WO2017072110A1 - Procede et dispositif de reajustement d'un etat de charge estime d'une batterie lithium - Google Patents

Procede et dispositif de reajustement d'un etat de charge estime d'une batterie lithium Download PDF

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WO2017072110A1
WO2017072110A1 PCT/EP2016/075662 EP2016075662W WO2017072110A1 WO 2017072110 A1 WO2017072110 A1 WO 2017072110A1 EP 2016075662 W EP2016075662 W EP 2016075662W WO 2017072110 A1 WO2017072110 A1 WO 2017072110A1
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WO
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battery
charge
state
during
temperature
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/075662
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English (en)
Inventor
Akram EDDAHECH
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]

Definitions

  • the invention relates to a method for readjusting an estimated state of charge of a lithium battery, in particular a lithium-ion battery, and an associated readjustment device.
  • Lithium batteries or accumulators in particular lithium-ion, lithium-ion-polymer or lithium-metal-polymer batteries, are widely used in the automotive field for the supply of electric or hybrid motor vehicles and in the field of electronics nomadic.
  • a lithium battery is associated with a control system, commonly called BMS (Battery Management System).
  • BMS Battery Management System
  • One of the tasks of the BMS is to estimate the state of charge of the battery, or state of charge (SOC).
  • the methods of the first type are based on a coulomb metric calculating the cumulative amperes-hours over time.
  • the methods of the second type exploit a curve of evolution of the empty voltage of the battery according to its state of charge.
  • Third type methods rely on more complex algorithms that exploit artificial intelligence techniques such as neural networks or Kalman filters. These methods use complex algorithms that require large processing and computation resources.
  • the present invention improves the situation.
  • the invention relates to a method for readjusting an estimated state of charge of a lithium battery, comprising the following steps:
  • the readjustment or recalibration of the estimated state of charge of the battery is based on the measurement of the temperature of the battery during the charging or discharging phase and on the identification of a particular thermal characteristic, associated with a known state of charge, in revolution of the measured temperature.
  • the method of the invention makes it possible to readjust the estimated state of charge in a manner that is simple, reliable and precise.
  • the detected thermal characteristic corresponds to a peak or a dip in the evolution of the temperature.
  • the detected thermal characteristic is one of the characteristics of the group comprising an initial endothermal end, a maximum exothermic peak and an intermediate endothermic cavity, after the end of the endothermic cavity. initial and prior to maximum peak exothermic, respectively associated in memory with states of charge equal to 10%, 60% and 30% with a precision less than or equal to 2%.
  • the detected thermal characteristic is one of the characteristics of the group comprising an initial thermal peak, an intermediate endothermic cavity and an endothermic end-of-discharge cavity, respectively associated in memory with load states equal to 75%, 50% and 15% with an accuracy of less than or equal to 2%.
  • it comprises a step of estimating the state of charge of the battery at an initial instantaneous current, before readjustment, and a step of identifying at least one next detectable thermal characteristic, among a plurality of stored thermal characteristics. , depending on the state of charge estimated at the initial current time.
  • a readjustment it is possible to position the estimated state of charge of the battery at the current time on a reference temperature profile of the battery (charging or discharging) and deduce therefrom next particular thermal characteristics, associated with known load states, detectable in the evolution of the measured temperature.
  • a plurality of thermal characteristics of the battery in charge or in discharge associated with known charge states are stored in memory.
  • data representative of a thermal signature of the battery during a charge or discharge are recorded in memory, said profile containing a plurality of characteristic points. associated with known charge states.
  • a derivative of the measured temperature is calculated and, in case of a change of sign of the derivative, a peak or a peak is detected in the evolution of the temperature.
  • the method comprises a test step for determining whether the battery is in charging or discharging phase.
  • the temperature of the battery is between 15 ° C and 50 ° C, in particular between 22 ° C and 28 ° C.
  • the invention also relates to a device for readjusting an estimated state of charge of a lithium battery, characterized in that it comprises:
  • a detection module during the evolution of the measured temperature, of a thermal characteristic associated in memory with a known state of charge
  • a memory for storing data representative of a thermal signature of the battery during a charge or a discharge, said profile containing a plurality of characteristic points associated with known charge states.
  • the invention also relates to a control system of a lithium battery, characterized in that it integrates the device for readjustment of an estimated charge state of said battery, as defined above.
  • the invention also relates to an electric or hybrid motor vehicle, comprising a lithium battery and a battery control system as just defined.
  • the invention finally relates to a nomadic device, comprising a lithium battery and a battery control system as just defined.
  • FIG. 1 represents the evolution of the temperature of a lithium-ion battery during a succession of test sequences each consisting of a pause phase, a discharge phase, a pause phase and a charging phase;
  • FIG. 2 represents the evolution of the temperature of a lithium-ion battery during a complete charge at 1 C;
  • FIG. 3 represents the evolution of the temperature of a lithium-ion battery during a complete discharge at 1 C;
  • FIG. 4 represents a flowchart of the steps of the readjustment method, according to a particular embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a functional block diagram of a readjustment device, according to a particular embodiment of the invention.
  • the method of the invention aims to readjust an estimated state of charge of a lithium battery 1, in this case the "SOC" (of the "State of Charge”). ).
  • SOC of the "State of Charge”
  • the SOC of a battery is expressed as a percentage. It is equal to 100% when the battery is fully charged and 0% when the battery is fully discharged.
  • the lithium battery 1 is LMO (Lithium Manganese Oxide) technology.
  • LMO Lithium Manganese Oxide
  • the invention could, however, apply to any other lithium battery technology.
  • the battery 1 is intended to electrically power a load 2.
  • charge is meant an element intended to consume the electrical energy supplied by the battery 1.
  • the load 2 is for example an electric motor of an electric or hybrid motor vehicle or a nomadic device (mobile phone, tablet, or other).
  • the method is here implemented during normal use of the battery, that is to say either while the battery 1 is connected to the load 2 for the purpose of supplying electrical energy, or while the battery 1 is connected to a power source to be recharged. It could however be implemented outside the normal use of the battery, for example during a diagnosis of the battery.
  • a BMS 3 Battery Management System
  • battery monitoring system is intended to control the battery 1 and monitor the state of different elements of the battery 1.
  • the BMS 3 includes a device 4 for estimating the SOC of the battery 1, for estimating the state of charge of the battery, and a device 5 for readjustment of the estimated state of charge.
  • SOC estimation is implemented by any known method. It is usually independent of the temperature of the battery. In particular, it is independent of the evolution of the temperature of the battery.
  • FIG. 1 shows the time evolution of the temperature T of a lithium battery during a test consisting in applying several successive sequences each comprising a pause phase, a complete charging phase, a pause phase and a complete discharge phase.
  • the Battery temperature is initially equal to about 25 ° C.
  • the charging or discharging current is represented by the curve I.
  • the charging is carried out in CC / CV mode (Constant Current / Constant Voltage) meaning the current at the same time. phase CC being constant.
  • the discharge is carried out at constant current. It can be observed in this FIG. 1 that the temperature T varies according to the same first profile at each of the complete charges and according to the same second profile at each of the complete discharges. These first and second profiles are thermal signatures of the battery, respectively charge and discharge.
  • the method of readjusting the state of charge or estimated SOC of the battery 1 will now be described.
  • the method is implemented by the BMS 3 of the battery 1, and more particularly by the estimated state of charge readjustment device (SOC) (that is to say, an indicator representative of the state of charge of the battery, representing an estimate of this state of charge).
  • SOC estimated state of charge readjustment device
  • the method comprises a preliminary configuration step E0 in which a memory of the BMS 3 SOC read-out device 5 is stored in a memory 50:
  • SIG t h_DCH second data representative of a temperature profile, or thermal signature, of the battery 1 during a complete discharge
  • temperature profile or “thermal signature” mean the evolution of the temperature during a complete charge, or during a complete discharge, of the battery, here according to its state of charge .
  • the temperature profile could be represented as a function of time.
  • the current of "regime 1 C", or current 1 C is the current making it possible to discharge the nominal capacity Q of the battery in 1 hour.
  • the “xC regime” current is the current that the battery would provide in a 1 / x hour (s) number. It is equal to the product of x and Q, ie xQ and is expressed in A (amperes).
  • FIG. 2 shows the temperature profile, or thermal signature SIG t h_CHA, of the battery 1 during a complete charge, the initial temperature of the battery being equal to 25 ° C. and the charging being carried out in HI WHAT'S UP.
  • the load therefore comprises, in a known manner, a DC constant current charging phase followed, at the end of charging, with a charging phase CV (Constant Voltage). ) at constant voltage.
  • the charging current Icc during the phase CC is here equal to the speed current 1 C of the battery 1.
  • the charging regime could be between C / 3 and 1 C.
  • the end of charging current Icv during the CV phase is much lower, for example equal to the C / 20 regime.
  • FIG. 3 shows the temperature profile, or thermal signature SIG t h_DCH, of the battery 1 during a complete discharge, the initial temperature of the battery being equal to 25 ° C. and the discharge being carried out at current. constant.
  • the discharge current here is equal to the speed current 1 C of the battery 1.
  • the discharge regime could be between C / 3 and 1 C.
  • each temperature profile or thermal signature, SIG t h_CHA in charge and SIG t h_DCH in discharge, contains several characteristic points. These correspond to particular thermal characteristics, recognizable, identifiable in the evolution of the temperature of the battery 1, while charging or discharging the battery. These particular thermal characteristics are associated with particular, known charge states.
  • the temperature profile in load SIG t h_CHA contains:
  • a point P2 C ha representing an endothermic hollow intermediate of the temperature, subsequent to the end of the initial endothermic cavity and prior to the maximum exothermic peak.
  • P1 C ha, P2 C ha and P3 C ha are respectively associated in memory with known charge states equal to 1 0%, 30% and 60%, with an accuracy of less than or equal to 2%.
  • the discharge temperature profile SIG th _DCH contains:
  • a point P6 d ch representing an endothermic end-of-discharge trough.
  • These points P4 dC h, P5dch and P6dch are respectively associated in memory with load states equal to 75%, 50% and 1 5%, with an accuracy of less than or equal to 2%.
  • hollow and “peak” is meant a transition between two successive phases of thermal variation in opposite directions.
  • a “hollow” corresponds to a transition between a phase of lowering of the temperature followed by a phase of increase of the temperature.
  • a peak " corresponds to a transition between a temperature increase phase followed by a temperature decrease phase.
  • the configuration step E0 is advantageously implemented before the first use of the battery 1.
  • the process for readjusting the SOC comprises an initial test step E1 in order to determine whether the battery is either in the charging phase (test E10) or in the discharge phase (test E1 1), here between 22 ° C and 28 ° vs.
  • a temperature of between 15 ° C. and 50 ° C. could be envisaged. This temperature range (15-50 ° C) corresponds to that where the thermal signature is reliable. Outside this range, the particular thermal characteristics previously mentioned become difficult to detect in the temperature profiles in charge and in discharge.
  • the method here goes to a step E2 for estimating the state of charge of the battery 1, at an initial instant t 0 before readjustment.
  • SOC (to) is the current state of charge at time t 0 .
  • This step is implemented by the SOC estimation device 4 of the BMS 3. This makes it possible to position the value SOC (t 0 ) at the initial time t 0 on one of the temperature profiles represented in FIGS. and 3, depending on whether the battery 1 is in charging or discharging phase.
  • the readjustment device 5 determines, during a step E3, one or more next detectable thermal characteristics, among the particular thermal characteristics stored. For example, if it is detected that the battery 1 is charging and its current SOC is estimated at 40%, it is recognized that the maximum exothermic peak corresponding to a SOC of 60% (point P3 C ha) on the Figure 2 will be a next memorized thermal characteristic detectable in temperature evolution.
  • the readjustment device 5 triggers a step E4 of measuring the evolution of the temperature of the the battery 1 during the charging phase, or discharging, detected.
  • a temperature sensor 56 measures the temperature of the battery 1, for example on the surface thereof, with a sampling frequency F eC h for example between 1 and 1 0 Hz (this which corresponds to a measurement every x seconds, x being between 0.1 and 1 second).
  • the readjustment device 5 implements a detection step E5 in the evolution of the measured temperature of a thermal characteristic associated in memory with a known state of charge.
  • the readjustment device 5 seeks in real time to identify in the evolution of the measured temperature one of the previously mentioned thermal characteristics relating to the load (corresponding to the points P1 C ha, P2 C ha and P3 C ha) or discharge (corresponding to the points P4 dC h, P5dch and P6dch), depending on whether the battery 1 is charging or discharging phase.
  • the readjustment device 5 seeks to detect one or one of the next detectable thermal characteristics, as identified in step E3, in the evolution of the temperature.
  • One method for detecting a thermal peak or a thermal trough is to calculate the derivative of the temperature, to determine the sign and to detect a change of sign of this derivative.
  • a temperature dip is detected.
  • a peak of temperature is detected.
  • any other suitable detection method could be envisaged for detecting a thermal peak or dip in the evolution of the measured temperature.
  • the readjustment device 5 seeks to detect the intermediate endothermic hollow corresponding to the point P2 C ha and / or the maximum exothermic peak corresponding to point P3 C ha-
  • the readjustment device 5 seeks to detect the maximum exothermic peak corresponding to the point P3 C ha on the figure 2.
  • the current state of charge estimated by the BMS 3 at this instant t is readjusted or recalibrated according to the known state of charge associated with the detected thermal characteristic, during a step E6.
  • the state of charge SOC (t) is readjusted to:
  • the readjustment device 5 seek to detect either a hollow or a peak in the evolution of the temperature.
  • the readjustment device 5 seeks to detect the initial thermal peak corresponding to the point P4 dC h and / or the intermediate endothermic hollow corresponding to the point P5 d ch and / or the endothermic end-of-charge trough corresponding to the point P6dsh-
  • the readjustment device 5 seeks to detect the intermediate endothermic hollow corresponding to the point P5 d ch and / or the Endothermic end-of-charge trough corresponding to point P6 dC h-
  • the readjustment device 5 seeks to detect the endothermic end-of-charge pit corresponding to the point P 6 d C h in Figure 3.
  • the current state of charge estimated by the BMS at this instant t is readjusted as a function of the known state of charge associated with the detected thermal characteristic.
  • the state of charge SOC (t) is readjusted to:
  • step E6 the readjustment device 5 transmits in real time a readjustment command of the state of charge estimation device 4, containing the readiness state SOC (t) readjusted.
  • the steps E2 and following can be implemented at any time during a charge or discharge phase of the battery 1, on command of the readjustment device 5.
  • the device 5 for readjusting the state of charge of the battery comprises the following elements:
  • a memory 50 for storing the thermal signatures of the battery 1 charge (GIS th _CHA) and discharge (SHS _DCH h);
  • a configuration module 51 intended to implement the configuration step E0;
  • test module 52 intended to detect whether the battery 1 is in the charging or discharging phase, and able to implement the step E1;
  • a driver (or driver) 55 for a battery temperature sensor 56 intended to control the operation of the sensor 56, and a memory 57 for recording the measured temperature data;
  • a detection module 58 intended to detect a particular thermal characteristic associated in memory 50 with a state of charge known in the evolution of the measured temperature of the battery 1, able to implement step E5;
  • the memory 50 contains:
  • the invention also relates to a control system of a lithium battery, or BMS 3, incorporating the readjustment device as just described.
  • the invention further relates to
  • an electric or hybrid motor vehicle comprising a lithium battery and such a system for controlling the battery;
  • a nomadic device comprising a lithium battery and such a system for controlling the battery.

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Abstract

Le procédé comprenant les étapes suivantes : • Mesure de l'évolution de la température de la batterie (1) au cours d'une phase de charge ou de décharge de la batterie (1); • Détection, au cours de l'évolution de la température mesurée, d'une caractéristique thermique associée en mémoire à un état de charge connu; • Réajustement de l'état de charge estimé de la batterie en fonction de l'état de charge connu associé à la caractéristique thermique détectée.

Description

Titre : PROCEDE ET DISPOSITIF DE REAJUSTEMENT D'UN ETAT DE CHARGE ESTIME D'UNE BATTERIE LITHIUM
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un procédé de réajustement d'un état de charge estimé d'une batterie lithium, notamment d'une batterie lithium-ion, et d'un dispositif de réajustement associé. État de la technique
Les batteries ou accumulateurs lithium, notamment les batteries lithium- ion, lithium-ion-polymère ou lithium-métal-polymère, sont largement utilisées dans le domaine automobile pour l'alimentation des véhicules automobiles électriques ou hybrides et dans le domaine de l'électronique nomade.
Une batterie lithium est associée à un système de contrôle, couramment appelé BMS (de l'anglais « Battery Management System »). L'une des tâches du BMS est d'estimer le niveau de charge de la batterie, ou état de charge ou SOC (de l'anglais « State of Charge »).
Il existe principalement trois types de méthodes d'estimation de l'état de charge ou SOC d'une batterie. Les méthodes du premier type sont basées sur un comptage coulomb métrique calculant le cumul des Ampères-heures au cours du temps.
Les méthodes du deuxième type exploitent une courbe d'évolution de la tension à vide de la batterie en fonction de son état de charge.
Un problème de l'estimation de l'état de charge selon ces méthodes réside dans le fait qu'elles intègrent une erreur liée au cumul de l'offset du courant. Pour s'affranchir de cette erreur, il est connu de réajuster, ou de « recaler », l'état de charge lorsque la batterie est soit totalement chargée (SOC=100%), soit totalement déchargée (SOC=0%). Or, en usage, si on applique à la batterie des charges ou des décharges intermédiaires, sans passer par un SOC de 100% ou de 0%, l'erreur d'estimation du SOC n'est pas corrigée et s'amplifie au fil des charges et des décharges. Une telle situation peut se produire du fait du comportement de l'utilisateur de la batterie ou en raison d'un profil d'usage imposé de la batterie n'autorisant pas les SOC limites de 0% et de 100%, comme c'est le cas dans les véhicules électriques ou hybrides.
Les méthodes du troisième type reposent sur des algorithmes plus complexes qui exploitent des techniques d'intelligence artificielle telles que les réseaux de neurones ou des filtres de Kalman. Ces méthodes utilisent des algorithmes complexes qui nécessitent d'importantes ressources de traitement et de calcul.
La présente invention vient améliorer la situation.
Objet de l'invention
A cet effet, l'invention concerne un procédé de réajustement d'un état de charge estimé d'une batterie lithium, comprenant les étapes suivantes :
• Mesure de l'évolution de la température de la batterie au cours d'une phase de charge ou de décharge de la batterie ;
· Détection, au cours de l'évolution de la température mesurée, d'une caractéristique thermique associée en mémoire à un état de charge connu ;
• Réajustement de l'état de charge estimé de la batterie en fonction de l'état de charge connu associé à la caractéristique thermique détectée. Le réajustement ou recalage de l'état de charge estimé de la batterie (c'est-à-dire d'un indicateur de l'état de charge de la batterie correspondant à une estimation de celui-ci) est basée sur la mesure de la température de la batterie en phase de charge ou de décharge et sur l'identification d'une caractéristique thermique particulière, associée à un état de charge connu, dans révolution de la température mesurée. Le procédé de l'invention permet de réajuster l'état de charge estimé de façon à la fois simple, fiable et précise.
Avantageusement, la caractéristique thermique détectée correspond à un pic ou à un creux dans l'évolution de la température.
Au cours d'une charge ou d'une décharge, des réactions réversibles se déroulent au sein de la batterie. Ces réactions s'accompagnent de changements du coefficient d'entropie de la batterie, qui influent sur sa température. Ces changements s'effectuent à des états de charge particuliers. Ainsi, l'identification d'un pic de température (ou pic exothermique) ou d'un creux de température (ou creux endothermique) dans l'évolution de la température en charge ou en décharge, permet de détecter ces changements qui sont associés à ces états de charge particuliers.
Dans un mode de réalisation particulier, lors d'une charge, la caractéristique thermique détectée est l'une des caractéristiques du groupe comportant une fin de creux endothermique initial, un pic exothermique maximal et un creux endothermique intermédiaire, postérieure à la fin du creux endothermique initial et antérieure au pic exothermique maximal, respectivement associés en mémoire à des états de charge égaux à 10%, 60% et 30% avec une précision inférieure ou égale à 2%..
Dans un autre mode de réalisation particulier, lors d'une décharge, la caractéristique thermique détectée est l'une des caractéristiques du groupe comportant un pic thermique initial, un creux endothermique intermédiaire et un creux endothermique de fin de décharge, respectivement associés en mémoire à des états de charge égaux à 75%, 50% et 15% avec une précision inférieure ou égale à 2%.
Avantageusement, il comprend une étape d'estimation de l'état de charge de la batterie à un instant courant initial, avant réajustement, et une étape d'identification d'au moins une prochaine caractéristique thermique détectable, parmi une pluralité de caractéristiques thermiques mémorisées, en fonction de l'état de charge estimé à l'instant courant initial. Grâce à cela, avant de déclencher un réajustement, on peut positionner l'état de charge estimé de la batterie à l'instant courant sur un profil de température de référence de la batterie (en charge ou en décharge) et en déduire la ou les prochaines caractéristiques thermiques particulières, associées à des états de charge connus, détectables dans évolution de la température mesurée. Dans un mode de réalisation particulier, lors d'une étape de configuration, on enregistre en mémoire une pluralité de caractéristiques thermiques de la batterie en charge ou en décharge, associées à des états de charge connus.
Dans un autre mode de réalisation particulier, lors d'une étape de configuration, on enregistre en mémoire des données représentatives d'une signature thermique de la batterie lors d'une charge ou d'une décharge, ledit profil contenant une pluralité de points caractéristiques associés à des états de charge connus. Avantageusement, on calcule une dérivée de la température mesurée et, en cas de changement de signe de la dérivée, on détecte un creux ou un pic dans évolution de la température.
Avantageusement encore, le procédé comprend une étape de test pour déterminer si la batterie est en phase de charge ou de décharge. Dans ce cas, lors de l'étape de test, on vérifie que la température de la batterie est comprise en entre 15°C et 50°C, notamment entre 22°C et 28°C. L'invention concerne aussi un dispositif de réajustement d'un état de charge estimé d'une batterie lithium, caractérisé en ce qu'il comprend :
• un module de mesure de l'évolution de la température de la batterie au cours d'une phase de charge ou de décharge de la batterie ;
• un module de détection, au cours de l'évolution de la température mesurée, d'une caractéristique thermique associée en mémoire à un état de charge connu ;
• un module de réajustement de l'état de charge estimé de la batterie en fonction de l'état de charge connu associé à la caractéristique thermique détectée.
Le dispositif comprend avantageusement tout ou partie des caractéristiques additionnelles suivantes :
· un module d'obtention d'un état de charge estimé de la batterie à un instant courant initial et une étape d'identification d'au moins une prochaine caractéristique thermique détectable, parmi une pluralité de caractéristiques thermiques mémorisées, en fonction de l'état de charge estimé à l'instant courant initial ;
· une mémoire de stockage d'une pluralité de caractéristiques thermiques de la batterie en charge ou en décharge, associées à des états de charge connus ;
• une mémoire de stockage de données représentatives d'une signature thermique de la batterie lors d'une charge ou d'une décharge, ledit profil contenant une pluralité de points caractéristiques associés à des états de charge connus.
L'invention concerne aussi un système de contrôle d'une batterie lithium, caractérisé en ce qu'il intègre le dispositif de réajustement d'un état de charge estimé de ladite batterie, tel que défini ci-dessus. L'invention concerne encore un véhicule automobile électrique ou hybride, comprenant une batterie lithium et un système de contrôle de la batterie tel qu'il vient d'être défini. L'invention concerne enfin un dispositif nomade, comprenant une batterie lithium et un système de contrôle de la batterie tel qu'il vient d'être défini.
Description sommaire des dessins L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un procédé et d'un dispositif de réajustement d'un état de charge estimé d'une batterie lithium selon un mode de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 représente l'évolution de la température d'une batterie lithium-ion lors d'une succession de séquences de test constituée chacune d'une phase de pause, d'une phase de décharge, une phase de pause et d'une phase de charge ;
- La figure 2 représente l'évolution de la température d'une batterie lithium-ion lors d'une charge complète à 1 C ;
- La figure 3 représente l'évolution de la température d'une batterie lithium-ion lors d'une décharge complète à 1 C ;
- La figure 4 représente un organigramme des étapes du procédé de réajustement, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
- La figure 5 représente un schéma bloc fonctionnel d'un dispositif de réajustement, selon une forme de réalisation particulière de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention Le procédé de l'invention vise à réajuster un état de charge estimé d'une batterie lithium 1 , en l'espèce le « SOC » (de l'anglais « State Of Charge »). Le SOC d'une batterie est exprimé en pourcentage. Il est égal à 100% lorsque la batterie est complètement chargée et à 0% lorsque la batterie est totalement déchargée.
Dans l'exemple de réalisation décrit ici, la batterie lithium 1 est de technologie LMO (Lithium Manganèse Oxyde). L'invention pourrait toutefois s'appliquer à toute autre technologie de batterie lithium.
La batterie 1 est destinée à alimenter électriquement une charge 2. Par le terme « charge » on entend désigner un élément destiné à consommer l'énergie électrique fournie par la batterie 1 . La charge 2 est par exemple un moteur électrique d'un véhicule automobile électrique ou hybride ou bien un dispositif nomade (téléphone mobile, tablette, ou autre). Le procédé est ici mis en œuvre durant une utilisation normale de la batterie, c'est-à-dire soit pendant que la batterie 1 est connectée à la charge 2 aux fins de l'alimenter en énergie électrique, soit pendant que la batterie 1 est reliée à une source d'alimentation électrique pour être rechargée. Il pourrait toutefois être mis en œuvre en dehors du cadre d'utilisation normale de la batterie, par exemple lors d'un diagnostic de la batterie. Un BMS 3 (de l'anglais « Battery Management System »), ou système de contrôle de batterie, est destiné à contrôler la batterie 1 et à surveiller l'état de différents éléments de la batterie 1 . Le BMS 3 intègre notamment un dispositif 4 d'estimation du SOC de la batterie 1 , destiné à estimer l'état de charge de la batterie, et un dispositif 5 de réajustement de l'état de charge estimé. L'estimation du SOC est mise en œuvre par toute méthode connue. Elle est généralement indépendante de la température de la batterie. Elle est notamment indépendante de l'évolution de la température de la batterie.
Sur la figure 1 , on a représenté l'évolution temporelle de la température T d'une batterie lithium lors d'un test consistant à appliquer plusieurs séquences successives comportant chacune une phase de pause, une phase de charge complète, une phase de pause et une phase de décharge complète. La température de la batterie est initialement égale à environ 25°C. Le courant de charge ou de décharge est représenté par la courbe I. La charge est réalisée en mode CC/CV (de l'anglais « Constant Current / Constant Voltage » signifiant « Courant Constant / Tension Constante »), le courant lors de la phase CC étant constant. La décharge est réalisée à courant constant. On observe sur cette figure 1 que la température T évolue selon un même premier profil à chacune des charges complètes et selon un même second profil à chacune des décharges complètes. Ces premier et second profils constituent des signatures thermiques de la batterie, respectivement en charge et en décharge.
En référence à la figure 4, on va maintenant décrire le procédé de réajustement de l'état de charge ou SOC estimé de la batterie 1 selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Le procédé est mis en œuvre par le BMS 3 de la batterie 1 , et plus particulièrement par le dispositif 5 de réajustement de l'état de charge (SOC) estimé (c'est-à-dire d'un indicateur représentatif de l'état de charge de la batterie, représentant une estimation de cet état de charge).
Le procédé comprend une étape préalable de configuration E0 lors de laquelle on enregistre dans une mémoire 50 du dispositif 5 de réajustement du SOC du BMS 3 :
- des premières données représentatives d'un profil de température, ou signature thermique, de la batterie 1 lors d'une charge complète, noté SIGth_CHA, et
- des deuxièmes données représentatives d'un profil de température, ou signature thermique, de la batterie 1 lors d'une décharge complète, noté SIGth_DCH, ici en fonction de son état de charge.
Par les expressions « profil de température » ou « signature thermique », on entend désigner l'évolution de la température lors d'une charge complète, ou lors d'une décharge complète, de la batterie, ici en fonction de son état de charge. En variante, le profil de température pourrait être représenté en fonction du temps. Notons ici que le courant de « régime 1 C », ou courant 1 C, est le courant permettant de décharger la capacité nominale Q de la batterie en 1 heure. Le courant de « régime xC » est le courant que fournirait la batterie en un nombre 1/x d'heure(s). Il est égal au produit de x et de Q, soit x.Q et est exprimé en A (ampères).
Sur la figure 2, on a représenté le profil de température, ou signature thermique SIGth_CHA, de la batterie 1 lors d'une charge complète, la température initiale de la batterie étant égale à 25°C et la charge étant réalisée en mode CC/CV. La charge comprend donc, de façon connue, une phase de charge CC (de l'anglais « Constant Current ») à courant constant suivie, en fin de charge, d'une phase de charge CV (de l'anglais « Constant Voltage ») à tension constante. Le courant de charge Icc durant la phase CC est ici égal au courant de régime 1 C de la batterie 1 . En variante, le régime de charge pourrait être compris entre C/3 et 1 C. Le courant de fin de charge Icv pendant la phase CV est beaucoup plus faible, par exemple égal au régime C/20.
Sur la figure 3, on a représenté le profil de température, ou signature thermique SIGth_DCH, de la batterie 1 lors d'une décharge complète, la température initiale de la batterie étant égale à 25°C et la décharge étant réalisée à courant constant. Le courant de décharge est ici égal au courant de régime 1 C de la batterie 1 . En variante, le régime de décharge pourrait être compris entre C/3 et 1 C.
On notera que, sur les figures 2 et 3, on a représenté uniquement les variations de température de la batterie par rapport à sa température initiale lors d'une charge et lors d'une décharge, respectivement. Chaque profil de température ou signature thermique, SIGth_CHA en charge et SIGth_DCH en décharge, contient plusieurs points caractéristiques. Ceux-ci correspondent à des caractéristiques thermiques particulières, reconnaissables, identifiables dans l'évolution de la température de la batterie 1 , en cours de charge ou de décharge de la batterie. Ces caractéristiques thermiques particulières sont associées à des états de charge particuliers, connus.
En référence à la figure 2, le profil de température en charge SIGth_CHA contient :
- un point P1 Cha représentant une fin de creux endothermique initial,
- un point P3Cha représentant un pic exothermique maximal et
- un point P2Cha représentant un creux endothermique intermédiaire de la température, postérieure à la fin du creux endothermique initial et antérieure au pic exothermique maximal.
Ces points P1 Cha, P2Cha et P3Cha sont respectivement associés en mémoire à des états de charge connus égaux à 1 0%, 30% et 60%, avec une précision inférieure ou égale à 2%.
En référence à la figure 3, le profil de température en décharge SIGth_DCH contient :
- un point P4dCh représentant un pic thermique initial,
- un point P5dch représentant un creux endothermique intermédiaire et
- un point P6dch représentant un creux endothermique de fin de décharge. Ces points P4dCh, P5dch et P6dch sont respectivement associés en mémoire à des états de charge égaux à 75%, 50% et 1 5%, avec une précision inférieure ou égale à 2%.
Par les termes « creux » et « pic », on entend désigner une transition entre deux phases successives de variation thermique en sens opposés. Un « creux » correspond à une transition entre une phase de baisse de la température suivie d'une phase d'augmentation de la température. Un « pic » correspond à une transition entre une phase d'augmentation de la température suivie d'une phase de baisse de la température.
En variante, on pourrait enregistrer en mémoire seulement les caractéristiques thermiques respectives relatives aux points P1 Cha, P2Cha et P3Cha, pour la charge, et aux points P4dCh, P5dCh et P6dCh, pour la décharge, et leurs états de charge correspondants connus.
L'étape de configuration E0 est avantageusement mise en œuvre avant la première utilisation de la batterie 1 .
Le procédé de réajustement du SOC comprend une étape initiale de test E1 afin de déterminer si la batterie est soit en phase de charge (test E10), soit en phase de décharge (test E1 1 ), ici comprise entre 22°C et 28°C. On pourrait toutefois envisager une température comprise entre 15°C et 50°C. Cette plage de températures (15-50°C) correspond à celle où la signature thermique est fiable. En dehors de cette plage, les caractéristiques thermiques particulières précédemment mentionnées deviennent difficilement détectables dans les profils de température en charge et en décharge.
Si l'un des deux tests E10, E1 1 est positif, autrement dit s'il a été détecté que la batterie 1 est soit en phase de charge, soit en phase de décharge, et à une température comprise entre 22°C et 28°C, le procédé passe ici à une étape E2 d'estimation de l'état de charge de la batterie 1 , à un instant courant initial t0 avant réajustement. On note SOC(to) cet état de charge courant à l'instant t0. Cette étape est mise en œuvre par le dispositif 4 d'estimation du SOC du BMS 3. Cela permet de positionner la valeur SOC(t0) à l'instant initial t0 sur l'un des profils de température représentés sur les figures 2 et 3, selon que la batterie 1 est en phase de charge ou de décharge.
A partir de la valeur courante SOC(t0) estimée à l'étape E2 et selon que la batterie 1 est en phase de charge ou de décharge, le dispositif de réajustement 5 détermine, lors d'une étape E3, une ou plusieurs prochaines caractéristiques thermiques détectables, parmi les caractéristiques thermiques particulières mémorisées. Par exemple, s'il est détecté que la batterie 1 est en phase de charge et que son SOC courant est estimé à 40%, on identifie que le pic exothermique maximal correspondant à un SOC de 60% (point P3Cha) sur la figure 2 sera une prochaine caractéristique thermique mémorisée détectable dans évolution de la température.
Par ailleurs, s'il a été détecté que la batterie 1 est en phase de charge ou de décharge (test E1 0 ou E1 1 positif), le dispositif de réajustement 5 déclenche une étape E4 de mesure de l'évolution de la température de la batterie 1 au cours de la phase de charge, ou de décharge, détectée. Lors de l'étape E4, un capteur de température 56 mesure la température de la batterie 1 , par exemple à la surface de celle-ci, avec une fréquence d'échantillonnage FeCh par exemple comprise entre 1 et 1 0 Hz (ce qui correspond à une mesure toutes les x secondes, x étant compris entre 0,1 et 1 seconde).
Parallèlement à l'étape E4, en temps réel, le dispositif de réajustement 5 met en œuvre une étape E5 de détection dans l'évolution de la température mesurée d'une caractéristique thermique associée en mémoire à un état de charge connu. Lors de cette étape E5, le dispositif de réajustement 5 cherche en temps réel à identifier dans l'évolution de la température mesurée l'une des caractéristiques thermiques précédemment mentionnées relatives à la charge (correspondant aux points P1 Cha, P2Cha et P3Cha) ou à la décharge (correspondant aux points P4dCh, P5dch et P6dch), selon que la batterie 1 est en phase de charge ou de décharge. Selon le mode de réalisation décrit ici, le dispositif de réajustement 5 cherche à détecter la ou l'une des prochaines caractéristiques thermiques détectables, telles qu'identifiées lors de l'étape E3, dans l'évolution de la température.
Supposons que la batterie 1 est en phase de charge. Lorsque l'état de charge courant SOC(to) détecté lors de l'étape E2 est égal à 0%, le début de la charge s'accompagne d'une baisse initiale de la température de la batterie 1 avant une augmentation de celle-ci. Sur la figure 2, ce phénomène est illustré par un creux endothermique initial. La fin du creux endothermique (point P1 Cha) correspond à un retour à la température initiale de la batterie 1 . Dans ce cas, le dispositif de réajustement 5 cherche à détecter un retour à la température de départ de la batterie 1 . Cette caractéristique thermique correspond en mémoire à un SOC de 10%. Dans les autres cas, c'est-à-dire lorsque l'état de charge ou SOC courant détecté lors de l'étape E2 est supérieur à 0%, le dispositif de réajustement 5 chercher à détecter soit un creux, soit un pic dans l'évolution de la température.
Une méthode pour détecter un pic thermique ou un creux thermique consiste à calculer la dérivée de la température, à en déterminer le signe et à détecter un changement de signe de cette dérivée. Lorsque le signe de la dérivée passe du négatif au positif, on détecte un creux de température. Lorsque le signe de la dérivée passe du positif au négatif, on détecte un pic de température. On pourrait toutefois envisager toute autre méthode de détection adéquate pour détecter un pic ou un creux thermique dans l'évolution de la température mesurée.
Lorsque l'état de charge courant SOC(t0) détecté lors de l'étape E2 est inférieur à 30%, le dispositif de réajustement 5 cherche à détecter le creux endothermique intermédiaire correspondant au point P2Cha et/ou le pic exothermique maximal correspondant au point P3Cha-
Lorsque l'état de charge courant SOC(t0) détecté lors de l'étape E2 est supérieur à 30% et inférieur à 60%, le dispositif de réajustement 5 cherche à détecter le pic exothermique maximal correspondant au point P3Cha sur la figure 2. En cas de détection de l'une des caractéristiques thermiques particulières correspondant aux points P1 Cha, 2Cha et P3Cha à un instant t, l'état de charge courant estimé par le BMS 3 à cet instant t est réajusté ou recalé en fonction de l'état de charge connu associé à la caractéristique thermique détectée, lors d'une étape E6. Ainsi, l'état de charge SOC(t) est réajusté à :
- 1 0% en cas de détection de la fin du pic endothermique initial (correspondant au point P1 Cha) ;
- 30% en cas de détection du creux endothermique intermédiaire (correspondant au point P2Cha) ;
- 60% en cas de détection du pic exothermique maximal (correspondant au point P3Cha)-
Supposons maintenant que la batterie 1 est en phase de décharge. Dans ce cas, le dispositif de réajustement 5 chercher à détecter soit un creux, soit un pic dans l'évolution de la température.
Lorsque l'état de charge courant SOC(t0) détecté lors de l'étape E2 est supérieur à 75%, le dispositif de réajustement 5 cherche à détecter le pic thermique initial correspondant au point P4dCh et/ou le creux endothermique intermédiaire correspondant au point P5dch et/ou le creux endothermique de fin de charge correspondant au point P6dch-
Lorsque l'état de charge courant SOC(t0) détecté lors de l'étape E2 est compris entre 50% et 75%, le dispositif de réajustement 5 cherche à détecter le creux endothermique intermédiaire correspondant au point P5dch et/ou le creux endothermique de fin de charge correspondant au point P6dCh-
Lorsque l'état de charge courant SOC(t0) détecté lors de l'étape E2 est compris entre 50% et 1 5%, le dispositif de réajustement 5 cherche à détecter le creux endothermique de fin de charge correspondant au point P6dCh sur la figure 3. En cas de détection de l'une des caractéristiques thermiques particulières correspondant aux points P4dCh, P5dCh et P6dCh à un instant t, l'état de charge courant estimé par le BMS à cet instant t est réajusté en fonction de l'état de charge connu associé à la caractéristique thermique détectée. Ainsi, l'état de charge SOC(t) est réajusté à :
- 75% en cas de détection du pic thermique initial (correspondant au point P4dch) ;
- 50% en cas de détection du creux endothermique intermédiaire (correspondant au point P5dCh) ;
- 15% en cas de détection du creux endothermique de fin de charge (correspondant au point P6dCh).
Lors de l'étape E6, le dispositif de réajustement 5 transmet en temps réel une commande de réajustement du dispositif 4 d'estimation de l'état de charge, contenant l'état de charge courant SOC(t) réajusté.
Les étapes E2 et suivantes peuvent être mises en œuvre à tout instant pendant une phase de charge ou de décharge de la batterie 1 , sur commande du dispositif de réajustement 5.
En référence à la figure 5, le dispositif 5 de réajustement de l'état de charge de la batterie comprend les éléments suivants :
- une mémoire 50 de stockage des signatures thermiques, de la batterie 1 en charge (SIGth_CHA) et en décharge (SIGth_DCH) ;
- un module de configuration 51 , destiné à mettre en œuvre l'étape de configuration E0 ;
- un module de test 52, destiné à détecter si la batterie 1 est en phase de charge ou de décharge, et apte à mettre en œuvre l'étape E1 ;
- un module 53 d'obtention de l'état de charge courant de la batterie 1 estimé par le dispositif d'estimation 4 ; - un module 54 de détermination d'une ou plusieurs caractéristiques thermiques détectables à partir de l'état de charge courant estimé, apte à mettre en œuvre l'étape E3 ;
- un driver (ou pilote) 55 d'un capteur 56 de température de la batterie 1 , destiné à commander le fonctionnement du capteur 56, et une mémoire 57 d'enregistrement des données de température mesurées ;
- un module de détection 58 destiné à détecter une caractéristique thermique particulière associée en mémoire 50 à un état de charge connu dans l'évolution de la température mesurée de la batterie 1 , apte à mettre en œuvre l'étape E5 ;
- un module 59 de réajustement de l'état de charge de la batterie 1 estimé par le dispositif d'estimation 4, apte à mettre en œuvre l'étape E6. La mémoire 50 contient :
- les données de signature thermique de la batterie 1 lors d'une charge complète (SIGth_CHA) ;
- les données de signature thermique de la batterie 1 lors d'une décharge complète (SIGth_DCH),
- des caractéristiques thermiques particulières identifiables dans les signatures thermiques SIGth_CHA et SIGth_DCH et des états de charge associés connus, correspondant ici aux points P1 Cha, P2Cha,
P3cha, P4dch, P5dch ©t P6dch. L'invention concerne aussi un système de contrôle d'une batterie lithium, ou BMS 3, intégrant le dispositif de réajustement tel qu'il vient d'être décrit. L'invention concerne encore :
- un véhicule automobile électrique ou hybride, comprenant une batterie lithium et un tel système de contrôle de la batterie ;
- un dispositif nomade, comprenant une batterie lithium et un tel système de contrôle de la batterie.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de réajustement d'un état de charge estimé d'une batterie lithium (1 ), comprenant les étapes suivantes :
• Mesure (E4) de l'évolution de la température de la batterie (1 ) au cours d'une phase de charge ou de décharge de la batterie (1 ) ;
• Détection (E5), au cours de l'évolution de la température mesurée, d'une caractéristique thermique associée en mémoire à un état de charge connu ;
• Réajustement (E6) de l'état de charge estimé de la batterie en fonction de l'état de charge connu associé à la caractéristique thermique détectée.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la caractéristique thermique détectée correspond à un pic ou à un creux dans l'évolution de la température.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors d'une charge, la caractéristique thermique détectée est l'une des caractéristiques du groupe comportant une fin de creux endothermique initial (P1 cha), un pic exothermique maximal (P3Cha) et un creux endothermique intermédiaire (P2Cha), postérieure à la fin du creux endothermique initial et antérieure au pic exothermique maximal, respectivement associés en mémoire à des états de charge égaux à 1 0%, 60% et 30% avec une précision inférieure ou égale à 2%.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors d'une décharge, la caractéristique thermique détectée est l'une des caractéristiques du groupe comportant un pic thermique initial (P4dCh), un creux endothermique intermédiaire (P5dCh) et un creux endothermique de fin de décharge (P6dCh), respectivement associés en mémoire à des états de charge égaux à 75%, 50% et 15% avec une précision inférieure ou égale à 2%.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E2) d'estimation de l'état de charge de la batterie à un instant courant initial, avant réajustement, et une étape (E3) d'identification d'au moins une prochaine caractéristique thermique détectable, parmi une pluralité de caractéristiques thermiques mémorisées, en fonction de l'état de charge estimé à l'instant courant initial.
6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape (E2) d'estimation de l'état de charge de la batterie à un instant courant initial est indépendante de la mesure de la température de la batterie (1 ).
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors d'une étape de configuration (E0), on enregistre en mémoire une pluralité de caractéristiques thermiques de la batterie en charge ou en décharge, associées à des états de charge connus.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, lors d'une étape de configuration (EO), on enregistre en mémoire des données représentatives d'une signature thermique de la batterie lors d'une charge (SIGth_CHA) ou d'une décharge (SIGth_DCH), ledit profil contenant une pluralité de points caractéristiques associés à des états de charge connus.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on calcule une dérivée de la température mesurée et, en cas de changement de signe de la dérivée, on détecte un creux ou un pic dans l'évolution de la température.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de test (E1 ) pour déterminer si la batterie (1 ) est en phase de charge ou de décharge.
1 1 . Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de l'étape de test (E1 ), on vérifie que la température de la batterie est comprise en entre 15°C et 50°C, notamment entre 22°C et 28°C.
12. Dispositif de réajustement d'un état de charge estimé d'une batterie lithium (1 ), caractérisé en ce qu'il comprend :
• un module (55, 56, 57) de mesure de l'évolution de la température de la batterie (1 ) au cours d'une phase de charge ou de décharge de la batterie (1 ) ;
· un module (58) de détection, au cours de l'évolution de la température mesurée, d'une caractéristique thermique associée en mémoire à un état de charge connu ;
• un module (59) de réajustement de l'état de charge estimé de la batterie (1 ) en fonction de l'état de charge connu associé à la caractéristique thermique détectée.
13. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un module (53) d'obtention d'un état de charge estimé de la batterie à un instant courant initial et un module (54) d'identification d'au moins une prochaine caractéristique thermique détectable, parmi une pluralité de caractéristiques thermiques mémorisées, en fonction de l'état de charge estimé à l'instant courant initial.
14. Dispositif selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'il comprend une mémoire (50) de stockage d'une pluralité de caractéristiques thermiques de la batterie en charge ou en décharge, associées à des états de charge connus.
15. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une mémoire (50) de stockage de données représentatives d'une signature thermique de la batterie lors d'une charge ou d'une décharge, ledit profil contenant une pluralité de points caractéristiques associés à des états de charge connus.
16. Système de contrôle d'une batterie lithium, caractérisé en ce qu'il intègre un dispositif de réajustement d'un état de charge estimé de ladite batterie, selon l'une des revendications 12 à 15.
17. Véhicule automobile électrique ou hybride, comprenant une batterie lithium et un système de contrôle de la batterie selon la revendication 16.
18. Dispositif nomade, comprenant une batterie lithium et un système de contrôle de la batterie selon la revendication 1 6.
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EP0626746A1 (fr) * 1993-05-24 1994-11-30 Saft Procédé de contrôle de la charge d'accumulateurs étanches au nickel et chargeur utilisant ce procédé
EP0863599A1 (fr) * 1997-03-03 1998-09-09 Alcatel Procédé de charge d 'accumulateurs nickel-hydrure métallique sans maintenance

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