WO1997017620A1 - Procede pour determiner l'etat de charge d'une batterie d'accumulateurs - Google Patents

Procede pour determiner l'etat de charge d'une batterie d'accumulateurs Download PDF

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WO1997017620A1
WO1997017620A1 PCT/FR1996/001748 FR9601748W WO9717620A1 WO 1997017620 A1 WO1997017620 A1 WO 1997017620A1 FR 9601748 W FR9601748 W FR 9601748W WO 9717620 A1 WO9717620 A1 WO 9717620A1
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discharge
depth
battery
pdda
pddu
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PCT/FR1996/001748
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Jean-Pierre Buchel
Wolfang Bogel
Franck Zaninotto
Original Assignee
Renault
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3648—Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
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    • G01R31/379—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC] specially adapted for the type of battery or accumulator for lead-acid batteries
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements

Definitions

  • the present invention relates to electrochemical storage batteries, such as for example lead batteries.
  • the present invention relates to a method for determining the state of charge of a storage battery during its use, and an application of such a method to a storage battery of an electric motor vehicle.
  • an electric motor vehicle that is to say a vehicle equipped with an electric traction motor powered by a storage battery
  • This information can be given to the driver in the form of "charge remaining in the battery”, “depth of discharge of the battery”, or even “kilometers which can still be traveled” if the average consumption of the vehicle is known.
  • Whatever the method of presenting information to the driver it is above all necessary to have a precise and reliable process for determining the state of charge of the battery.
  • a coulometric method consists in counting the quantities of electricity delivered by the battery in order to follow the evolution of its electric charge. This count is made with reference to a nominal charge value Cref which represents the optimal quantity of electricity that the battery can discharge when it operates according to a reference discharge regime carried out with current pulses calibrated in duration and intensity. and having a determined template (or pulse profile), and under determined climatic conditions (temperature, etc.).
  • Such a method is implemented as illustrated in FIG. 1, by means of a microprocessor 1 equipped with a program memory 2, a current sensor 3 and a temperature sensor 4, the current sensor 3 being disposed in a supply line 5 connecting a battery 6 to be monitored to a device to be supplied with electrical energy, for example a motor 7, the temperature sensor 4 being attached to the battery 6.
  • the motor 7 is an alternating current motor
  • a display 9 makes it possible to present to a user the calculated charge value.
  • a discharge cycle of the battery that is to say a complete cycle of use between two recharges of the battery, is broken down by the microprocessor 1 into a succession of discharge microcycles following each other without interruption. At each microcycle, the microprocessor 1 measures the average current I passing through the battery and deduces therefrom the amount of electricity Qi supplied by the battery 5 according to the following relationship:
  • ⁇ t being the duration of each microcycle, generally chosen from a few tenths or hundredths of a second, "i" being an index representing the rank of the microcycle considered.
  • the microprocessor 1 then applies to the quantity of electricity delivered Qi a efficiency coefficient K j chosen from a plurality of coefficients K l7 K 2 , K 3 , .... K n predetermined experimentally and stored in the program memory 2, and From this deduces the electrical charge ⁇ Ci lost by the battery relative to its reference discharge regime:
  • the microprocessor 1 calculates the charge Ci remaining in the battery as follows:
  • Ci Ci- ! - ⁇ Ci Ci_ ⁇ being the load calculated by microprocessor 1 at the end of the previous microcycle, of rank n-1.
  • Ci Cref - ⁇ AC ⁇
  • Ci Cref - ⁇ K j Qi
  • the charge calculated Ci during a given microcycle is equal to the initial charge Cref from which we subtract the sum of all the quantities of electricity supplied Qi corrected by a efficiency coefficient K j .
  • the depth of discharge PDD of the battery which is the proportionality ratio between the state of charge Ci of the battery and its nominal value Cref, can then be calculated by microprocessor 1:
  • PDD being expressed here as a percentage.
  • the reliability of the result obtained depends entirely on the reliability of the efficiency coefficients K j .
  • the coefficients K j which characterize the fluctuations in the efficiency of the battery with respect to the reference discharge regime, depend on numerous parameters such as the current delivered, the depth of discharge of the battery, the temperature of the battery, its aging, etc.
  • a high current intensity leads to a depletion of the electrolyte H 2 S0 4 (sulfuric acid) around the electrodes of the accumulators and an agglomeration of lead crystals PbS0 4 on these electrodes, which leads to a reduction in yield.
  • a quantity of electricity Qi supplied in a short time and with a strong current will thus cause in the battery an electrical pressure drop ⁇ Ci greater than the same quantity of electricity 2i supplied in a long time and with a low current.
  • the PDD discharge depth increases, the increase in the discharge depth going hand in hand with an increase in the PbS0 4 crystals on the electrodes and a depletion of the electrolyte H 2 S0 4 (which has been consumed ).
  • a drop in temperature acts on the formation of the crystals by increasing their solidity, and decreases the yield.
  • Many other parameters influence the performance, such as the age of the battery, the profiles of the current imposed on the battery, the relaxation times of the electrolyte between two peaks of current (for example during an acceleration), etc.
  • the microprocessor 1 chooses the adequate coefficient Kj from among the set of coefficients K x to K n available, depending on the values presented by the three parameters I, PDD, T,.
  • curves are drawn up giving the voltage U (in volts) as a function of I (in amperes) for various values of PDD discharge depth, for example 10 curves referenced 10 to 19 in FIG. 2 , corresponding to increasing discharge depths of 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, ... 90%.
  • the curves 10 to 19 are then sampled and stored in digital form in the program memory of a microprocessor, for example the microprocessor 1 of FIG. 1 which is fitted with a detector 10 of voltage U. Thanks to these curves, microprocessor 1 can cyclically evaluate the PDD discharge depth of the battery, after having measured U and I.
  • the voltage U is a direct function of the temperature T of the battery, U decreasing when the temperature drops,
  • the voltage U for a given PDD discharge depth is insensitive to the discharge profile undergone by the battery. From finding i), it follows that the polarization curves shown in FIG. 2 are valid throughout the life of the battery. From ii), that the voltage U and the depth of discharge PDD are two related parameters, the knowledge of U thus making it possible to know the PDD. From iii), that the temperature parameter is implicitly taken into account if one refers to the polarization curves of FIG. 2 to determine the PDD discharge depth. Finally, finding iiii) confirms the fact that U and PDD are two parameters linked by a relation independent of the other operating parameters of the battery.
  • An object of the present invention is to provide a method for determining the depth of discharge of a storage battery which is both precise and reliable while being simple to implement.
  • a first idea of the present invention is to use a coulometric method, because of its precision, to calculate the depth of discharge of a battery, then to verify by means of an estimated method, due to its reliability, that the depth of discharge calculated by the coulometric method is exact.
  • a second idea of the present invention is to correct during calculation at least part of the efficiency coefficients used by the coulometric method if this method gives a depth of discharge which is too far from the estimated depth of discharge.
  • the present invention provides a method for determining the depth of discharge of a battery, comprising the operations cyclic consisting in: calculating the depth of discharge of the battery by counting the quantities of electricity emitted by the battery and by applying to each quantity of electricity a coefficient of efficiency chosen from among a plurality of coefficient of efficiency predetermined experimentally; estimate the depth of discharge of the battery from a measurement of the battery voltage and of the current flowing through the battery; comparing the calculated discharge depth to the estimated discharge depth, and when the difference between the calculated discharge depth and the estimated discharge depth is greater than a predetermined threshold, correcting at least some of the efficiency coefficients of the plurality of efficiency coefficients such that the calculated discharge depth tends to approach the estimated discharge depth, the calculated discharge depth constituting the result of the process.
  • the coulometric method is "made reliable" by the estimation method, the efficiency coefficients being corrected as many times as necessary.
  • We can therefore implement the coulometric method in a simple way.
  • the efficiency coefficients are experimentally predetermined as a function of only two parameters, these parameters being the current passing through the battery and the depth of discharge of the battery.
  • the difference between the calculated discharge depth and the estimated discharge depth is greater than the predetermined threshold, provision is made to correct at least the efficiency coefficients of the discharge depth domain in which is the battery and the efficiency coefficients of the next range of depth of discharge.
  • the correction of the efficiency coefficients comprises a step consisting in adding to the coefficients a corrective term depending on the difference between the measured discharge depth and the estimated discharge depth.
  • the corrective term is at least determined by the product of the difference between the measured discharge depth and the estimated discharge depth and the difference between the performance coefficients to which the corrective term is to be applied and the performance coefficients of the following area of depth of discharge.
  • the comparison between the calculated discharge depth and the estimated discharge depth is carried out when the estimated discharge depth passes from one field of discharge depth to another. The comparison can also be made when the calculated depth of discharge changes from one range of depth of discharge to another.
  • the plurality of efficiency coefficients comprises efficiency coefficients applicable to the quantities of electricity received by the battery and efficiency coefficients applicable to the quantities of electricity emitted by the battery.
  • FIG. 1, already described represents a conventional microprocessor system that can be used for implementing the method of the invention
  • FIG. 2 already described represents polarization curves of a storage battery, illustrating the relationship between the voltage and the battery current
  • - Figure 3 shows by way of example the efficiency curves of a storage battery, illustrating the variations in the efficiency of the battery as a function of the depth of discharge and battery current
  • - Figure 4 shows a programming flowchart of the microprocessor of Figure 1 for the implementation of the method of the invention.
  • the present invention proposes to combine a coulometric method of the type described in the preamble and an estimation method also described in the preamble.
  • the method of the invention comprises the following stages cyclically:
  • the combination according to the invention of the two conventional methods consists in defining two scales of depth of discharge, PDDa and PDDu respectively, the first PDDa scale being a measurement scale and the second PDDu being a reference scale, and make the first scale coincide with the second.
  • the PDDa scale being the measurement scale, the information which will be communicated to a user, for example by means of the display 9 of FIG. 1, will be the PDDa discharge depth.
  • a number of current domains DI X covering all the possible values of current I are defined, for example 5 domains DI ⁇ to DI 5 , and a number of DPDDa- y depth of discharge domains, for example four DPDDa-_ to DPDDa 4 domains.
  • the efficiency coefficients K j will be designated by K x # y , "x" and "y” being indices representing respectively the current domain DI X and the domain depth of discharge DPDDa y to which each coefficient K x # y is assigned.
  • Table 1 summarizes the general organization of the method, for a battery whose Cref reference charge is equal to 60 ampere-hours.
  • the DPDDa and discharge depth PDDa domains are expressed as a percentage of the total charge Cref of the battery and cover from 0 to 90% of discharge depth (we generally do not wish to discharge the battery beyond 90%).
  • the current domains DI X are chosen to cover all of the possible values of current I.
  • Each coefficient K X / y is determined by a test of conventional type which comprises the following operations:
  • the reference discharge regime of the battery is for example achieved by means of standardized pulses of the TC69WG3, at a temperature of 20 "C.
  • Figure 3 is an integral part of the description and shows by way of example curves 20, 21, 22, 23 giving the efficiency as a function of the intensity of the current I and the depth of discharge of a lead-acid battery. 12 V and 60 amp hours HAGEN brand used by the applicant for the implementation of the invention. Each curve corresponds to one of the four discharge depth domains described above, respectively DPDDax, DPDDa 2 , DPDDa 3 , DPDDa 4 , and covers the five current domains DI X to DI 5 .
  • the engine 7 is a reversible engine used as an alternator during the deceleration phases of the vehicle (engine brake) in order to return electrical energy to the storage battery 6. Under these conditions , you have to plan for performance coefficients
  • the coefficients K X / y are defined experimentally according to a method comparable to that described above, by sending pulses into the battery. current I t t es of different values at various depth PDDa test discharge, the charge gain induced in the battery is compared with that obtained by means of reference load pulses.
  • K ⁇ "y shown below, and we give the coefficients JC X ⁇ V a negative value to take into account the formulation of the relation (3) described in the reamble.
  • the K X / Y and K X (y thus determined are recorded in the program memory 2 of the microprocessor 1, which can then be programmed to carry out the computation microcycles of the type already described in the preamble and determine, at each microcycle, a value depth of discharge PDDa.
  • the microprocessor 1 must "take into account the sign of the current I and choose a coefficient K ⁇ .y in table 1 above if the current I is negative (current supplied by the battery 6) or a coefficient K X ⁇ Y in table 2 above if the current is positive (current returned by the motor 7)
  • the appropriate coefficient K x # y or K X / y is chosen according to the current I measured and the domain DPDDa y the battery is in.
  • the DPDDa range will be determined there from the PDDa depth of discharge value calculated in the previous microcycle.
  • curves 10 to 19 or other equivalent curves are sampled then digitized and stored in the program memory 2 of the microprocessor 1 of FIG. 1.
  • the method for estimating the depth of discharge PDDu from curves 10 to 19 is stored in the form of software in program memory 2.
  • the present invention proposes a particularly simple estimation method to implement, which will now be described.
  • the curves 10 to 19 in FIG. 2 correspond to increasing discharge depths of the battery 6, respectively from 0%, 10%, 20%, up to 90%.
  • the ten curves 10 to 19 thus define ten domains of depth of discharge which will be designated by DPDDu 2 to distinguish them from the domains DPDDa y of the coulometric method.
  • the first DPDDu 0 domain is centered on 0% (curve 10), the second DPDDux domain on 10% (curve 11), etc., the ninth DPDDu 9 domain centered on 90% (courbel9).
  • the microprocessor 1 identifies the position of the point in FIG. 2, determines the curve 10 to 19 la closest to this point along the axis of the voltage U (the vertical axis in Figure .2), and take as the value of PDDu that corresponding to the nearest curve, for example 70% if this curve is the curve 17, 80% if this curve is curve 18, etc.
  • a person skilled in the art will be able to envisage various other ways of proceeding, for example that which consists in more precisely estimating PDDu by interpolation.
  • the microprocessor 1 is able to carry out microcycles for calculating PDDa and estimating PDDu, and to compare the two values PDDa and PDDu.
  • the microprocessor 1 could make the comparison of PDDa and PDDu at each microcycle, but a priori this is of no interest insofar as the estimated method is not very precise, especially if one chooses to make an overall estimate of the discharge depth PDDu in increments of 10% as previously proposed.
  • the present invention proposes to carry out the comparison when the depth of discharge PDDu changes domain DPDDu 2 on the PDDu scale.
  • the depth of discharge PDDu changes domain when in Figure 2 the curves closest to two points PI and P2 determined by two pairs of values (U, I) i and (U, I) i + 1 measured during two microcycles are not the same.
  • the point PI is close to curve 17 and belongs to the DPDDu 7 domain centered on the 70% discharge depth.
  • the point P2 is close to the curve 18 and belongs to the DPDDu 8 domain centered on the 80% depth of discharge.
  • those skilled in the art can provide other means of triggering the comparison.
  • a variant consists in triggering the comparison of PDDa and PDDu when the measured discharge depth PDDa changes domain DPDDu z on the PDDu scale.
  • Another variant consists in triggering the comparison when one of the two values of depth of discharge PDDa and PDDu changes domain DPDDu z on the PDDu scale.
  • the comparison step can consist in carrying out the following test:
  • SX being a positive and predetermined setpoint threshold, chosen for example equal to 4%.
  • the microprocessor when the difference between PDDu is PDDa is greater than the threshold SX, the microprocessor must correct some of the coefficients K x # y and K xy so that the measured discharge depth PDDa ""gradually catches up with the delay it presents with respect to the estimated discharge depth PDDu.
  • the present invention proposes to correct the coefficients K XrY and K x # y of the domain DPDDa y in which the discharge depth PDDa is found at the time when the difference is noted, as well as the coefficients K x # y + 1 and ⁇ ⁇ , y + ⁇ of the following domain DPDDa y + 1 of discharge depth (in the direction of a greater discharge).
  • the microprocessor 1 corrects the coefficients K X (2 and K X / 2 of the depth domain of discharge DPDDa 2 in which the PDDa scale is located, as well as the coefficients K X / 3 , K X (3 of the following domain DPDDa 3 of depth of discharge.
  • Table 1 previously represented then includes in its columns DPDDa 2 and DPDDa 3 corrected coefficients K * XfY as shown below.
  • the present invention rather proposes to provide an automatic correction of the coefficients K Xr y developed so as to make the two scales PDDa and PDDu coincide as well as possible. Essentially, this correction consists in adding to the coefficients K Xjy a correcting term T as a function of the difference between PDDa and PDDu.
  • T is also a function of the difference between the K X / y to be corrected and the K x ⁇ y + 1 of the following domain DPDDa y + 1 of discharge depth, as well as, possibly, of the difference between the K X / y +1 and the K X / y + 2 of the following two domains DPDDa y + 1 , DPDDa y + 2 .
  • the correction of the coefficients ⁇ x , y can be carried out by the microprocessor 1 as follows:
  • T being for example equal to:
  • T k ⁇ PDD [(K ⁇ , y +1 -K X ( y) + (K X ( y +2 -K X ( y +1 )]]
  • k being a constant chosen for example equal to 0.1
  • ⁇ PDD representing the difference between PDDu and PDDa (expressed here as a percentage).
  • the correction is carried out line by line in Table 1, that is to say by current domains DI X.
  • T k ⁇ PDD [(K Xf y +1 -K x> y )]
  • FIG. 4 gives an example of a programming flow diagram of the microprocessor 1 for producing a calculation microcycle according to the method of the invention, comprising steps of calculating PDDa, estimating PDDu , of comparison of PDDa and PDDu and of possible correction of the coefficients K x ⁇ y and K x , y
  • the flow diagram of FIG. 4 represents the essential steps of the method of the invention, the details of implementation of these steps having previously described. There are 14 steps, referenced 40 to 66. Step 40: the microprocessor 1 measures the average voltage U across the battery 6 and the average current I delivered or received by the battery.
  • Step 42 the microprocessor 1 chooses a coefficient K xy or K X / y (table 1 or table 2 described above) as a function of the sign of the current I, the value of the current I and the depth of discharge PDDa calculated with the microcycle previous, of rank i-1, i representing the rank of the microcycle in progress.
  • ⁇ t being the duration of the microcycle, chosen for example of the order of a tenth of a second.
  • Step 46 the microprocessor 1 calculates the new value Ci of the battery charge, ie
  • Ci Ci. ! - ⁇ Ci
  • Ci can be greater than C ⁇ -i if the microprocessor 1 has chosen a coefficient K x , y in step
  • Step 48 the microprocessor 1 calculates the depth of discharge PDDa of the battery:
  • Cref being the reference charge of the battery.
  • Step 50 from the polarization curves 10 to 19 (FIG. 2) and the measured U and I values, the microprocessor 1 estimates the depth of discharge PDDu by looking for the curve 10 to 19 closest to the pair of values ⁇ U, i ⁇ , as previously proposed.
  • Step 52 the microprocessor 1 determines if PDDu has changed domain, that is to say if the closest curve found in step 50 of the current microcycle is not the same as the closest curve found in step 50 of the previous microcycle. If PDDu has changed domain, the microprocessor 1 goes to the next step 54. Otherwise, it goes to step 66 described below.
  • Step 54 the microprocessor 1 compares PDDa to PDDu by carrying out the test (9) already described:
  • the SX threshold being here chosen equal to 4%. If the test is conclusive, the PDDa value given by the coulometric method is incorrect and coefficients K X / y and
  • microprocessor 1 goes to the next step 58. Otherwise, it goes to step 66
  • Step 58 the microprocessor 1 calculates the new terms K xy and K x # y according to the method proposed previously, for the depth of discharge domain
  • Step 60 the microprocessor 1 remakes the calculation of the variation of charge ⁇ Ci of the battery, that is to say calculates a corrected value ⁇ C i in the same way as in
  • Step 62 the microprocessor 1 calculates the new * corrected value C i of the battery charge, ie
  • Step 66 the microprocessor 1 displays to the user the calculated discharge depth PDDa, by means of the display 9 (FIG. 1), and returns to step
  • Step 40 must extend over almost the entire duration ⁇ t of the microcycle, so that the count of the quantities of electricity Qi is not tainted with error. Steps 42 to 66 must therefore be carried out quickly or performed time-sharing during the execution of step 40 of the following microcycle. Particularities of implementation in the case of a traction battery of an electric motor vehicle
  • the microcycle which has just been described is repeated indefinitely from the moment the vehicle begins to be used until the moment when it ceases to be used.
  • the microprocessor 1 must have an initial charge value to start the iterative calculation of the discharge depth PDDa. Two cases are possible: i) if the battery has just been fully recharged, the microprocessor 1 takes as initial value the reference charge Cref of the battery, for example 60 ampere-hours for a battery of 60 ampere-hours. ii) if the battery has not been recharged, the microprocessor 1 takes the charge value Ci calculated at the last microcycle of the last use of the vehicle, this value Ci having been stored.
  • the present invention proposes to provide a solution of the self-learning type: the microprocessor 1 does not initially keep the corrected coefficients K X ( y, K xy . Then, after several battery discharge cycles, if the microprocessor finds that a correction of the original K X coefficients ( y, K x> y must be carried out systematically, it definitively replaces these coefficients with corrected coefficients
  • the microprocessor can be programmed so that the correction of the coefficients K X / y, K XfY is only carried out after having observed for several microcycles an abnormal difference between the calculated discharge depth PDDa and the estimated depth PDDu .
  • depth of discharge and “domains of depth of discharge” have been used for convenience in describing the implementation of the invention.
  • the depth of discharge being directly a function of the charge of the battery (see relations (6) and (17)) one could just as easily have implemented the present invention without going through a calculation of depth of discharge, and using concepts such as "estimated load”, “calculated load”, “calculated load domains”, “estimated load domain”, etc.
  • the notions of "depth of discharge” and “domains of depth of discharge” should not be considered as elements which are necessary and essential to the present invention, but as elements which make it possible simply to apprehend the state of charge d 'a battery.

Abstract

Le procédé de l'invention comprend de façon cyclique les opérations consistant à calculer la profondeur de décharge (PDDa) de la batterie (6) en faisant le décompte des quantiés d'électricité (Qi) émises ou reçues par la batterie et en appliquant à chaque quantité d'électricité (Qi) un coefficient de rendement choisi parmi une pluralité de coefficients de rendement (Kx,y, K'x,y); estimer la profondeur de décharge (PDDu) de la batterie à partir d'une mesure de la tension (U) de la batterie et du courant (I) traversant la batterie; comparer la profondeur de décharge calculée (PDDa) à la profondeur de décharge estimée (PDDu); quand l'écart entre les deux profondeurs de décharge (PDDa, PDDu) est supérieur à un seuil prédéterminé (SX), corriger au moins une partie desdits coefficients de rendement (Kx,y, K'x,y) de manière que la profondeur de décharge calculée (PDDa) tende à se rapprocher de la profondeur de décharge estimée (PDDu). Application notamment à la réalisation d'une jauge de batterie pour véhicule automobile électrique.

Description

PROCEDE POUR DETERMINER L'ETAT DE CHARGE D'UNE BATTERIE
D'ACCUMULATEURS
La présente invention concerne les batteries d' accumulateurs électrochimiques, comme par exemple les batteries au plomb.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé pour déterminer 1 'état de charge d'une batterie d'accumulateurs pendant son utilisation, et une application d'un tel procédé à une batterie d'accumulateurs d'un véhicule automobile électrique.
Dans un véhicule automobile électrique, c'est-à-dire un véhicule équipé d'un moteur de traction électrique alimenté par une batterie d'accumulateurs, il est particulièrement important que le conducteur puisse être informé à chaque instant de 1 ' état de charge de la batterie puisque de celle-ci dépend l'autonomie du véhicule. Cette information peut être donnée au conducteur sous forme de "charge restant dans la batterie", de "profondeur de décharge de la batterie", ou encore .de "kilomètres pouvant encore être parcourus" si la consommation moyenne du véhicule est connue. Quelque soit le mode de présentation de l'information au conducteur, il est avant tout nécessaire de disposer d'un procédé précis et fiable permettant de déterminer l'état de charge de la batterie. Par "précis", on désigne le fait de pouvoir obtenir des valeurs détaillées sur l'état de charge de la batterie (par exemple au pour-cent près) , et par "fiable" le fait que toute confiance puisse être portée au résultat obtenu, qui doit être représentatif de la charge réelle encore disponible dans la batterie afin de ne pas induire le conducteur en erreur.
A ce jour, on connaît diverses méthodes de détermination de la charge d'une batterie, parmi lesquelles on distingue des méthodes coulométriques, basées sur une mesure de la quantité d'électricité débitée par la batterie une quantité d'électricité étant exprimée en coulombs ou en ampères-heures) , et des méthodes estimatives, consistant à évaluer l'état de charge de la batterie à partir d'une mesure de la tension aux bornes de la batterie et du courant la traversant.
Ces méthodes comportent chacune des avantages et des inconvénients. Elles seront maintenant décrites et analysées car on y trouvera les fondements de la présente invention.
Méthodes coulométriques classiques
Essentiellement, une méthode coulométrique consiste à faire le décompte des quantités d'électricité délivrées par la batterie afin de suivre l'évolution de sa charge électrique. Ce décompte est effectué en référence à une valeur nominale de charge Cref qui représente la quantité d'électricité optimale que peut débiter la batterie lorsque elle fonctionne selon un régime de décharge de référence réalisé avec des impulsions de courant calibré.es en durée et en intensité et présentant un gabarit (ou profil d'impulsion) déterminé, et dans des conditions climatiques déterminées (température, etc.) .
Une telle méthode est mise en oeuvre comme illustré en figure 1, au moyen d'un microprocesseur 1 équipé d'une mémoire programme 2, d'un capteur de courant 3 et d'un capteur de température 4 , le capteur de courant 3 étant disposé dans une ligne d'alimentation 5 reliant une batterie 6 à surveiller à un dispositif à alimenter en énergie électrique, par exemple un moteur 7, le capteur de température 4 étant accolé à la batterie 6. Dans le cas où le moteur 7 est un moteur à courant alternatif, on trouve entre la batterie 6 et le moteur 7 un onduleur 8. Enfin, un afficheur 9 permet de présenter à un utilisateur la valeur de charge calculée. Un cycle de décharge de la batterie, c'est-à-dire un cycle complet d'utilisation entre deux rechargements de la batterie, est décomposé par le microprocesseur 1 en une succession de microcycles de décharge se suivant sans interruption. A chaque microcycle, le microprocesseur 1 mesure le courant moyen I traversant la batterie et en déduit la quantité d'électricité Qi débitée par la batterie 5 selon la relation suivante :
(1) Qi = I Δt
Δt étant la durée de chaque microcycle, choisie généralement de quelques dixièmes ou centièmes de seconde, "i" étant un indice représentant le rang du microcycle considéré.
Le microprocesseur 1 applique ensuite à la quantité d'électricité débitée Qi un coefficient de rendement Kj choisi parmi une pluralité de coefficients Kl7 K2, K3, ....Kn prédéterminés expérimentalement et stockés dans la mémoire programme 2, et en déduit la charge électrique ΔCi perdue par la batterie relativement à son régime de décharge de référence :
(2) ΔCi = Kj Qi
Le microprocesseur 1 calcule ensuite la charge Ci restant dans la batterie de la façon suivante :
(3) Ci = Ci-!- ΔCi Ci_χ étant la charge calculée par le microprocesseur 1 à la fin du microcycle précédent, de rang n-1.
La relation (3) étant itérative, elle peut aussi s'écrire :
(4) Ci = Cref - Σ AC±
ou
(5) Ci = Cref - Σ Kj Qi
en supposant qu'au premier microcycle la batterie était chargée à son maximum Cref .
Ainsi, la charge calculée Ci lors d'un microcycle donné est égale à la charge initiale Cref à laquelle on retranche la somme de toutes les quantités d'électricité fournies Qi corrigées par un coefficient de rendement Kj . La profondeur de décharge PDD de la batterie, qui est le rapport de proportionnalité entre l'état de charge Ci de la batterie et sa valeur nominale Cref, peut ensuite être calculée par le microprocesseur 1 :
(6) PDD = 100 [(Cref - Ci) /Cref] %
PDD étant exprimée ici en pourcentage.
Avec une telle méthode, et comme cela ressort clairement de la relation (5) , la fiabilité du résultat obtenu dépend entièrement de la fiabilité des coefficients de rendement Kj . Or, les coefficients Kj qui caractérisent les fluctuations du rendement de la batterie par rapport au régime de décharge de référence, dépendent de nombreux paramètres comme le courant délivré, la profondeur de décharge de la batterie, la température de la batterie, son vieillissement, etc. Par exemple, dans une batterie d'accumulateurs au plomb, une forte intensité de courant entraîne un appauvrissement de 1 'électrolyte H2S04 (acide sulfurique) autour des électrodes des accumulateurs et une agglomération de cristaux de plomb PbS04 sur ces électrodes, ce qui conduit à une diminution du rendement. Une quantité d'électricité Qi fournie dans- un temps bref et avec un fort courant va ainsi provoquer dans la batterie une perte de charge électrique ΔCi plus importante que la même quantité d'électricité 2i fournie en un temps long et avec un faible courant. Il en est de même lorsque la profondeur de décharge PDD augmente, l'augmentation de la profondeur de décharge allant de pair avec une augmentation des cristaux PbS04 sur les électrodes et un appauvrissement de 1 ' électrolyte H2S04 (qui a été consommé) . Egalement, une baisse de la température agit sur la formation des cristaux en augmentant leur solidité, et diminue le rendement. De nombreux autres paramètres influencent le rendement, comme l'âge de la batterie, les profils du courant imposé à la batterie, les temps de relaxation de 1 ' électrolyte entre deux pointes de courant (par exemple lors d'une accélération) , etc .
En pratique, il est clair que l'on ne peut pas prévoir une infinité de coefficients Kj tenant compte de tous ces paramètres et de toutes les combinaisons possibles des valeurs de ces paramètres. C'est pourquoi on se contente généralement de définir des coefficients Kj du type :
(7) Kj = f(I, PDD, T)
c'est-à-dire fonction uniquement du courant I, de la profondeur de décharge PDD et de la température T. Ainsi, à chaque microcycle, le microprocesseur 1 choisit le coefficient adéquat Kj parmi l'ensemble des coefficients Kx à Kn disponibles, en fonction des valeurs que présentent les trois paramètres I, PDD, T, .
Malgré cette simplification, les méthodes coulométriques restent complexes à mettre en oeuvre pour un résultat qui s'avère finalement peu fiable, surtout lorsque l'on approche les - profondeurs de décharge importantes (au delà des 50%) .
Toutefois, les méthodes coulométriques offrent une bonne précision, puisque microcycle après microcycle d'infimes variations de la charge peuvent être mesurées. Méthodes classiques de détermination de la charge par estimation
Comme cela est bien connu de l'homme de l'art, il existe dans une batterie d'accumulateurs un lien entre la profondeur de décharge PDD, la tension U aux bornes de la batterie et le courant I délivré. Ainsi, on peut établir expérimentalement un ensemble de courbes caractérisant la batterie, dites courbes de polarisation, du type
(8) U = f (I, PDD) ,
exprimant la relation existant entre les paramètres U, I et PDD.
En pratique, et comme représenté en figure 2, on établit des courbes donnant la tension U (en volts) en fonction de I (en ampères) pour diverses valeurs de profondeur de décharge PDD, par exemple 10 courbes référencées 10 à 19 en figure 2, correspondant à des profondeurs de décharge croissantes de 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, ...90%. Les courbes 10 à 19 sont ensuite échantillonnées et stockées sous forme numérique dans la mémoire programme d'un microprocesseur, par exemple le microprocesseur 1 de la figure 1 que l'on équipe d'un détecteur 10 de tension U. Grâce à ces courbes, le microprocesseur 1 peut faire une évaluation cyclique de la profondeur de décharge PDD de la batterie, après avoir mesuré U et I .
Une telle méthode présente certains avantages mis en lumière par des études conduites par la demanderesse . Ces avantages découlent des constatations suivantes:
- i) la tension U d'une batterie, pour un courant I et une profondeur de décharge PDD donnés, évolue très peu avec le vieillissement de la batterie,
- ii) au-delà de.c. 10% de profondeur de décharge PDD, pour un courant I donné, la tension U évolue avec la profondeur de décharge PDD, comme on peut l'observer sur la figure 2 où l'on voit que les diverses courbes de tension U ne se superposent pas,
- iii) la tension U est directement fonction de la température T de la batterie, U diminuant lorsque la température baisse,
- iiii) la tension U pour une profondeur de décharge PDD donnée est insensible au profil de décharge subit par la batterie. De la constatation i) , il résulte que les courbes de polarisation représentées en figure 2 sont valables tout au long de la vie de la batterie. De ii) , que la tension U et la profondeur de décharge PDD sont deux paramètres liés, la connaissance de U permettant ainsi de connaître la PDD. De iii) , que le paramètre température est implicitement pris en compte si l'on se réfère aux courbes de polarisation de la figure 2 pour déterminer la profondeur de décharge PDD. Enfin, la constatation iiii) confirme le fait que U et PDD sont deux paramètres liés par une relation indépendante des autres paramètres de fonctionnement de la batterie.
En résumé, il découle de ces constatations qu'une méthode estimative est une méthode fiable pour déterminer l'état de charge d'une batterie. En revanche, une telle méthode n'est pas précise. En effet, on ne peut pas, au moyen d'une dizaine de courbes, estimer la profondeur de décharge avec une précision de l'ordre du pour-cent, à moins bien entendu de procéder à de nombreuses expérimentations pour tracer un grand nombre de courbes de polarisation, ce qui rendrait la méthode très lourde à mettre en oeuvre.
Finalement, on trouve dans l'art antérieur des méthodes coulométr.' ques qui sont précises mais ne sont pas fiables et des méthodes estimatives qui sont fiables mais ne sont pas précises, dans la mesure où l'on souhaite mettre en oeuvre ces méthodes de façon simple .
Un objectif de la présente invention est de prévoir un procédé de détermination de la profondeur de décharge d'une batterie d'accumulateurs qui soit à la fois précis et fiable tout en étant simple à mettre en oeuvre.
Pour atteindre cet objectif, l'idée de la présente invention et de combiner les deux méthodes classiques qui viennent d'être décrites d'une manière permettant de bénéficier des avantages de chacune sans en avoir les inconvénients. Plus précisément, une première idée de la présente invention est d'utiliser une méthode coulométrique, en raison de sa précision, pour calculer la profondeur de décharge d'une batterie, puis de vérifier au moyen d'une méthode estimative, en raison de sa fiabilité, que la profondeur de décharge calculée par la méthode coulométrique est exacte. Une deuxième idée de la présente invention est de corriger en cours de calcul au moins une partie des coefficients de rendement utilisés par la méthode coulométrique si cette méthode donne une profondeur de décharge qui s'éloigne trop de la profondeur de décharge estimée.
Ainsi, essentiellement, la présente invention prévoit un procédé pour déterminer la profondeur de décharge d'une batterie, comprenant les opérations cycliques consistant à : calculer la profondeur de décharge de la batterie en faisant le décompte des quantités d'électricité émises par la batterie et en appliquant à chaque quantité d'électricité un coefficient de rendement choisi parmi une pluralité de coefficients de rendement prédéterminés expérimentalement ; estimer la profondeur de décharge de la batterie à partir d'une mesure de la tension de la batterie et du courant traversant la >.atterie ; comparer la profondeur de décharge calculée à la profondeur de décharge estimée, et quand 1 ' écart entre la profondeur de décharge calculée et la profondeur de décharge estimée est supérieur à un seuil prédéterminé, corriger au moins une partie des coefficients de rendement de la pluralité de coefficients de rendement de manière que la profondeur de décharge calculée tende à se rapprocher de la profondeur de décharge estimée, la profondeur de décharge calculée constituant le résultat du procédé.
On voit que grâce à la présente invention, on "fiabilise" la méthode coulométrique grâce à la méthode estimative, les coefficients de rendement étant corrigés autant de fois que nécessaire. On peut donc mettre en oeuvre la méthode coulométrique de façon simple.
Ainsi, selon un mode de réalisation particulièrement avantageux en raison de sa simplicité, les coefficients de rendement sont prédéterminés expérimentalement en fonction uniquement de deux paramètres, ces paramètres étant le courant traversant la batterie et la profondeur de décharge de la batterie. Selon un mode de réalisation, quand l'écart entre la profondeur de décharge calculée et la profondeur de décharge estimée est supérieur au seuil prédéterminé, il est prévu de corriger au moins les coefficients de rendement du domaine de profondeur de décharge dans lequel se trouve la batterie et les coefficients de rendement du domaine suivant de profondeur de décharge.
Selon un mode de réalisation, la correction des coefficients de rendement comprend une étape consistant à ajouter aux coefficients un terme correcteur fonction de 1'écart entre la profondeur de décharge mesurée et la profondeur de décharge estimée.
Avantageusement, le terme correcteur est au moins déterminé par le produit de l'écart entre la profondeur de décharge mesurée et la profondeur de décharge estimée et de l'écart entre les coefficients de rendement auquel le terme correcteur doit être appliqué et les coefficients de rendement du domaine suivant de profondeur de décharge. Selon un mode de réalisation, la comparaison entre la profondeur de décharge calculée et la profondeur de décharge estimée est effectuée lorsque la profondeur de décharge estimée passe d'un domaine de profondeur de décharge à un autre. La comparaison peut aussi être effectuée lorsque la profondeur de décharge calculée passe d'un domaine de profondeur de décharge à un autre.
Par ailleurs, quand un courant est susceptible d'être fourni occasionnellement à la batterie, la pluralité de coefficients de rendement comprend des coefficients de rendement applicables aux quantités d'électricité reçues par la batterie et des coefficients de rendement applicables aux quantités d'électricité émises par la batterie. Ces caractéristiques, avantages ainsi que d'autres de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation du procédé de l'invention dans le cadre d'une application à une batterie d'accumulateurs de véhicule automobile électrique, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
- la figure l déjà décrite représente un système à microprocesseur classique pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, la figure 2 déjà décrite représente à titre d'exemple des courbes de polarisation d'une batterie d'accumulateurs, illustrant la relation entre la tension et le courant de batterie, - la figure 3 représente à titre d'exemple des courbes de rendement d'une batterie d'accumulateurs, illustrant les variations du rendement de la batterie en fonction de la profondeur de décharge et du courant de batterie, et - la figure 4 représente un organigramme de programmation du microprocesseur de la figure 1 pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
Dans ce qui suit, on va décrire un exemple de réalisation du procédé de l'invention appliqué à une batterie d'accumulateurs de véhicule automobile électrique. Le procédé est mis en oeuvre au moyen du dispositif classique à microprocesseur déjà décrit en relation avec la figure 1, le moteur 7 alimenté par la batterie 6 étant ici un moteur de traction de véhicule automobile.
Essentiellement, pour déterminer la profondeur de décharge PDD de la batterie 6, la présente invention propose de combiner une méthode coulométrique du type décrit au préambule et une méthode estimative également décrite au préambule.
Plus précisément, le procédé de l'invention comprend de façon cyclique les étapes suivantes :
- déterminer la profondeur de décharge de la batterie 6 au moyen d'une méthode coulométrique, c'est-à-dire en faisant le décompte des quantités d'électricité Qi émises par la batterie et en appliquant à chaque quantité d'électricité Qi un coefficient de rendement Kj choisi parmi une pluralité de coefficients de rendement K!...Kn, la profondeur de décharge calculée par cette première méthode étant désignée PDDa,
- déterminer la profondeur de- décharge de la batterie 6 au moyen d'une méthode estimative, c'est-à-dire à partir d'une mesure de la tension U et du courant I de batterie 6 et au moyen de courbes de polarisation représentant .1 =_ relation entre U et I pour diverses profondeurs de décharge, la profondeur de décharge estimée grâce à cette deuxième méthode étant désignée PDDu,
- comparer PDDa et PDDu, et
- si un écart significatif est constaté entre PDDa et PDDu, corriger des coefficients de rendement Kj utilisés par la méthode coulométrique de manière que PDDa tende à se rapprocher de PDDu.
En d'autres termes, la combinaison selon l'invention des deux méthodes classiques consiste à définir deux échelles de profondeur de décharge, respectivement PDDa et PDDu, la première échelle PDDa étant une échelle de mesure et la deuxième PDDu une échelle de référence, et faire en sorte que la première échelle coïncide avec la seconde. L'échelle PDDa étant l'échelle de mesure, l'information qui sera communiquée à un utilisateur, par exemple au moyen de l'afficheur 9 de la figure 1, sera la profondeur de décharge PDDa.
En pratique, la mise en oeuvre du procédé de l'invention suppose que les étapes préliminaires suivantes soient réalisées :
- la mise en oeuvre de la méthode coulométrique et l'élaboration expérimentale des coefficients Kj , la mise en oeuvre de la méthode estimative et l'élaboration expérimentale de courbes de polarisations donnant la relation entre U, I, et la profondeur de décharge,
- le choix d'un événement qui va déterminer 1 'instant de la comparaison des valeurs PDDa et PDDu données par chacune des deux méthodes,
- le choix d'une méthode de comparaison de PDDa et PDDu,
- le choix des coefficients de rendement Kj à corriger lorsque une correction s'avère nécessaire, et
- ""> e choix d'une méthode de correction des coefficients de rendement Kj .
Ces étapes préliminaires seront maintenant décrites . Mise en oeuvre de la méthode coulométrique Il s'agit d'une étape en elle-même classique et bien connue de 1 'homme de 1 'art. On détermine expérimentalement un ensemble de coefficients Kj qui représentent le rendement de la batterie dans diverses conditions de fonctionnement. En principe, et comme on l'a indiqué au préambule, les coefficients de rendement Kj devraient être déterminés en fonction de tous les paramètres susceptibles d'affecter le rendement de la batterie. Mais on a vu que dans l'art antérieur la recherche d'une moindre complexité conduisait le plus souvent à déterminer les coefficients Kj en fonction seulement de la tension U, de la profondeur de décharge PDD et .de la température T, au détriment de la fiabilité du résultat.
Grâce à la présente invention, on va pouvoir simplifier encore plus la méthode coulométrique sans nuire à la fiabilité du résultat final. Ainsi, on va déterminer les coefficients Kj à partir de deux paramètres seulement qui sont le courant I de batterie et la profondeur de décharge PDD.
Plus précisément, on définit un certain nombre de domaines de courant DIX couvrant toutes les valeurs possibles du courant I, par exemple 5 domaines DIχ à DI5, et un certain nombre de domaines de profondeur de décharge DPDDay, par exemple quatre domaines DPDDa-_ à DPDDa4. On définit ensuite expérimentalement, pour chaque combinaison {DIX, DPDDay} d'un domaine DIX et d'un domaine DPDDay un coefficient de rendement Kj utilisable pour l'ensemble des valeurs de-profondeur de décharge PDD et de courant I couvertes par la combinaison {DIX, DPDDay} .
Par la suite, pour faciliter la description du procédé de l'invention, on désignera les coefficients de rendement Kj par Kx#y, "x" et "y" étant des indices représentant respectivement le domaine de courant DIX et le domaine de profondeur de décharge DPDDay auxquels est affecté chaque coefficient Kx#y. Le tableau 1 ci-après résume l'organisation générale de la méthode, pour une batterie dont la charge de référence Cref est égale à 60 ampères-heures. Les domaines DPDDay de profondeur de décharge PDDa sont exprimés en pourcentage de la charge totale Cref de la batterie et couvrent de 0 à 90% de profondeur de décharge (on ne souhaite généralement pas décharger la batterie au delà de 90%) . Les domaines de courant DIX sont choisis pour couvrir l'ensemble des valeurs possibles du courant I. Chaque coefficient KX/y est déterminé par un test de type classique qui comprend les opérations suivantes :
- amener la batterie dans un état de profondeur de décharge PDDatest représentatif du domaine DPDDay du coefficient Kx<y à déterminer, au moyen d'impulsions de décharge de référence calibrées en intensité, - faire émettre par la batterie un certain nombre d'impulsions de courant ayant une intensité Itest représentative du domaine DIX du coefficient KX/y à déterminer,
- évaluer l'effet du test sur la charge de batterie relativement au régime de décharge de référence. Le régime de décharge de référence de la batterie est par exemple réalisé au moyen d'impulsions normalisées du t e TC69WG3, à une tem érature de 20"C.
Figure imgf000017_0001
La figure 3 fait partie intégrante de la description et représente à titre d'exemple des courbes 20, 21, 22, 23 donnant le rendement en fonction de l'intensité du courant I et de la profondeur de décharge d'une batterie au plomb de 12 V et 60 ampères heures de marque HAGEN utilisée par la demanderesse pour la mise en oeuvre de l'invention. Chaque courbe correspond à l'un des quatre domaines de profondeur de décharge décrits précédemment, respectivement DPDDax, DPDDa2, DPDDa3, DPDDa4, et couvre les cinq domaines de courant DIX à DI5. De ces courbes, on peut déduire les valeurs des coefficients KXιV comme montré sur la courbe 23 (domaine DPDDa4) où l'on a repéré les coefficients K1/4 ,K2/4 ,£3,4 »K4/4 et K5/4.
Par ailleurs, dans le présent mode de réalisation, le moteur 7 est un moteur réversible utilisé comme alternateur pendant les phases de décélération du véhicule (frein moteur) afin de renvoyer de l'énergie électrique à la batterie d'accumulateurs 6. Dans ces conditions, il faut prévoir des coefficients de rendement
K Xfy utilisables pendant les périodes de frein moteur.
Les coefficients K X/y sont définis expérimentalement selon une méthode comparable à celle décrite précédemment, en envoyant dans la batterie des impulsions de courant Itest de valeurs différentes, à diverses profondeur de décharge PDDatest, le gain de charge induit dans la batterie étant comparé à celui obtenu au moyen d'impulsions de charge de référence. On définit ensuite un tableau 2 de valeurs K χ«y représenté ci-après, et l'on donne aux coefficients JC Xι V une valeur négative pour prendre en compte la formulation de la relation (3) décrite au réambule.
Figure imgf000018_0001
Les KX/Y et les K X(y ainsi déterminées sont enregistrées dans la mémoire programme 2 du microprocesseur 1, qui peut ensuite être programmé pour réaliser les microcycles de calcul du type déjà décrit au préambule et déterminer, à chaque microcycle, une valeur de profondeur de décharge PDDa.
Ici, à chaque microcycle, le microprocesseur 1 doit prendre" en compte le signe du courant I et choisir un coefficient Kχ.y dans le tableau 1 ci-dessus si le courant I est négatif (courant débité par la batterie 6) ou un coefficient K Xι Y dans le tableau 2 ci-dessus si le courant est positif (courant renvoyé par le moteur 7) . Le coefficient Kx#y ou K X/y adéquat est choisi en fonction du courant I mesuré et du domaine DPDDay dans lequel se trouve la batterie. Le domaine DPDDay sera déterminé à partir de la valeur de profondeur de décharge PDDa calculée au microcycle précédent.
Mise en oeuvre de la méthode estimative En raison des avantages résultant de la combinaison des deux méthodes, il n'est pas nécessaire de viser ici une très grande précision. On peut donc se contenter d'un nombre limité de courbes de polarisations, ce qui apportera l'avantage d'une mise en oeuvre simple, rapide et peu coûteuse.
Ainsi, le faisceau de courbes de polarisation de la figure 2, comprenant seulement dix courbes 10 à 19, a été u'.ilisé par la demanderesse pour la réalisât' on de l'invention. Ces courbes 10 à 19 ont été tracées à partir de la batterie HAGEN de 12V-60Ah déjà citée et font partie intégrante de la description. Bien entendu, il appartiendra à l'homme de l'art de définir un autre faisceau de courbes si un autre type de batterie est utilisé.
Une fois déterminées, les courbes 10 à 19 ou autres courbes équivalentes sont échantillonnées puis numérisées et stockées dans la mémoire programme 2 du microprocesseur 1 de la figure 1. La méthode d'estimation de la profondeur de décharge PDDu à partir des courbes 10 à 19 est mise en mémoire sous forme de logiciel dans la mémoire programme 2.
La présente invention propose une méthode d'estimation particulièrement simple à mettre en oeuvre, qui va maintenant être décrite. On rappelle tout d'abord que les courbes 10 à 19 de la figure 2 correspondent à des profondeurs de décharge croissantes de la batterie 6 , respectivement de 0%, 10%, 20%, jusqu'à 90%. Les dix courbes 10 à 19 définissent ainsi dix domaines de profondeur de décharge que l'on désignera par DPDDu2 pour les distinguer des domaines DPDDay de la méthode coulométrique. Le premier domaine DPDDu0 est centré sur le 0% (courbe 10) , le deuxième domaine DPDDux sur les 10% (courbe 11) , etc., le neuvième domaine DPDDu9 centré sur les 90% (courbel9) . IX /17620 PCT/FR96/01748
Ainsi, lorsqu'un couple (U,I) de valeurs de tension U et de courant I est mesuré par le microprocesseur 1, on propose que le microprocesseur 1 identifie la position du point sur la figure 2, détermine la courbe 10 à 19 la plus proche de ce point selon 1 ' axe de la tension U (l'axe vertical sur la figure .2) , et prenne comme valeur de PDDu celle correspondant à la courbe la plus proche, par exemple 70% si cette courbe est la courbe 17, 80% si cette courbe est la courbe 18, etc. Toutefois, l'homme de l'art pourra prévoir diverses autres manières de procéder, par exemple celle qui consiste à estimer plus précisément PDDu par interpolation.
Choix d'un événement qui va déterminer l'instant de la comparaison entre PDDa calculée et PDDu estimée
Une fois les deux méthodes définies et programmées, le microprocesseur 1 est en mesure de réaliser des microcycles de calcul de PDDa et d'estimation de PDDu, et de comparer les deux valeurs PDDa et PDDu. Le microprocesseur 1 pourrait faire la comparaison de PDDa et de PDDu à chaque microcycle, mais a priori cela ne présente pas d'intérêt dans la mesure où la méthode estimative est peu précise, surtout si l'on choisit de faire une estimation globale de la profondeur de décharge PDDu par tranches de 10% comme on l'a proposé précédemment.
Dans ces conditions, la présente invention propose d'effectuer la comparaison lorsque la profondeur de décharge PDDu change de domaine DPDDu2 sur l'échelle PDDu. La profondeur de décharge PDDu change de domaine lorsque sur la figure 2 les courbes les plus proches de deux points PI et P2 déterminées par deux couples de valeurs (U,I)i et (U,I)i+1 mesurées lors de deux microcycles successifs ne sont pas les mêmes. Sur l'exemple montré en figure 2, le point PI est proche de la courbe 17 et appartient au domaine DPDDu7 centré sur les 70% de profondeur de décharge. Le point P2 est proche de la courbe 18 et appartient au domaine DPDDu8 centré sur les 80% de profondeur de décharge. Bien entendu, l'homme de l'art pourra prévoir d'autres moyens de déclenchement de la comparaison. Par exemple, une variante consiste à déclencher la comparaison de PDDa et PDDu lorsque la profondeur de décharge mesurée PDDa change de domaine DPDDuz sur l'échelle PDDu. Une autre variante consiste à déclencher la comparaison lorsque l'une des deux valeurs de profondeur de décharge PDDa et PDDu change de domaine DPDDuz sur l'échelle PDDu.
Choix d'une méthode de comparaison de PDDa et PDDu Ici, on va prendre comme hypothèse le fait qu'un écart significatif entre PDDa et PDDu ne va se produire que dans le cas où la profondeur de décharge calculée PDDa est inférieure à la profondeur de décharge estimée PDDu. Cette hypothèse est confirmée par la pratique où l'on constate que la méthode coulométrique donne toujours une profondeur de décharge PDDa qui est "optimiste" ou en "retard" vis-à-vis de la profondeur de décharge PDDu donnée par mesure de la tension U et du courant I. De plus, .il existe de nombreuses causes accidentelles susceptibles de provoquer une baisse de charge de la batterie qui ne seront pas prises en compte par la méthode coulométrique mais seront détectées par la mesure de la tension U, comme par exemple un vieillissement prématuré de la batterie, un rechargement de la batterie qui n'est pas réalisé selon un profil de courant adéquat, la défaillance d'un accumulateur, etc. Enfin, cette hypothèse est également justifiée dans le présent mode de réalisation par le fait que le paramètre température T n'est pas pris en compte dans la prédétermination des coefficients de rendement KX(y, de sorte qu'une baisse de la température T va provoquer une baisse de charge dans la batterie qui ne sera pas perçue par la méthode coulométrique mais sera implicitement prise en compte par la méthode estimative.
Dans ces conditions, selen l'invention, l'étape de comparaison peut consister à faire le test suivant :
(9) PDDu - PDDa > SX
SX étant un seuil de consigne positif et prédéterminé, choisi par exemple égal à 4%.
Choix des coefficients de rendement à corriger Selon l'invention, quand l'écart entre PDDu est PDDa est supérieur au seuil SX, le microprocesseur doit corriger certains des coefficients K x#y et Kx y de manière que la profondeur de décharge mesurée PDDa "rattrape" progressivement le retard qu'elle présente vis-à-vis de la profondeur de décharge estimée PDDu. La présente invention propose de corriger les coefficients KXrY et K x#y du domaine DPDDay dans lequel se trouve la profondeur de décharge PDDa au moment où l'écart est constaté, ainsi que les coefficients Kx#y+1 et κ χ,y+ι du domaine suivant DPDDay+1 de profondeur de décharge (dans le sens d'une plus grande décharge).
Ainsi, par exemple, si à un instant donné l'échelle PDDa indique 35% de profondeur de décharge et l'échelle PDDu indique 40%, le microprocesseur 1 corrige les coefficients KX(2 et K X/2 du domaine de profondeur de décharge DPDDa2 dans lequel se trouve l'échelle PDDa, ainsi que les coefficients KX/3, KX(3 du domaine suivant DPDDa3 de profondeur de décharge. Le tableau 1 représenté précédemment comprend alors dans ses colonnes DPDDa2 et DPDDa3 des coefficients corrigés K*XfY comme représenté ci-après.
Figure imgf000023_0001
Le mode de correction qui vient d'être proposé n'est pas impératif. En fonction de l'application et du type de batterie utilisée, l'homme de l'art pourra prévoir d'autres modes de correction, et notamment :
- un mode consistant à corriger uniquement les termes κχ,y κ χ,y du domaine de profondeur de décharge PDDay dans lequel se trouve l'échelle PDDa,
- un mode consistant à corriger les termes KX/Y et K Xry de tous les domaines suivants de profondeur de décharge DPDDay, DPDDay+1, DPDDay+2 jusqu'au dernier.
On peut également envisager de ne corriger que les KX/y et K X(y du domaine de courant DIX dans lequel se trouve le courant I au moment où la correction doit être réalisée, mais cette solution risque de conduire à des incohérences de résultat.
Enfin, il doit être noté que si l'on ne corrige ici que les KXfy du domaine DPDDay en cours et les KXfy des domaines DPDDay+1... de plus grande décharge, c'est que l'on a pris comme hypothèse déjà décrite le fait qu'un écart significatif entre PDDa et PDDu ne va se produire que dans le cas où PDDa est inférieure à PDDu.
Méthode de correction des coefficients de rendement.
Pour corriger les coefficients Kx y et K x,y< on pourrait définir expérimentalement plusieurs jeux de valeurs de remplacement K χ»y K χ.y qui seraient stockées dans la mémoire programme 2, mais cette solution serait lourde à mettre en oeuvre. La présente invention propose plutôt de prévoir une correction automatique des coefficients KXry élaborée de manière à faire coïncider au mieux les deux échelles PDDa et PDDu. Essentiellement, cette correction consiste à ajouter aux coefficients KXjy un terme correcteur T fonction de l'écart entre PDDa et PDDu. Il est outre avantageux que T soit aussi fonction de l'écart entre les KX/y à corriger et les Kx<y+1 du domaine suivant DPDDay+1 de profondeur de décharge, ains_ que, éventuellement, de l'écart entre les KX/y+1 et les KX/y+2 des deux domaines DPDDay+1, DPDDay+2 suivants.
Ainsi, selon l'invention, la correction des coefficients κx,y peut être réalisée par le microprocesseur 1 de la façon suivante :
(10) K* X/y = Kχ,y + T
T étant par exemple égal à :
(11) T = k ΔPDD [ (Kχ,y+1-KX(y) + (KX(y+2-KX(y+1)]
k étant une constante choisie par exemple égale à 0.1,
ΔPDD représentant l'écart entre PDDu et PDDa (exprimés ici en pourcentage) . Bien entendu, la correction est effectuée ligne par ligne dans le tableau 1, c'est-à-dire par domaines de courant DIX.
Par ailleurs, pour la correction des Kx<y de l'avant-dernier domaine DPDDay, le terme correcteur T s'écrira :
(12) T = k ΔPDD [(KXfy+1-Kx>y) ]
et pour la correction des KX/Y du dernier domaine DPDDav : (13) T = k ΔPDD
Une fois les coefficients Kx<y corrigés, les coefficients K X(y sont à leur tour corrigés, de la même manière.
Bien entendu, les solutions et méthodes proposées dans la présente description pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention ne sont données qu'à titre d'exemple. Elles reflètent l'état actuel des connaissances de la demanderesse et sont susceptibles de modifications .
Exemple d'organigramme de programmation La figure 4 donne un exemple d'organigramme de programmation du microprocesseur 1 pour la réalisation d'un microcycle de calcul selon le procédé de l'invention, comprenant des étapes de calcul de PDDa, d'estimation de PDDu, de comparaison de PDDa et PDDu et de correction éventuelle des coefficients Kx<y et K x,y L'organigramme de la figure 4 représente les étapes essentielles du procédé de l'invention, les détails de mise en oeuvre de ces étapes ayant été décrits précédemment. On y trouve 14 étapes, référencées 40 à 66. Etape 40 : le microprocesseur 1 mesure de la tension moyenne U aux bornes de la batterie 6 et le courant moyen I débité ou reçu par la batterie.
Etape 42 : le microprocesseur 1 choisit un coefficient Kx y ou K X/y (tableau 1 ou tableau 2 décrits plus haut) en fonction du signe du courant I, de la valeur du courant I et de la profondeur de décharge PDDa calculé au microcycle précédent, de rang i-1, i représentant le rang du microcycle en cours.
Etape 44 : le microprocesseur 1 calcule la variation de charge de la batterie : ( 14 ) ΔCi = KX / Y I Δt
ou (selon le signe du courant) :
(15) ΔCi = K'x>y I Δt
Δt étant la durée du microcycle, choisie par exemple de 1 ' ordre de la dixième de seconde .
Etape 46 : le microprocesseur 1 calcule la nouvelle valeur Ci de la charge de la batterie, soit
(16) Ci = Ci.!- ΔCi
ci-ι étant la charge calculée au microcycle précédent. A noter que Ci peut être supérieure à C±-i si le microprocesseur 1 a choisi un coefficient K x,y à l'étape
44, les coefficients K X(y étant de signe négatif.
Etape 48 : le microprocesseur 1 calcule la profondeur de décharge PDDa de la batterie :
(17) PDDa = 100 [(Cref - Ci) /Cref]
Cref étant la charge de référence de la batterie.
Etape 50 : à partir des courbes de polarisation 10 à 19 (figure 2) et des valeurs U et I mesurées, le microprocesseur 1 estime la profondeur de décharge PDDu en recherchant la courbe 10 à 19 la plus proche du couple de valeurs {U, i}, comme proposé précédemment.
Etape 52 : le microprocesseur 1 détermine si PDDu a changé de domaine, c'est-à-dire si la courbe la plus proche trouvée à l'étape 50 du microcycle en cours n'est pas la même que la courbe la plus proche trouvée à l'étape 50 du microcycle précédent. Si PDDu a changé de domaine, le microprocesseur 1 va à l'étape 54 suivante. Sinon, il va à l'étape 66 décrite plus loin. Etape 54 : le microprocesseur 1 compare PDDa à PDDu en réalisant le test (9) déjà décrit :
(9) PDDu - PDDa > SX
le seuil SX étant ici choisi égal à 4%. Si le test est concluant, la valeur PDDa donnée par la méthode coulométrique est erronée et des coefficients KX/y et
K x>y doivent être corrigés, le microprocesseur 1 va à l'étape suivante 58. Sinon, il va à l'étape 66
Etape 58 : le microprocesseur 1 calcule les nouveaux termes K x y et K x#y selon la méthode proposée précédemment, pour le domaine de profondeur de décharge
DPDDay en cours, ainsi que le domaine suivant DPDDay+1 si ce domaine existe.
Etape 60 : le microprocesseur 1 refait le calcul de la variation de charge ΔCi de la batterie, c'est-à-dire calcule une valeur corrigée ΔC i de la même manière qu'à
* l'étape 44 mais avec les nouveaux coefficients K X(y ou K x,y :
(18) ΔC i = K x#y I Δt
ou (selon le signe du courant) :
(19) ΔC*i = K*' x<y I Δt
Etape 62 : le microprocesseur 1 calcule la nouvelle * valeur corrigée C i de la charge de la batterie, soit
(20) C*i = Ci.!- ΔC*i
Etape 64 : le microprocesseur 1 recalcule la profondeur de décharge PDDa de la batterie : (21) PDDa = 100 [(Cref - C i)/Cref]%
Etape 66 : le microprocesseur 1 affiche à l'utilisateur la profondeur de décharge calculée PDDa, au moyen de l'afficheur 9 (figure 1) , et retourne à l'étape
40 pour réaliser un nouveau -microcycle de calcul, de rang i+1.
On notera que l'étape de mesure 40 doit s'étendre sur la quasi totalité de la durée Δt du microcycle, de manière que le décompte des quantités d'électricité Qi ne soit pas entaché d'erreur. Les étapes 42 à 66 doivent donc être réalisées rapidement ou réalisées en temps partagé pendant l'exécution de l'étape 40 du microcycle suivant. Particularités de mise en oeuvre dans le cas d'une batterie de traction d'un véhicule automobile électrique
Le microcycle qui vient d'être décrit est répété indéfiniment depuis l'instant où le véhicule commence à être utilisé jusqu'au moment où il cesse de l'être. Au premier microcycle, le microprocesseur 1 doit disposer d'une valeur initiale de charge pour commencer le calcul itératif de la profondeur de décharge PDDa. Deux cas sont envisageables : i) si la batterie vient d'être entièrement recharg.ee, le microprocesseur 1 prend comme valeur initiale la charge de référence Cref de la batterie, par exemple 60 ampères-heures pour une batterie de 60 ampères-heures . ii) si la batterie n'a pas été rechargée, le microprocesseur 1 prend la valeur de charge Ci calculée au dernier microcycle de la dernière utilisation du véhicule, cette valeur Ci ayant été mise en mémoire.
Toutefois, il est possible dans le premier cas (i) que la batterie n'ait pas été entièrement rechargée et dans le deuxième cas (ii) qu'une chute brutale de la température extérieure se soit produite. Dans ces conditions, il est avantageux de prévoir une phase d'initialisation du procédé de l'invention au cours de laquelle le microprocesseur 1 fait un estimation de la profondeur de décharge PDDu par mesure de la tension U, en déduit une valeur de charge Co selon la relation suivante :
(22) C0 = Cref - (PDDu x Cref) /100
et vérifie ensuite que C0 correspond à Cref (cas i) ou à Ci mis en mémoire (cas ii) . Si les valeurs ne concordent pas, le microprocesseur 1 prendra Co comme valeur initiale de charge. Par ailleurs, lorsqu'un cycle de décharge de la batterie est terminé et que la batterie a été rechargée, la question se pose de savoir si l'on doit conserver les coefficients corrigés K X/y K X;y calculés par le microprocesseur au cours de l'ancien cycle de décharge ou si l'on doit reprendre les coefficients Kx<y, K X/Y initialement présents dans la mémoire programme 2. Si la cause qui a provoqué l'écart entre DPDDu et DPDDa et a conduit à la correction des coefficients Kx,y, K X/Y est une cause permanente, par exemple une défaillance de l'un des accumulateurs de la batterie, on aura intérêt à conserver les coefficients corrigés K x<y, K X(y. Si par contre l'écart entre DPDDu et DPDDa provenait d'une cause temporaire, par exemple une baisse de la température due à des conditions climatiques défavorables, on aura intérêt à les effacer. Pour résoudre ce problème, la présente invention propose de prévoir une solution du type auto-apprentissage : le microprocesseur 1 ne conserve pas, dans un premier temps, les coefficients corrigés K X(y, K x y. Puis, après plusieurs cycles de décharge de la batterie, si le microprocesseur constate qu'une correction des coefficients KX(y, K x>y originels doit être réalisée systématiquement, il remplace de façon définitive ces coefficients par des coefficients corrigés
* + '
K x,y< K χ,y• Enfin, on a vu que la détermination de la profondeur de décharge PDDu repose sur la-mesure de la tension U aux bornes de la batterie. Or, dans des conditions réelles de fonctionnement, il arrive qu'une batterie présente des baisses cit. tension aléatoires qui ne sont pas représentatives de sa profondeur de décharge. Pour pallier cet inconvénient, on pourra programmer le microprocesseur de manière que la correction des coefficients KX/y, K XfY ne soit effectuée qu'après avoir constaté pendant plusieurs microcycles un écart anormal entre la profondeur de décharge calculée PDDa et la profondeur estimée PDDu.
Dans ce qui précède, on a utilisé par commodité les notions de "profondeur de décharge" et de "domaines de profondeur de décharge" pour décrire la mise en oeuvre de l'invention. La profondeur de décharge étant directement fonction de la charge de la batterie (voir relations (6) et (17) ) on aurait pu tout aussi bien mettre en oeuvre la présente invention sans passer par un calcul de profondeur de décharge, et utilisant des notions du type "charge estimée", "charge calculée", "domaines de charge calculée", "domaine de charge estimée", etc. Ainsi, les notions de "profondeur de décharge" et de "domaines de profondeur de décharge" ne devront pas être considérés comme des éléments nécessaires et essentiels à la présente invention, mais comme des éléments permettant simplement d'appréhender l'état de charge d'une batterie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour déterminer la profondeur de décharge (PDDa) d'une batterie comprenant les opérations cycliques consistant à :
- calculer la profondeur de décharge (PDDa) de la batterie en faisant le -décompte des quantités- d'électricité (Qi) émises par la batterie et en appliquant à chaque quantité d'électricité (Qi) un coefficient de rendement (KXfy,K X(y) choisi parmi une pluralité de coefficients de rendement (KX/y/K X/y) prédéterminés expérimentalement,
- estimer la profondeur de décharge (PDDu) de la batterie à partir d'une mesure de la tension (U) de la batterie et du courant (I) traversant la batterie,
- comparer la profondeur de décharge calculée (PDDa) à la profondeur de décharge estimée (PDDu) , et quand l'écart entre la profondeur de décharge calculée (PDDa) et la profondeur de décharge estimée
(PDDu) est supérieur à un seuil prédéterminé (SX) , corriger au moins une partie des coefficients de rendement (KX(y,K X(y) de ladite pluralité de coefficients de rendement (KX/y K X/y) de manière que la profondeur de décharge calculée (PDDa) tende à se rapprocher de la profondeur de décharge estimée (PDDu) , la profondeur de décharge calculée (PDDa) constituant le résultat du procédé.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits coefficients de rendement (Kx<y,K X/y) sont prédéterminés expérimentalement en fonction uniquement de deux paramètres, lesdits paramètres étant le courant (I) traversant la batterie et la profondeur de décharge (PDDa) de la batterie.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, quand l'écart entre la profondeur de décharge calculée (PDDa) et la profondeur de décharge estimée (PDDu) est supérieur audit seuil prédéterminé (SX) , il est prévu de corriger au moins les coefficients de rendement (KX/y,K X/y) du domaine (DPDDay) de profondeur de décharge (PDDa) dans lequel se trouve la batterie et les coefficients de rendement (KX)y+1, K X,y+ι) du domaine suivant (DPDDay+1) de profondeur de décharge (PDDa) .
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite correction des coefficients de rendement (KX/j,K X/j) comprend une étape consistant à ajouter auxdits coefficients un terme correcteur (D fonction de l'écart entre la profondeur de décharge mesurée (PDDa) et la profondeur de décharge estimée (PDDu) .
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit terme correcteur (T) est au moins déterminé par le produit de :
- l'écart (ΔPDD) entre la profondeur de décharge mesurée (PDDa) et la profondeur de décharge estimée (PDDu) et de l'écart entre les coefficients de rendement (KX/y,K X/Y) auquel le terme correcteur (T) doit être appliqué et les coefficients de rendement (KXfy+ι,K x,y+ι) du domaine suivant de profondeur de décharge (DPDDay+1) .
6.. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit terme correcteur (D est en outre déterminé par le produit de :
- l'écart (ΔPDD) entre la profondeur de décharge mesurée (PDDa) et la profondeur de décharge estimée (PDDu) et l'écart entre les coefficients de rendement (κx,y+ι- κ χ,y+i' κχ,y+2 κ x,y+2) des deux domaines suivants de profondeur de décharge (DPDDay+ιιDPDDay+2) .
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la comparaison entre profondeur de
Figure imgf000033_0001
décharge calculée (PDDa) et la profondeur de décharge estimée (PDDu) est effectuée lorsque la profondeur de décharge estimée (PDDu) passe d'un domaine de profondeur de décharge (DPDDuz) à un autre (DPDDuz+1) .
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la comparaison entre la profondeur de décharge calculée (PDDa) et la profondeur de décharge estimée (PDDu) est effectuée lorsque la profondeur de décharge calculée (PDDa) passe d'un domaine de profondeur de décharge (DPDDuz) à un autre (DPDDuz+1) .
9. Procédé selon l'une des revendications l à 8, dans lequel, quand un courant (I) est susceptible d'être fourni occasionnellement à la batterie, la pluralité de ι coefficients de rendement (KX(y,K X/y) comprend des coefficients de rendement (K X/Y) applicables aux quantités d'électricité (Qi) reçues par la batterie et des coefficients de rendement (Kx,y) applicables aux quantités d'électricité (Qi) émises par la batterie.
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