterie cellulaire sont satisfaites, puis dans l’affirmative on détermine à M instants successifs M couples comportant chacun des première et seconde variations respectivement de son état de charge et de sa charge entre deux instants successifs, puis on sélectionne parmi ces couples déterminés ceux qui comprennent des première et seconde variations satisfaisant respectivement à des premier et second critères, puis on alimente un estimateur paramétrique avec ces couples sélectionnés afin d’obtenir une estimation de sa capacité de stockage.
Ce premier filtrage réalisé avant la détermination des couples permet de s’affranchir des bruits de mesure, et donc d’obtenir M couples parmi lesquels on peut effectuer un second filtrage pour retenir ceux qui sont les plus exploitables pour un estimateur paramétrique facile à mettre en œuvre et moins sensible qu’un filtre de Kalman.
Le procédé d’estimation selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
- dans son étape la condition relative à l’état de charge peut être satisfaite lorsque cet état de charge a été initialisé à partir d’une mesure de tension à l’équilibre de la cellule, et la condition relative à la température peut être satisfaite lorsque cette dernière est supérieure à un premier seuil choisi ;
- dans son étape le premier critère peut être satisfait lorsqu’une valeur absolue de la première variation est supérieure à un deuxième seuil choisi, et le second critère peut être satisfait lorsqu’une valeur absolue de la seconde variation est supérieure à un troisième seuil choisi ;
- dans son étape on peut utiliser un estimateur paramétrique de type dit des moindres carrés récursifs (ou RLS (« Recursive Least squares »)) ;
- dans son étape on peut aussi déterminer si une condition additionnelle relative à un mode d’utilisation de la batterie cellulaire est satisfaite. Dans ce cas, on peut déterminer les M couples lorsque les deux conditions et la condition additionnelle sont satisfaites ;
- en présence de la dernière option, dans son étape la condition additionnelle relative au mode d’utilisation de la batterie cellulaire peut être satisfaite lorsque cette dernière est dans une phase de recharge par une source d’alimentation externe ;
- dans son étape on peut déterminer au moins deux estimations de la capacité de stockage dans deux intervalles temporels successifs, et on peut retenir en tant qu’estimation finale de la capacité de stockage l’une des deux estimations déterminées lorsqu’une valeur absolue d’une différence entre ces deux estimations déterminées est inférieure à un quatrième seuil choisi ;
- dans son étape M peut être compris entre 10 et 100.
L’invention propose également un produit programme d’ordinateur comprenant un jeu d’instructions qui, lorsqu’il est exécuté par des moyens de traitement, est propre à mettre en œuvre un procédé d’estimation du type de celui présenté ci-avant pour estimer une capacité de stockage d’au moins une cellule propre à stocker de l’énergie électrique, ayant un état de charge et une charge, et équipant une batterie cellulaire d’un système.
L’invention propose également un dispositif d’estimation destiné à équiper un système comprenant une batterie cellulaire comportant au moins une cellule propre à stocker de l’énergie électrique et ayant un état de charge et une charge.
Ce dispositif d’estimation se caractérise par le fait qu’il comprend au moins un processeur et au moins une mémoire agencés pour effectuer les opérations consistant, pour au moins une cellule en cours d’utilisation, à déterminer si des conditions relatives au moins à son état de charge et à une température de la batterie cellulaire sont satisfaites, puis dans l’affirmative à déterminer à M instants successifs M couples comportant chacun des première et seconde variations respectivement de son état de charge et de sa charge entre deux instants successifs, puis à sélectionner parmi ces couples déterminés ceux qui comprennent des première et seconde variations satisfaisant respectivement à des premier et second critères, puis à alimenter un estimateur paramétrique avec ces couples sélectionnés afin d’obtenir une estimation de sa capacité de stockage.
L’invention propose également un système, éventuellement un véhicule, et comprenant, d’une part, une batterie cellulaire comportant au moins une cellule propre à stocker de l’énergie électrique et ayant un état de charge et une charge, et, d’autre part, un dispositif d’estimation du type de celui présenté ci-avant.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de réalisation d’un véhicule comprenant un GMP à machine motrice électrique alimentée par une batterie cellulaire, et un dispositif d’estimation selon l’invention,
illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de réalisation d’un calculateur de batterie comportant un dispositif d’estimation selon l’invention, et
illustre schématiquement un exemple d’algorithme mettant en œuvre un procédé d’estimation selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
L’invention a notamment pour but de proposer un procédé d’estimation, et un dispositif d’estimation DE associé, destinés à permettre une estimation fiable de la capacité de stockage d’au moins une cellule CE d’une batterie cellulaire BC d’un système S.
Dans ce qui suit, on considère, à titre d’exemple non limitatif, que le système S est un véhicule de type automobile, comme par exemple une voiture, comme illustré sur la . Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de système. Elle concerne en effet tout type de système comprenant au moins une batterie cellulaire rechargeable (quel qu’en soit le mode). Ainsi, elle concerne, par exemple, les véhicules terrestres (véhicules utilitaires, camping-cars, minibus, cars, camions, motocyclettes, engins de voirie, engins de chantier, engins agricoles, engins de loisir (motoneige, kart), et engins à chenille(s), par exemple), les bateaux et les aéronefs, mais aussi tout système fixe ou stationnaire, comme par exemple une installation de fourniture d’énergie électrique et plus généralement tout appareil électronique (éventuellement de grande consommation), tout bâtiment ou toute installation (y compris de type industriel). A titre d’exemple illustratif la batterie cellulaire BC du système S peut être raccordée à une source d’énergie renouvelable (notamment photovoltaïque ou éolienne).
Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que le système S (ici un véhicule) comprend un groupe motopropulseur (ou GMP) de type tout électrique (et donc dont la motricité est assurée exclusivement par au moins une machine motrice électrique MME). Mais le GMP pourrait être de type hybride (thermique et électrique) ou purement thermique.
De plus, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que la batterie cellulaire BC est une batterie principale (ou de traction). Mais la batterie cellulaire objet des estimations pourrait être une batterie de servitude (éventuellement rechargeable via un convertisseur alimenté en énergie électrique par une batterie principale).
On a schématiquement représenté sur la un système S (ici un véhicule) comprenant une chaîne de transmission à GMP électrique, un réseau de bord RB, un groupe d’alimentation comprenant une batterie de servitude BS et (ici) un générateur d’énergie électrique GE associé à une batterie cellulaire BC, et un dispositif d’estimation DE selon l’invention.
Le réseau de bord RB est un réseau d’alimentation électrique auquel sont couplés des équipements (ou organes) électriques (ou électroniques) qui consomment de l’énergie électrique.
La batterie de servitude BS est chargée de fournir de l’énergie électrique au réseau de bord RB, en complément de celle fournie par le générateur d’énergie électrique GE alimenté par la batterie cellulaire BC, et parfois à la place de ce générateur d’énergie électrique GE (en particulier lorsque le GMP est endormi et le générateur d’énergie électrique GE inactif). Par exemple, cette batterie de servitude BS peut être agencée sous la forme d’une batterie de type très basse tension (typiquement 12 V, 24 V ou 48 V). Elle est rechargeable au moins par le générateur d’énergie électrique GE. On considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que la batterie de servitude BS est de type Lithium-ion 12 V.
La chaîne de transmission a un GMP qui est, ici, purement électrique, et donc qui comprend, notamment, une machine motrice électrique MME, un arbre moteur AM, et un arbre de transmission AT. On entend ici par « machine motrice électrique » une machine électrique agencée de manière à fournir ou récupérer du couple pour déplacer le système S (ici un véhicule). Le fonctionnement du GMP est supervisé par un calculateur de supervision CS.
La machine motrice électrique MME (ici un moteur électrique) est couplée à la batterie cellulaire BC, afin d’être alimentée en énergie électrique, ainsi qu’éventuellement d’alimenter cette batterie cellulaire BC en énergie électrique pendant une phase de freinage récupératif. Elle est couplée à l’arbre moteur AM, pour lui fournir du couple par entraînement en rotation. Cet arbre moteur AM est ici couplé à un réducteur RD qui est aussi couplé à l’arbre de transmission AT, lui-même couplé à un premier train T1 (ici de roues), de préférence via un différentiel D1.
Ce premier train T1 est ici situé dans la partie avant PVV du véhicule S. Mais dans une variante ce premier train T1 pourrait être celui qui est ici référencé T2 et qui est situé dans la partie arrière PRV du véhicule S.
La machine motrice électrique MME est, ici, aussi couplée au générateur d’énergie électrique GE qui est aussi couplé indirectement à la batterie de servitude BS, notamment pour la recharger avec de l’énergie électrique issue de la batterie cellulaire BC et convertie.
Ce générateur d’énergie électrique GE est un convertisseur couplé électriquement au connecteur de recharge CN du véhicule S, à titre d’exemple. Il est ici aussi chargé d’alimenter le réseau de bord RB en énergie électrique issue de la batterie cellulaire BC et convertie lorsque le GMP est en fonctionnement ou lorsque le GMP est endormi mais que le véhicule S est dans une phase de recharge de sa batterie cellulaire BC, en plus d’assurer la recharge de la batterie de servitude BS.
Dans l’exemple illustré non limitativement sur la la batterie cellulaire BC est adaptée non seulement aux recharges en mode 2 ou 3, mais aussi aux recharges en mode 4.
Cette batterie cellulaire BC comprend au moins une cellule CE, et de préférence plusieurs. Par exemple, chaque cellule CE peut être électrochimique, éventuellement de type lithium-ion (ou Li-ion) ou Ni-Mh ou Ni-Cd. Egalement par exemple, la batterie cellulaire BC peut être de type basse tension (typiquement 450 V à titre illustratif). Mais elle pourrait être de type moyenne tension ou haute tension.
On notera, comme illustré non limitativement sur la , que lorsque la batterie cellulaire BC comprend plusieurs cellules CE, elles peuvent faire partie de modules MC qui sont couplés entre eux, par exemple en série. On entend ici par « module MC » un groupe d’au moins une cellule CE. Lorsqu’un module MC comprend plusieurs cellules CE, ces dernières (CE) peuvent être couplées entre elles en série et/ou en parallèle.
On notera que la batterie cellulaire BC est associée à un boîtier de batterie BB qui comprend notamment des moyens de mesure de tension, courant et température interne (non illustrés) et un calculateur de batterie CB. Ce calculateur de batterie CB centralise les mesures de courant, les mesures de tension et les mesures de température interne (notamment celles qui concernent individuellement chacune des N cellules CE), et estime des paramètres de la batterie cellulaire BC en fonction de ces mesures, et notamment sa résistance interne, sa tension minimale, la charge Q et l’état de charge (ou SOC) de chacune de ses cellules CE.
On notera également que dans l’exemple illustré non limitativement sur la le véhicule S comprend aussi un boîtier de distribution BD auquel sont couplés la batterie de servitude BS, le générateur d’énergie électrique GE et le réseau de bord RB. Ce boîtier de distribution BD est chargé de distribuer dans le réseau de bord RB l’énergie électrique qui est produite par le générateur d’énergie électrique GE ou stockée dans la batterie de servitude BS, pour l’alimentation des organes (ou équipements) électriques couplés au réseau de bord RB, en fonction de demandes d’alimentation reçues (notamment du calculateur de supervision CS du GMP).
Comme évoqué plus haut, l’invention propose notamment un procédé d’estimation destiné à permettre une estimation fiable de la capacité de stockage d’au moins une cellule CE de la batterie cellulaire BC du système S.
Il est rappelé que la capacité de stockage d’une cellule CE est égale au rapport entre une première variation de l’état de charge SOC(k) de cette cellule CE entre deux instants k-1 et k successifs et une seconde variation de la charge Q(k) de cette cellule CE entre ces deux mêmes instants k-1 et k successifs (soit qui découle de la formule ).
Par exemple, les états de charge SOC(k) peuvent être estimés par un estimateur d’état de charge absolu qui, à minima, est un intégrateur de courant pure, et, de préférence, un estimateur à base de filtrage adaptatif (comme par exemple un filtre de Kalman). Ces estimations peuvent être effectuées par le calculateur de batterie CB.
Le procédé (d’estimation) peut être mis en œuvre au moins partiellement par le dispositif d’estimation DE (illustré sur les figures 1 et 2) qui comprend à cet effet au moins un processeur PR1, par exemple de signal numérique (ou DSP (« Digital Signal Processor »)), et au moins une mémoire MD. Ce dispositif d’estimation DE peut donc être réalisé sous la forme d’une combinaison de circuits ou composants électriques ou électroniques (ou « hardware ») et de modules logiciels (ou « software »). A titre d’exemple, il peut s’agir d’un microcontrôleur.
La mémoire MD est vive afin de stocker des instructions pour la mise en œuvre par le processeur PR1 d’une partie au moins du procédé d’estimation. Le processeur PR1 peut comprendre des circuits intégrés (ou imprimés), ou bien plusieurs circuits intégrés (ou imprimés) reliés par des connections filaires ou non filaires. On entend par circuit intégré (ou imprimé) tout type de dispositif apte à effectuer au moins une opération électrique ou électronique.
Dans l’exemple illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, le dispositif d’estimation DE fait partie du calculateur de batterie CB (et donc du boîtier de batterie BB). Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, le dispositif d’estimation DE pourrait comprendre son propre calculateur dédié, lequel peut alors être couplé au calculateur de batterie CB.
Comme illustré non limitativement sur la figure 3, le procédé (d’estimation), selon l’invention, comprend une étape 10-70 qui est mise en œuvre dans le système S (ici un véhicule) chaque fois qu’une estimation de la capacité de stockage ou de l’état de santé en capacité SOHC d’au moins une cellule CE de la batterie cellulaire BC en cours d’utilisation est demandée, par exemple par le calculateur de batterie CB.
Cette étape 10-70 comprend une sous-étape 10 dans laquelle on (le dispositif d’estimation DE) détermine si des conditions relatives au moins à l’état de charge SOC(k) et à une température de la batterie cellulaire BC sont satisfaites. Le paramètre k désigne ici l’instant courant.
La température précitée peut être la température de la cellule CE considérée, ou la température d’une cellule CE caractéristique de la batterie cellulaire BC et différente de la cellule CE considérée, ou encore une température mesurée dans un endroit choisi de la batterie cellulaire BC (autre qu’une cellule CE).
Dans la négative (et donc si l’une au moins des conditions n’est pas satisfaite), on (le dispositif d’estimation DE) met fin au procédé dans une sous-étape 20 de l’étape 10-70, car on considère que les conditions ne sont pas réunies pour estimer la capacité de stockage de la cellule CE considérée.
En revanche, dans l’affirmative (et donc si les conditions sont satisfaites simultanément), on (le dispositif d’estimation DE) détermine, dans une sous-étape 30 de l’étape 10-70, à M instants successifs (k = 1, k = 2, …, k = M-1, k = M) M couples ( , ) comportant chacun une première variation de l’état de charge SOC(k) de la cellule CE considérée entre deux instants k-1 et k successifs et une seconde variation de la charge Q(k) entre ces deux instants k-1 et k successifs.
Par exemple, M peut être compris entre 10 et 100. A titre d’exemple illustratif on peut choisir M égal à 50.
Puis, dans une sous-étape 40 de l’étape 10-70, on (le dispositif d’estimation DE) sélectionne parmi ces couples ( , ) déterminés ceux qui comprennent une première variation qui satisfait à un premier critère c1 et une seconde variation qui satisfait à un second critère c2.
Puis, dans une sous-étape 50 de l’étape 10-70, on (le dispositif d’estimation DE) alimente un estimateur paramétrique avec ces couples ( , ) sélectionnés afin d’obtenir une estimation de la capacité de stockage de la cellule CE considérée.
Il est rappelé qu’estimer la capacité de stockage revient à estimer la pente dans le plan bidimensionnel (ou 2D) d’un graphe ) des points qui sont définis respectivement par les couples ( , ) sélectionnés.
Grâce au premier filtrage réalisé avant la détermination des couples on peut s’affranchir des bruits de mesure, ce qui permet d’obtenir M couples parmi lesquels on peut effectuer un second filtrage pour retenir ceux qui sont les plus exploitables pour un estimateur paramétrique facile à mettre en œuvre et moins sensible qu’un filtre de Kalman. On obtient ainsi une estimation particulièrement fiable et robuste de la capacité de stockage d’une cellule CE.
On comprendra que ce sont au moins les processeur PR1 et mémoire MD du dispositif d’estimation DE qui sont agencés pour effectuer les opérations consistant, pour au moins une cellule CE en cours d’utilisation, à déterminer si des conditions relatives au moins à son état de charge et à une température de la batterie cellulaire BC sont satisfaites, puis dans l’affirmative à déterminer à M instants successifs M couples ( , ) comportant chacun des première et seconde variations respectivement de son état de charge et de sa charge entre deux instants successifs, puis à sélectionner parmi ces M couples ( , ) déterminés ceux qui comprennent des première et seconde variations satisfaisant respectivement aux premier c1 et second c2 critères, puis à alimenter l’estimateur paramétrique avec ces couples sélectionnés afin d’obtenir une estimation de sa capacité de stockage .
Par exemple, dans la sous-étape 10 de l’étape 10-70 la condition relative à l’état de charge SOC(k) peut être satisfaite lorsque cet état de charge SOC(k) a été initialisé à partir d’une mesure de tension à l’équilibre de la cellule CE. Cela est tout particulièrement intéressant lorsque le système S est peu utilisé et donc lorsque les premières variations de ses cellules CE varient peu.
Egalement par exemple, dans la sous-étape 10 de l’étape 10-70 la condition relative à la température peut être satisfaite lorsque cette dernière est supérieure à un premier seuil s1 choisi.
Par exemple, le premier seuil s1 peut être compris entre -5°C et +10°C. A titre d’exemple illustratif le premier seuil s1 peut être égal à 0°C.
Egalement par exemple, dans la sous-étape 40 de l’étape 10-70 le premier critère c1 peut être satisfait lorsque la valeur absolue de la première variation est supérieure à un deuxième seuil s2 choisi (soit > s2). Un tel exemple de premier critère c1 impose d’avoir une variation significative de ∆SOC pour éviter mathématiquement des divisions par zéro et des pentes infinies, mais aussi de permettre des corrections d’états de charge SOC qui ne sont pas estimés à des moments opportuns.
Par exemple, le deuxième seuil s2 peut être compris entre et . A titre d’exemple illustratif le deuxième seuil s2 peut être égal à .
Egalement par exemple, dans la sous-étape 40 de l’étape 10-70 le second critère c2 peut être satisfait lorsque la valeur absolue de la seconde variation est supérieure à un troisième seuil s3 choisi (soit > s3). Un tel exemple de second critère c2 impose d’avoir une variation significative de la charge Q(k) pour s’affranchir du cumul de l’erreur du capteur concerné tout en s’éloignant d’un ∆Q proche de zéro qui pointe mathématiquement vers une pente nulle.
Par exemple, le troisième seuil s3 peut être compris entre et . A titre d’exemple illustratif le troisième seuil s3 peut être égal à .
Egalement par exemple, dans la sous-étape 50 de l’étape 10-70 on (le dispositif d’estimation DE) peut utiliser un estimateur paramétrique de type dit des moindres carrés récursifs (ou RLS « Recursive Least squares »). Mais d’autres types d’estimateur paramétrique peuvent être utilisés.
A titre d’exemple illustratif, l’estimateur paramétrique peut fonctionner comme suit lorsqu’il est de type RLS avec un facteur d’oubli variable et ye(k) = ∆Qest(k), où Qest(k) est une estimation de la charge échangée qui s’appuie sur l’estimation paramétrique de la capacité de stockage (avec comme notation ci-après ) pour reconstituer la sortie estimée :
,
P est le gain de corrélation qui a une valeur initiale calibrable pour garantir une vitesse de convergence acceptable de l’algorithme de l’estimateur paramétrique, et peut être donné par la formule :
= car il s’agit d’un scalaire,
ε(k) est l’erreur d’approximation de l’estimation à minimiser pour coller à la mesure ∆Qmes(k) =y(k), et est donnée par la formule :
, et
, avec , λ0étant la valeur minimale de λ(k) (de préférence supérieure à 0,9) et λlétant la valeur maximale de λ(k) (égale à 1 ou très légèrement inférieure à 1).
Egalement par exemple, dans la sous-étape 10 de l’étape 10-70 on (le dispositif d’estimation DE) peut aussi déterminer si une condition additionnelle relative à un mode d’utilisation de la batterie cellulaire BC est satisfaite. Dans ce cas, dans la sous-étape 30 de l’étape 10-70 on (le dispositif d’estimation DE) détermine les M couples lorsque les deux conditions décrites plus haut et cette condition additionnelle sont satisfaites simultanément.
Si l’une au moins des conditions et condition additionnelle n’est pas satisfaite, on (le dispositif d’estimation DE) met fin au procédé dans la sous-étape 20 de l’étape 10-70 car on considère que les conditions ne sont pas réunies pour estimer la capacité de stockage de la cellule CE considérée.
A titre d’exemple, dans la sous-étape 10 de l’étape 10-70 la condition additionnelle relative au mode d’utilisation de la batterie cellulaire BC peut être satisfaite lorsque cette dernière (BC) est dans une phase de recharge par une source d’alimentation SA externe au véhicule S, connectée temporairement au connecteur de recharge CN de ce dernier (S) via un câble de recharge CR. Cela est plus particulièrement avantageux lorsque la chimie interne des cellules CE présente une hystérésis non négligeable entre les phases de charge et les phases de décharge, ce qui induit une détermination de l’état de charge SOC moins précise dans les phases de décharge (roulage pour un véhicule) et renforcée du fait de l’existence de plateaux rendant peu efficace la correction de l’état de charge SOC à partir d’un modèle de tension. C’est notamment le cas des cellules CE ayant une chimie interne de type dit LFP (« Lithium Fer Phosphate ») présentant un monomode de polarisation avantageux en phase de recharge.
On notera que l’étape 10-70 peut aussi comprendre une sous-étape 60 dans laquelle on (le dispositif d’estimation DE) détermine au moins deux estimations de la capacité de stockage dans deux intervalles temporels successifs (soit Capaest(k) et Capaest(k’)). Cela revient à effectuer deux fois les sous-étapes 10 à 50 dans deux intervalles temporels successifs. Puis, on (le dispositif d’estimation DE) retient l’une des deux estimations déterminées en tant qu’estimation finale de la capacité de stockage Capa_fin (k), dans une sous-étape 70 de l’étape 10-70, lorsque la valeur absolue de la différence entre ces deux estimations déterminées est inférieure à un quatrième seuil s4 choisi (soit < s4).
Cette option permet de s’assurer qu’il y a une convergence des estimations de la capacité de stockage vers une valeur finale Capa_fin (k), pendant une durée au moins égale à une durée choisie, qui garantit que cette valeur finale Capa_fin (k) représente précisément et de façon très fiable et robuste la capacité de stockage de la cellule CE considérée.
Par exemple, le quatrième seuil s4 peut être compris entre Capaest(k ou k’)*0,001 et Capaest(k ou k’)*0,01. A titre d’exemple illustratif le quatrième seuil s4 peut être égal à Capaest(k ou k’)*0,005.
Lorsque la valeur absolue de la différence entre les deux estimations déterminées est supérieure ou égale au quatrième seuil s4 choisi (soit ≥ s4), alors on (le dispositif d’estimation DE) retourne effectuer les sous-étapes 10 à 50 dans un nouvel intervalle temporel afin d’obtenir une nouvelle estimation de la capacité de stockage Capaest(k’’) qui est ensuite soustraite de la précédente estimation de la capacité de stockage Capaest(k’) en vue de la comparaison de la valeur absolue de cette différence au quatrième seuil s4 (soit < ou ≥ s4).
On notera également que l’estimation finale de la capacité de stockage Capa_fin (k) peut être utilisée pour déterminer l’estimation de l’état de santé en capacité SOHC en cours de la cellule CE considérée. En effet, on utilise la formule :
.
Lorsque l’on cherche une estimation de l’état de santé en capacité SOHC en cours de la batterie cellulaire BC, on peut opérer comme indiqué ci-dessous en considérant l’état de santé en capacité SOHCmodde chaque module MC ou l’état de santé en capacité SOHCcellde chaque cellule CE, avec:
- SOHCmod= min(SOHCcell), c’est-à-dire le minimum de tous les SOHC des cellules CE appartenant au module MC considéré,
- SOHCBC= min(SOHCcell) ou SOHCBC= min(SOHCmod), c’est-à-dire le minimum de tous les SOHC des cellules CE appartenant à tous les modules MC de la batterie cellulaire BC ou le minimum de tous les SOHC des modules MC de la batterie cellulaire BC.
En variante, pour lisser davantage les états de santé en capacité SOHC dans le temps on peut utiliser:
- soit un filtre passe bas avec une constante de temps calibrable, tel que
avec compris entre 0 et 1,
- soit une moyenne glissante de x valeurs de SOHC enregistrées dans une mémoire non volatile du dispositif d’estimation DE.
On notera également, comme illustré non limitativement sur la , que le calculateur de batterie CB (ou le calculateur dédié du dispositif d’estimation DE) peut aussi comprendre une mémoire de masse MM1, notamment pour le stockage temporaire des charges, états de charge et température, et d’éventuelles données intermédiaires intervenant dans tous ses calculs et traitements. Par ailleurs, ce calculateur de batterie CB (ou le calculateur dédié du dispositif d’estimation DE) peut aussi comprendre une interface d’entrée IE pour la réception d’au moins les charges, états de charge et température pour les utiliser dans des calculs ou traitements, éventuellement après les avoir mis en forme et/ou démodulés et/ou amplifiés, de façon connue en soi, au moyen d’un processeur de signal numérique PR2. De plus, ce calculateur de batterie CB (ou le calculateur dédié du dispositif d’estimation DE) peut aussi comprendre une interface de sortie IS, notamment pour délivrer l’estimation de la capacité de stockage (éventuellement finale) d’une cellule CE ou de la batterie cellulaire BC et/ou l’estimation de l’état de santé en capacité (éventuellement finale) d’une cellule CE ou de la batterie cellulaire BC.
On notera également que l’invention propose aussi un produit programme d’ordinateur (ou programme informatique) comprenant un jeu d’instructions qui, lorsqu’il est exécuté par des moyens de traitement de type circuits électroniques (ou hardware), comme par exemple le processeur PR1, est propre à mettre en œuvre le procédé d’estimation décrit ci-avant pour estimer la capacité de stockage d’au moins une cellule CE de la batterie cellulaire BC du système S.
L’invention offre plusieurs avantages, parmi lesquels :
- une estimation précise de l’estimation de la capacité de stockage ou de l’estimation de l’état de santé en capacité, ce qui permet de mieux estimer l’autonomie kilométrique d’un véhicule et/ou d’éviter de sur-dimensionner la batterie cellulaire pour répondre, par exemple, à une contrainte réglementaire,
- une bonne anticipation de la garantie relative à la durée de vie de la batterie cellulaire, sans surprotection,
- une aide des services après-vente et une seconde vie des batteries cellulaires, du fait de l’identification plus précise du degré de dégradation de leur capacité.

Claims (10)

  1. Procédé d’estimation d’une capacité de stockage d’au moins une cellule (CE) propre à stocker de l’énergie électrique, ayant un état de charge et une charge, et équipant une batterie cellulaire (BC) d’un système (S), caractérisé en ce qu’il comprend une étape (10-70) dans laquelle, pour au moins une cellule (CE) en cours d’utilisation, on détermine si des conditions relatives au moins audit état de charge et à une température de ladite batterie cellulaire (BC) sont satisfaites, puis dans l’affirmative on détermine à M instants successifs M couples comportant chacun des première et seconde variations respectivement dudit état de charge et de ladite charge entre deux instants successifs, puis on sélectionne parmi lesdits couples déterminés ceux qui comprennent des première et seconde variations satisfaisant respectivement à des premier et second critères, puis on alimente un estimateur paramétrique avec lesdits couples sélectionnés afin d’obtenir une estimation de ladite capacité de stockage.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans ladite étape (10-70) ladite condition relative audit état de charge est satisfaite lorsque ledit état de charge a été initialisé à partir d’une mesure de tension à l’équilibre de ladite cellule (CE), et ladite condition relative à ladite température est satisfaite lorsque cette dernière est supérieure à un premier seuil choisi.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que dans ladite étape (10-70) ledit premier critère est satisfait lorsqu’une valeur absolue de ladite première variation est supérieure à un deuxième seuil choisi, et ledit second critère est satisfait lorsqu’une valeur absolue de ladite seconde variation est supérieure à un troisième seuil choisi.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans ladite étape (10-70) on utilise un estimateur paramétrique de type dit des moindres carrés récursifs.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans ladite étape (10-70) on détermine en outre si une condition additionnelle relative à un mode d’utilisation de ladite batterie cellulaire (BC) est satisfaite, et on détermine lesdits M couples lorsque lesdites conditions et ladite condition additionnelle sont satisfaites.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans ladite étape (10-70) ladite condition additionnelle relative audit mode d’utilisation de la batterie cellulaire (BC) est satisfaite lorsque cette dernière (BC) est dans une phase de recharge par une source d’alimentation externe (SA).
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans ladite étape (10-70) on détermine au moins deux estimations de ladite capacité de stockage dans deux intervalles temporels successifs, et on retient en tant qu’estimation finale de ladite capacité de stockage l’une des deux estimations déterminées lorsqu’une valeur absolue d’une différence entre ces deux estimations déterminées est inférieure à un quatrième seuil choisi.
  8. Produit programme d’ordinateur comprenant un jeu d’instructions qui, lorsqu’il est exécuté par des moyens de traitement, est propre à mettre en œuvre le procédé d’estimation selon l’une des revendications 1 à 7 pour estimer une capacité de stockage d’au moins une cellule (CE) propre à stocker de l’énergie électrique, ayant un état de charge et une charge, et équipant une batterie cellulaire (BC) d’un système (S).
  9. Dispositif d’estimation d’une capacité de stockage (DE) pour un système (S) comprenant une batterie cellulaire (BC) comportant au moins une cellule (CE) propre à stocker de l’énergie électrique et ayant un état de charge et une charge, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un processeur (PR1) et au moins une mémoire (MD) agencés pour effectuer les opérations consistant, pour au moins une cellule (CE) en cours d’utilisation, à déterminer si des conditions relatives au moins audit état de charge et à une température de ladite batterie cellulaire (BC) sont satisfaites, puis dans l’affirmative à déterminer à M instants successifs M couples comportant chacun des première et seconde variations respectivement dudit état de charge et de ladite charge entre deux instants successifs, puis à sélectionner parmi lesdits couples déterminés ceux qui comprennent des première et seconde variations satisfaisant respectivement à des premier et second critères, puis à alimenter un estimateur paramétrique avec lesdits couples sélectionnés afin d’obtenir une estimation de ladite capacité de stockage.
  10. Système (S) comprenant une batterie cellulaire (BC) comportant au moins une cellule (CE) propre à stocker de l’énergie électrique et ayant un état de charge et une charge, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un dispositif d’estimation (DE) selon la revendication 9.
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