WO2019121756A1 - Procédé de gestion d'un état de charge d'une batterie laissée au repos - Google Patents

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WO2019121756A1
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battery
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losses
state
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Arnaud Delaille
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging

Definitions

  • the present invention relates to a method of managing a state of charge of a battery left at rest.
  • An uninterrupted power supply also known as UPS for Uninterruptible Power Supply
  • UPS Uninterruptible Power Supply
  • a device that has the function of supplying a load of electrical energy when the main supply of this load fails.
  • Such a device provides protection against power failure by supplying electrical energy stored for example in a rechargeable battery.
  • the battery has a so-called “non-cycling" operation, that is to say that it is neither charged nor discharged for prolonged periods.
  • the battery is left at rest.
  • the battery is supposed to take over for a while.
  • the battery is usually kept fully charged. However it is known that this way of proceeding has the consequence of causing premature aging and therefore a loss of capacity of the battery. It is therefore often necessary to replace the battery so that the device is still able to perform its role.
  • the document US2004 / 0066171 A1 describes a method for adjusting the state of charge of a battery equipping a mobile device such as a mobile phone, a laptop or a digital camera, depending on the use of the device. time of the user of the device. In particular, the battery is fully charged when a high need for autonomy is provided. Conversely, the battery is placed in a lower state of charge when it is intended to connect the device to an external power source.
  • the present invention aims to meet this need by proposing a method for managing a state of charge of a battery that is left at rest and experiencing losses of capacity over time, the management method comprising the following steps repeated at intervals. regular time:
  • the battery has a level of charge that allows the battery both to perform a certain function for a predetermined time and extend its life by not being maintained at full load.
  • the management method according to the invention may also comprise one or more of the following characteristics considered individually or in any technically possible combination.
  • the losses of capacity experienced by the battery are determined from a previous target value of the state of charge and a residual charge quantity present in the battery.
  • the step of determining the losses of capacity undergone by the battery comprises the following substeps
  • the quantity of residual charge present in the battery is measured during a first operation of a capacitance test and in that the maximum discharge capacity of the battery is measured during a second operation of the capacity test.
  • the capacitance test comprises successively a first phase of complete discharge of the battery, a phase of complete charge of the battery and a second phase of complete discharge of the battery, the amount of residual charge present in the battery being measured during the first phase of complete discharge of the battery and the maximum discharge capacity of the battery being measured during the second phase of complete discharge of the battery.
  • the battery has a faradic efficiency reaching substantially 100% and in that the capacitance test successively comprises a phase of complete discharge of the battery and a phase of complete charge of the battery, the amount of charge. residual in the battery being measured during the complete discharge phase of the battery and the maximum discharge capacity of the battery being measured during the full charge phase of the battery.
  • the management method further comprises a step of checking whether the battery has a maximum discharge capacity greater than or equal to a target charge amount corresponding to the target value of the charge state.
  • the target value of the state of charge is equal to the sum of the losses of capacity experienced by the battery and the predetermined minimum charge amount, divided by the maximum discharge capacity of the battery.
  • the capacity losses comprise reversible losses, the first part of which is due to a consumption current. delivered by the battery, the first part of the reversible losses being compensated between two stages of adjustment of the state of charge successive.
  • the compensation of the first part of the reversible losses is taken into account during the step of determining the losses of capacity.
  • the management method further comprises a step of measuring an operating temperature of the battery, an instantaneous discharge capacity of the battery being determined as a function of the operating temperature of the battery.
  • the target value of the state of charge is modified as a function of the instantaneous discharge capacity.
  • FIG. 1 is a functional representation of a method for managing a state of charge of a battery, according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically represents the state of the battery during different stages of the process of FIG. 1.
  • a battery is an electrical energy storage device that can be characterized in particular by two parameters, namely a state of health, also called SOH for "State of Health". , and a state of charge, also called SOC for "State Of Charge” in English.
  • the state of health is expressed as a percentage and corresponds to the ratio between the maximum discharge capacity Qmax and the nominal capacity Qo of the battery.
  • the maximum discharge capacity Qmax represents the amount of charge that the battery can provide when fully charged.
  • the nominal capacity Qo is the initial maximum discharge capacity of the battery, that is to say when the battery is new. The higher the maximum discharge capacity is close to the nominal capacity, the better the state of health of the battery.
  • the state of charge is expressed as a percentage and corresponds to the ratio between the quantity of charge Q (t) stored in the battery at a given instant t and the maximum discharge capacity Qmax of the battery (at this moment).
  • FIGS. 1 and 2 An embodiment of a method 100 for managing the state of charge of a battery 2 according to the invention will now be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the battery 2 is left for a long period of time, in particular in a non-zero state of charge. In other words, during this period, the battery 2 is not used to supply electrical energy.
  • the battery 2 is intended to deliver a predetermined amount of electrical energy to enable an electrical device to perform a function for a period of time.
  • the electrical device equipped with the battery can be an uninterrupted power supply, also called UPS for "Uninterruptible Power Supplies" in English, consisting of delivering power in case of failure of the main power system.
  • UPS Uninterruptible Power Supplies
  • BAES stand-alone emergency lighting unit
  • Extended duration is understood to mean a period during which battery 2 suffers capacity losses that can be quantified, the capacity losses being for example, greater than 1% of the state of charge of the battery 2. It should be noted that the capacity losses depend on the storage conditions of the battery 2, and in particular on the temperature, the state of charge and health status of the battery 2.
  • the battery 2 may be a lithium-ion (Li-ion) battery, a nickel-metal hydride (NiMH) battery, a lead-acid battery, a sodium-ion battery, a sodium-chloride battery nickel, or any other suitable battery.
  • Li-ion lithium-ion
  • NiMH nickel-metal hydride
  • lead-acid battery lithium-ion battery
  • sodium-ion battery sodium-chloride battery nickel
  • any other suitable battery any other suitable battery.
  • the management method 100 comprises a first step 1 10 of determining the losses of capacitance AQi experienced by the battery 2, a second step 120 of determining a target value SOCdbiej of the state of charge of the battery 2, in particular according to losses of capacity AQi suffered by the battery 2, and a third step 130 of adjustment of the state of charge of the battery 2 to the target value SOCdbiej.
  • the target value SOCdbiej of the state of charge is strictly less than 100%.
  • Steps 110, 120 and 130 of the management method 100 are repeated at regular intervals, ie periodically.
  • SOC the level of full charge
  • Capacity losses can be classified into two categories, irreversible losses and reversible losses. Irreversible capacity losses correspond to a decrease in the maximum discharge capacity of the battery 2. In other words, these are permanent losses of autonomy that can not be recovered by recharging the battery 2. Losses irreversible are due to the aging of the battery 2 and can be tracked through the health status parameter of the battery 2.
  • the reversible loss of capacity corresponds to a decrease in the amount of charge stored in the battery 2.
  • the reversible losses can therefore be recovered by recharging the battery 2.
  • the reversible losses can be monitored through the state of charge parameter. of the battery 2.
  • the reversible losses comprise a first part called "self discharge” and a second part corresponding to a consumption taken from the battery 2.
  • the self-discharge is due to electrochemical reactions that cause a decrease in the state of charge of the battery 2, even when the latter is not requested. Self-discharge can also be caused by electron transfer from one electrode to another due to manufacturing defects and / or electronic conductivity of the electrolyte.
  • the value of the self-discharge depends on the state of charge and the temperature of the battery 2. For example, the state of charge of a lithium-ion battery at a temperature of 30 ° C decreases. about 4%, respectively 8%, per month when the initial state of charge is of the order of 30% to 40%, respectively 100%. When the temperature of the lithium-ion battery is 45 ° C, the decrease in state of charge increases to about 8%, respectively 25%, for an initial state of charge of the order of 30% to 40%, respectively 100%
  • the consumption drawn from the battery 2 may be due to a leakage current, to a current supplying an electronic battery management device 2, also called BMS for "Battery Management System” in English, and / or to a current used in the framework of thermal management of the battery 2.
  • the thermal management consists of cooling or heating the battery in order to limit its aging.
  • the (total) capacity losses AQi are equal to the sum of the reversible capacity losses AQR ⁇ VJ and the irreversible capacity losses AQirrj undergone by the battery 2 during the last period of time T elapsed, in other words since the last iteration of steps 1 to 130 or from the origin (ie the first commissioning of the battery) when it is the first iteration of steps 1 to 130:
  • the first step 1 1 0 of the management method 1 00 then comprises a first one.
  • the irreversible capacity losses AQirrj undergone by the battery 2 between the step 1 10 of index i-1 and the step 1 10 index / can be calculated using the following equation: QlrrJ Qmax_i- 1 Qmax_i where Qmaxj-i is the maximum discharge capacity of the battery 2 during the step 110 index / -1 and Qmaxj is the maximum discharge capacity of the battery 2 when step 1 of index /.
  • Qmaxj-i is the maximum discharge capacity of the battery 2 during the step 110 index / -1
  • Qmaxj is the maximum discharge capacity of the battery 2 when step 1 of index /.
  • the maximum discharge capacity Qmax) of the battery 2 is equal to the nominal capacity Qo of the battery.
  • the first step 1 10 of the management method 100 includes a second sub-step 1 12 for determining capacity losses reversible AQR ⁇ V J undergone by the battery 2 during the last period of time T elapsed.
  • the residual charge amount QF1 ⁇ 2SJ is preferably measured during a first operation of a capacitance test.
  • This capacitance test comprises for example a first phase of complete discharge, followed by a full charge phase and a second complete discharge phase.
  • the amount of residual charge QROSJ is, for example, measured by integrating the current supplied by the battery 2 during the first full discharge phase of the capacitance test.
  • the maximum discharge capacity Qmaxj is preferably measured during a second operation of the capacitance test, for example by integrating the current supplied by the battery 2 during the second complete discharge phase.
  • the maximum discharge capacity Qmaxj of the battery 2 can be measured directly during the full charge phase following the first discharge phase. complete measurement to measure the amount of residual charge QR ⁇ SJ.
  • the measurement of the maximum discharge capacity Qmaxj is performed more rapidly, which reduces the time during which the battery 2 no longer performs its function.
  • the quantity of charge charged in the battery 2 is considered equivalent to the quantity of charge delivered. This is the case for example for lithium-ion batteries.
  • the target value SOCdbiej is defined so that the battery 2 has at the end of a period of time T (ie just before a further upgrade of the state of charge) a quantity of charge greater than or equal to one minimum quantity of charge Qmin necessary to perform the function of the electrical device associated with the battery 2 for the desired duration.
  • the target value SOCdbiej of the state of charge is determined in step 120 from the maximum discharge capacity Qmaxj of the battery 2, capacity losses (total) AQi determined in step 1 10 and the minimum charge quantity Qmin. More particularly, the target value SOCdbiej of the state of charge is determined from the maximum discharge capacity Qmaxj and the sum of the capacity losses AQi and the minimum charge quantity Qmin.
  • the target value SOCdbiej of the state of charge is preferably equal to the sum of the losses of capacity AQi and the minimum quantity of charge Qmin, divided by the maximum discharge capacity Qmaxj: Qi
  • the target charge quantity Qdbie is set greater than the sum of the capacity losses AQi and the minimum charge quantity Qmin. In other words, there is a margin of safety M when calculating the amount of target charge Qdbie. It is thus possible to ensure that the battery 2 is still able to fulfill its role.
  • the target charge quantity Qdbie is for example between 1 10% and 150% of the sum of the minimum charge quantity Qmin and the capacity losses AQi.
  • the minimum charge quantity Qmin is preferably constant from one iteration to the other of steps 1 to 130 of the management method 100.
  • the management method 100 is therefore based on the assumption that the losses (reversible and irreversible) incurred by the battery 2 during the time interval T situated between the iterations / and i + 1 of the steps 110 to 130 will be less than or equal to losses experienced by the battery 2 during the time interval T between the iterations / - 1 and / of the steps 1 to 130.
  • the amount of Qdbiej target charge gradually approaches the minimum charge amount Qmin, further improving the battery life.
  • the adjustment of the state of charge of the battery 2 to the target value SOCdbiej (third step 130 of the management method 100) is carried out either by charging the battery 2, when the capacitance test ends with a complete discharge phase either by discharging the battery 2, when the capacitance test ends with a complete charging phase. Charging or discharging is carried out until the target charge quantity Qdbiej corresponding to the target value SOCdbiej of the charging state is reached, and preferably at constant current.
  • the quantity charged (Qdbiej), respectively discharged (Qmaxj-Qdbiej), is measured by integrating the load current, respectively discharge.
  • the management method 100 includes a fourth step 140 of checking the ability of the battery 2 to store the target charge amount Qdbiej.
  • This step amounts to monitoring the state of health SOHi of the battery 2 which can be defined by the following equation:
  • This fourth verification step 140 is preferably performed between the second step 120 (determination of SOCdbiej) and the third step 130 (upgrade of the state of charge) of the management method 100.
  • this fourth verification step 140 is also performed periodically, preferably with the same period T as the first, second and third steps 110, 120, 130 of the management method 100.
  • the losses of capacity comprise a portion related to a consumption current supplied by the battery 2.
  • the consumption current can be considered constant.
  • the AQRév_ ⁇ nso share of capacity losses linked to this Iconso consumption current has a linear behavior in time t and can be defined by the following equation:
  • the losses of capacity AQRev_ ⁇ nso due to consumption can be compensated between two successive stages 130 of adjustment of the state of charge.
  • the losses of capacity AQRév_ ⁇ nso related to the consumption are generally relatively low, the consumption current Iconso being of the order of the micro -ampere. It may therefore be difficult to compensate for these capacity losses by means of a constant charging current which should be substantially equal to the Iconso consumption current.
  • the compensation for such losses can be made punctually and in several steps between two successive stages of adjustment of the state of charge. The charging current is then higher and therefore easier to provide to the battery 2.
  • the changes in the state of charge of the battery 2 which take place between the stages 130 of adjustment of the state of charge to the target value SOCdbiej are integrated progressively so as not to alter the calculation of capacity losses.
  • the operating temperature of the battery 2 when it is at rest is measured. It is thus possible to determine the instantaneous capacity of the battery 2, for example from charts giving the capacity of the battery 2 as a function of the discharge current and the temperature.
  • the target value SOCdbiej of the state of charge can then be modified according to the value of this instantaneous capacitance so that the function of the battery 2 is always ensured.
  • this consists of recharging the battery 2 when the operating temperature decreases and discharging the battery when the operating temperature increases.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de gestion d'un état de charge d'une batterie (2) laissée au repos et subissant des pertes de capacité au cours du temps, le procédé de gestion étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes répétées à intervalles de temps réguliers : − déterminer les pertes de capacité (∆Qi) subies par la batterie (2) pendant un intervalle de temps (T); − déterminer une valeur cible (SOCcible_i) de l'état de charge à partir des pertes de capacité (∆Qi) subies par la batterie (2), d'une quantité de charge minimale prédéterminée (Qmin) et d'une capacité de décharge maximale (Qmax_i) de la batterie (2), la valeur cible (SOCcible_i) de l'état de charge étant strictement inférieure à 100 %; − ajuster l'état de charge de la batterie (2) à la valeur cible (SOCcible_i).

Description

PROCÉDÉ DE GESTION D’UN ÉTAT DE CHARGE D’UNE
BATTERIE LAISSÉE AU REPOS
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un procédé de gestion d’un état de charge d’une batterie laissée au repos.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Une alimentation sans interruption, également appelée UPS pour « Uninterruptible Power Supply » en anglais, est un dispositif qui a pour fonction d’alimenter une charge en énergie électrique lorsque l’alimentation principale de cette charge est défaillante. Un tel dispositif procure une protection contre les coupures de courant en fournissant de l’énergie électrique stockée par exemple dans une batterie rechargeable.
Dans ce type d’application, la batterie a un fonctionnement dit « non cyclé », c’est-à-dire qu’elle n’est ni chargée ni déchargée pendant des périodes prolongées. La batterie est laissée au repos. Cependant, en cas de coupure d’alimentation, la batterie est censée prendre le relai pendant un certain temps.
La batterie est généralement maintenue à pleine charge. Or il est connu que cette façon de procéder a pour conséquence de provoquer un vieillissement prématuré et donc une perte de capacité de la batterie. Il est donc souvent nécessaire de devoir remplacer la batterie pour que le dispositif soit toujours en mesure d’assurer son rôle.
Par ailleurs, le document US2004/0066171 A1 décrit un procédé pour ajuster l’état de charge d’une batterie équipant un appareil mobile tel qu’un téléphone portable, un ordinateur portable ou un appareil photo numérique, en fonction de l’emploi du temps de l’utilisateur de l’appareil. En particulier, la batterie est complètement chargée lorsqu’il est prévu un besoin élevé d’autonomie. Inversement, la batterie est placée dans un état de charge plus faible lorsqu’il est prévu de connecter l’appareil à une source d’alimentation externe. RÉSUMÉ DE L’INVENTION
Il ressort de ce qui précède qu’il existe un besoin de disposer d’une méthode permettant d’optimiser la charge d’une batterie pour qu’elle puisse remplir la fonction qui lui est assignée tout en limitant son vieillissement.
La présente invention vise à répondre à ce besoin en proposant un procédé de gestion d’un état de charge d’une batterie laissée au repos et subissant des pertes de capacité au cours du temps, le procédé de gestion comportant les étapes suivantes répétées à intervalles de temps réguliers :
- déterminer les pertes de capacité subies par la batterie pendant un intervalle de temps ;
- déterminer une valeur cible de l’état de charge à partir des pertes de capacité subies par la batterie, d’une quantité de charge minimale prédéterminée et d’une capacité de décharge maximale de la batterie, la valeur cible de l’état de charge étant strictement inférieure à 100 % ;
- ajuster l’état de charge de la batterie à la valeur cible.
Grâce au procédé de l’invention, la batterie présente un niveau de charge qui permet à la batterie à la fois d’exécuter une certaine fonction pendant une durée prédéterminée et de prolonger sa durée de vie en n’étant pas maintenue à pleine charge.
Le procédé de gestion selon l’invention peut également comporter une ou plusieurs caractéristiques parmi les suivantes considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Selon un mode de mise en oeuvre, les pertes de capacité subies par la batterie sont déterminées à partir d’une précédente valeur cible de l’état de charge et d’une quantité de charge résiduelle présente dans la batterie.
Selon un mode de mise en oeuvre, l’étape de détermination des pertes de capacité subies par la batterie comprend les sous-étapes suivantes
- déterminer des pertes de capacité irréversibles à partir d’une valeur courante de la capacité de décharge maximale et d’une valeur précédente de la capacité de décharge maximale ; et - déterminer des pertes de capacité réversibles à partir de la précédente valeur cible de l’état de charge, de la quantité de charge résiduelle présente dans la batterie et des pertes de capacité irréversibles.
Selon un mode de mise en oeuvre, la quantité de charge résiduelle présente dans la batterie est mesurée lors d’une première opération d’un test de capacité et en ce que la capacité de décharge maximale de la batterie est mesurée lors d’une deuxième opération du test de capacité.
Selon un mode de mise en oeuvre, le test de capacité comprend successivement une première phase de décharge complète de la batterie, une phase de charge complète de la batterie et une deuxième phase de décharge complète de la batterie, la quantité de charge résiduelle présente dans la batterie étant mesurée lors de la première phase de décharge complète de la batterie et la capacité de décharge maximale de la batterie étant mesurée lors de la deuxième phase de décharge complète de la batterie.
Selon une variante de mise en oeuvre, la batterie présente un rendement faradique atteignant sensiblement 100% et en ce que le test de capacité comprend successivement une phase de décharge complète de la batterie et une phase de charge complète de la batterie, la quantité de charge résiduelle présente dans la batterie étant mesurée lors de la phase de décharge complète de la batterie et la capacité de décharge maximale de la batterie étant mesurée lors de la phase de charge complète de la batterie.
Selon un mode de mise en oeuvre, le procédé de gestion comporte en outre une étape consistant à vérifier si la batterie présente une capacité de décharge maximale supérieure ou égale à une quantité de charge cible correspondant à la valeur cible de l’état de charge.
Selon un mode de mise en oeuvre, la valeur cible de l’état de charge est égale à la somme des pertes de capacité subies par la batterie et de la quantité de charge minimale prédéterminée, divisée par la capacité de décharge maximale de la batterie.
Selon un mode de mise en oeuvre, les pertes de capacité comprennent des pertes réversibles dont une première partie est due à un courant de consommation délivré par la batterie, la première partie des pertes réversibles étant compensée entre deux étapes d’ajustement de l’état de charge successives.
Selon un mode de mise en oeuvre, la compensation de la première partie des pertes réversibles est prise en compte au cours de l’étape de détermination des pertes de capacité.
Selon un mode de mise en oeuvre, le procédé de gestion comporte en outre une étape de mesure d’une température de fonctionnement de la batterie, une capacité de décharge instantanée de la batterie étant déterminée en fonction de la température de fonctionnement de la batterie. Selon un mode de mise en oeuvre, la valeur cible de l’état de charge est modifiée en fonction de la capacité de décharge instantanée.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation fonctionnelle d’un procédé de gestion d’un état de charge d’une batterie, selon un mode de mise en oeuvre de l’invention ;
- la figure 2 représente schématiquement l’état de la batterie au cours de différentes étapes du procédé de la figure 1.
Les figures ne sont présentées qu’à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur toutes les figures.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE MISE EN ŒUVRE DE L’INVENTION Une batterie est un dispositif de stockage d’énergie électrique qui peut être notamment caractérisée par deux paramètres, à savoir un état de santé, également appelé SOH pour « State Of Health » en anglais, et un état de charge, également appelé SOC pour « State Of Charge » en anglais. L’état de santé est exprimé en pourcentage et correspond au rapport entre la capacité de décharge maximale Qmax et la capacité nominale Qo de la batterie. La capacité de décharge maximale Qmax représente la quantité de charge que la batterie peut fournir lorsqu’elle est complètement chargée. La capacité nominale Qo est la capacité de décharge maximale initiale de la batterie, c’est-à-dire lorsque la batterie est neuve. Plus la capacité de décharge maximale est proche de la capacité nominale, meilleur est l’état de santé de la batterie.
L’état de charge est exprimé en pourcentage et correspond au rapport entre la quantité de charge Q(t) stockée dans la batterie à un instant t donné et la capacité de décharge maximale Qmax de la batterie (à cet instant).
Un mode de mise en oeuvre d’un procédé de gestion 100 de l’état de charge d’une batterie 2 selon l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 et 2.
Dans le contexte de l’invention, la batterie 2 est laissée au repos pendant une durée prolongée, en particulier dans un état de charge non nul. Autrement dit, pendant cette durée, la batterie 2 n’est pas utilisée pour fournir de l’énergie électrique. Toutefois, la batterie 2 est destinée à délivrer une quantité d’énergie électrique prédéterminée pour permettre à un dispositif électrique d’exécuter une fonction pendant un certain temps. Par exemple, le dispositif électrique équipé de la batterie peut être une alimentation sans interruption, également appelée UPS pour « Uninterruptible Power Supplies » en anglais, consistant à délivrer du courant en cas de défaillance du système d’alimentation principal. Un autre exemple est celui d’une batterie d’un bloc autonome d’éclairage de sécurité (BAES), consistant à alimenter un système d’éclairage en cas de coupure d’électricité pour indiquer une sortie de secours. On peut également citer à titre d’exemple, toujours non limitatif, le cas d’une batterie d’un vélo à assistance électrique ou encore d’un outillage électroportatif, non utilisée parfois sur des périodes prolongées, mais pouvant être conservée avantageusement à un état de charge non nul pour dépanner en cas de besoin immédiat.
On entend par « durée prolongée » une durée au cours de laquelle la batterie 2 subie des pertes de capacité qui peuvent être quantifiées, les pertes de capacité étant par exemple supérieures à 1 % de l’état de charge de la batterie 2. Il est à noter que les pertes de capacité dépendent des conditions de stockage de la batterie 2, et en particulier de la température, de l’état de charge et de l’état de santé de la batterie 2.
En fonction du type d’application, la batterie 2 peut être une batterie lithium-ion (Li-ion), une batterie nickel-hydrure métallique (NiMH), une batterie au plomb, une batterie sodium-ion, une batterie sodium-chlorure de nickel, ou tout autre batterie adaptée.
Le procédé de gestion 100 comporte une première étape 1 10 de détermination des pertes de capacité AQi subies par la batterie 2, une deuxième étape 120 de détermination d’une valeur cible SOCdbiej de l’état de charge de la batterie 2, en fonction notamment des pertes de capacité AQi subies par la batterie 2, et une troisième étape 130 d’ajustement de l’état de charge de la batterie 2 à la valeur cible SOCdbiej. La valeur cible SOCdbiej de l’état de charge est strictement inférieure à 100 %. Les étapes 1 10, 120 et 130 du procédé de gestion 100 sont répétées à intervalles réguliers, autrement dit périodiquement. Ainsi, grâce à l’invention, la charge de la batterie 2 est régulièrement mise à un niveau suffisant pour permettre d’exécuter la fonction du dispositif électrique pendant une durée prédéterminée, ce niveau étant toutefois inférieur au niveau de pleine charge (SOC = 100 %). La batterie 2 n’est donc pas maintenue en permanence à sa pleine charge, ce qui augmente sa durée de vie.
Pour donner un ordre d’idées de la période T de répétition des étapes 1 10, 120 et 130 du procédé de gestion 100, c’est-à-dire la période de temps entre deux itérations successives des étapes 1 10, 120 et 130, on citera l’exemple des blocs autonomes d’éclairage de sécurité (BAES) pour lesquels l’état des batteries est vérifié environ tous les trois mois. Il est bien entendu que cette valeur de T = 3 mois est donnée à titre indicatif et que la période T avec laquelle les étapes 1 10, 120 et 130 sont répétées peut prendre n’importe quelle valeur adaptée au contexte de mise en oeuvre de l’invention.
Les pertes de capacité peuvent être classées en deux catégories, à savoir les pertes irréversibles et les pertes réversibles. Les pertes de capacité irréversibles correspondent à une diminution de la capacité de décharge maximale de la batterie 2. En d’autres termes, il s’agit de pertes définitives d’autonomie qui ne peuvent pas être recouvrées en rechargeant la batterie 2. Les pertes irréversibles sont dues au vieillissement de la batterie 2 et elles peuvent être suivies à travers le paramètre d’état de santé de la batterie 2.
Inversement, les pertes de capacité réversibles correspondent à une diminution de la quantité de charge stockée dans la batterie 2. Les pertes réversibles peuvent donc être recouvrées en rechargeant la batterie 2. Les pertes réversibles peuvent être suivies à travers le paramètre d’état de charge de la batterie 2. Les pertes réversibles comportent une première part appelée « autodécharge » et une deuxième part correspondant à une consommation tirée de la batterie 2.
L’autodécharge est due à des réactions électrochimiques parasites qui entraînent une diminution de l’état de charge de la batterie 2, même lorsque cette dernière n’est pas sollicitée. L’autodécharge peut également être provoquée par un transfert d'électrons d'une électrode à l'autre dû à des défauts de fabrication et/ou à la conductivité électronique de l'électrolyte.
La valeur de l’autodécharge dépend de l’état de charge et de la température de la batterie 2. À titre d’exemple, l’état de charge d’une batterie lithium-ion à une température de 30°C diminue d’environ 4%, respectivement 8%, par mois lorsque l’état de charge initial est de l’ordre de 30% à 40%, respectivement 100%. Lorsque la température de la batterie lithium-ion est de 45°C, la diminution de l’état de charge passe à environ 8%, respectivement 25%, pour un état de charge initial de l’ordre de 30% à 40%, respectivement 100%
La consommation tirée de la batterie 2 peut être due à un courant de fuite, à un courant alimentant un dispositif de gestion électronique de la batterie 2, également appelé BMS pour « Battery Management System » en anglais, et/ou à un courant utilisé dans le cadre d’une gestion thermique de la batterie 2. La gestion thermique consiste à refroidir ou à réchauffer la batterie dans le but de limiter son vieillissement.
Les pertes de capacité (totales) AQi sont égales à la somme des pertes de capacité réversibles AQRÔVJ et des pertes de capacité irréversibles AQirrj subies par la batterie 2 au cours de la dernière période de temps T écoulée, autrement dit depuis la dernière itération des étapes 1 10 à 130 ou depuis l’origine (i.e. la première mise en service de la batterie) lorsqu’il s’agit de la première itération des étapes 1 10 à 130 :
AQj— AQIrrj + AQRévj où i est un entier strictement positif désignant l’itération en cours. Les pertes de capacité (totales) AQi peuvent être calculées à l’aide de l’équation suivante :
^Qi Qciblej-! QRésj où QRÔSJ est la quantité de charge résiduelle stockée dans la batterie 2 au début de l’étape 110 d’indice / et Qdbiej-i est la quantité de charge cible correspondant à la valeur cible SOCdbiej-i d’état de charge définie lors la dernière mise à niveau de l’état de charge, c’est-à-dire lors de l’itération précédente i-1 des étapes 1 1 0 à 1 30. Pour la première itération des étapes 1 1 0 à 1 30 (/ = 1 ), la quantité de charge cible Qdbie o est par exemple choisie égale à 1 10 % de la quantité de charge minimale nécessaire au fonctionnement du dispositif électrique pendant une durée prédéterminée et appelée Cl-aprèS Qmin (Qcible_0 = 1 ,1 *Qmin).
Dans un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de gestion 100, on cherche à distinguer les pertes de capacités réversibles des pertes de capacité irréversibles de la batterie 2. La première étape 1 1 0 du procédé de gestion 1 00 comprend alors une première sous-étape 1 1 1 de détermination des pertes de capacité irréversibles AQirrj subies par la batterie 2 au cours de la dernière période de temps T écoulée.
Les pertes de capacité irréversibles AQirrj subies par la batterie 2 entre l’étape 1 10 d’indice i-1 et l’étape 1 10 d’indice / peuvent être calculées à l’aide de l’équation suivante : QlrrJ Qmax_i- 1 Qmax_i où Qmaxj-i est la capacité de décharge maximale de la batterie 2 lors de l’étape 110 d’indice /-1 et Qmaxj est la capacité de décharge maximale de la batterie 2 lors de l’étape 1 10 d’indice /. Lors de la première itération des étapes 1 10 à 130 (/ = 1 ), la capacité de décharge maximale Qmax ) de la batterie 2 est égale est à la capacité nominale Qo de la batterie.
Dans ce même mode de mise en oeuvre préférentiel, la première étape 1 10 du procédé de gestion 100 comprend une deuxième sous-étape 1 12 de détermination des pertes de capacité réversibles AQRÔVJ subies par la batterie 2 au cours de la dernière période de temps T écoulée.
Les pertes de capacité réversibles AQRÔVJ subies par la batterie 2 entre l’étape 1 10 d’indice i-1 et l’étape 1 10 d’indice i peuvent être calculées à l’aide de l’équation suivante :
Figure imgf000011_0001
La quantité de charge résiduelle QF½SJ est de préférence mesurée au cours d’une première opération d’un test de capacité. Ce test de capacité comprend par exemple une première phase de décharge complète, suivie d’une phase de charge complète et d’une deuxième phase de décharge complète. La quantité de charge résiduelle QRÔSJ est par exemple mesurée en intégrant le courant fourni par la batterie 2 pendant la première phase de décharge complète du test de capacité.
La capacité de décharge maximale Qmaxj est de préférence mesurée au cours d’une deuxième opération du test de capacité, par exemple en intégrant le courant fourni par la batterie 2 au cours de la deuxième phase de décharge complète.
Selon un autre mode de mise en oeuvre, lorsque la batterie 2 présente un rendement faradique sensiblement égal à 100%, la capacité de décharge maximale Qmaxj de la batterie 2 peut être mesurée directement pendant la phase de charge complète qui suit la première phase de décharge complète permettant de mesurer la quantité de charge résiduelle QRÔSJ. Ainsi, la mesure de la capacité de décharge maximale Qmaxj est réalisée plus rapidement, ce qui réduit le temps pendant lequel la batterie 2 n’assure plus sa fonction.
Dans l’ensemble de la description et dans les revendications, on entend par « rendement faradique sensiblement égal à 100% » un rendement faradique supérieure ou égal à 99 %. Dans ce cas, la quantité de charge chargée dans la batterie 2 est considérée équivalente à la quantité de charge délivrée. C’est le cas par exemple pour les batteries lithium-ion.
La valeur cible SOCdbiej est définie de manière à ce que la batterie 2 comporte à la fin d’une période de temps T (i.e. juste avant une nouvelle mise à niveau de l’état de charge) une quantité de charge supérieure ou égale à une quantité de charge minimale Qmin nécessaire pour exécuter pendant la durée souhaitée la fonction du dispositif électrique associé à la batterie 2. La valeur cible SOCdbiej de l’état de charge est déterminée lors de l’étape 120 à partir de la capacité de décharge maximale Qmaxj de la batterie 2, des pertes de capacité (totales) AQi déterminées à l’étape 1 10 et de la quantité de charge minimale Qmin. Plus particulièrement, la valeur cible SOCdbiej de l’état de charge est déterminée à partir de la capacité de décharge maximale Qmaxj et de la somme des pertes de capacité AQi et de la quantité de charge minimale Qmin.
La valeur cible SOCdbiej de l’état de charge est de préférence égale à la somme des pertes de capacité AQi et de la quantité de charge minimale Qmin, divisée par la capacité de décharge maximale Qmaxj : Qi
Figure imgf000012_0001
Dans une variante de mise en œuvre, la quantité de charge cible Qdbie est définie supérieure à la somme des pertes de capacité AQi et de la quantité de charge minimale Qmin. En d’autres termes, il est prévu une marge de sécurité M lors du calcul de la quantité de charge cible Qdbie. Il est ainsi possible de s’assurer que la batterie 2 soit toujours en mesure de remplir son rôle. La quantité de charge cible Qdbie est par exemple comprise entre 1 10 % et 150 % de la somme de la quantité de charge minimale Qmin et des pertes de capacité AQi.
Qcible i M X (Qmin +
SOC cible_i
Figure imgf000012_0002
Q max_i Q max avec M un coefficient de marge compris entre 1 10 % et 150 %. La quantité de charge minimale Qmin est de préférence constante d’une itération à l’autre des étapes 1 10 à 130 du procédé de gestion 100.
Le procédé de gestion 100 repose donc sur l’hypothèse que les pertes (réversibles et irréversibles) subies par la batterie 2 pendant l’intervalle de temps T situé entre les itérations / et i+1 des étapes 110 à 130 seront inférieures ou égales aux pertes subies par la batterie 2 pendant l’intervalle de temps T situé entre les itérations /- 1 et / des étapes 1 10 à 130.
Comme les pertes de capacité ont tendance à diminuer avec le temps, la quantité de charge cible Qdbiej se rapproche progressivement de la quantité de charge minimale Qmin, ce qui améliore encore la durée de vie de la batterie.
L’ajustement de l’état de charge de la batterie 2 à la valeur cible SOCdbiej (troisième étape 130 du procédé de gestion 100) est réalisé soit en chargeant la batterie 2, lorsque le test de capacité se termine par une phase de décharge complète, soit en déchargeant la batterie 2, lorsque le test de capacité se termine par une phase de charge complète. La charge ou la décharge s’effectue jusqu’à atteindre la quantité de charge cible Qdbiej correspondant à la valeur cible SOCdbiej de l’état de charge, et préférence à courant constant. La quantité chargée (Qdbiej), respectivement déchargée (Qmaxj-Qdbiej), est mesurée en intégrant le courant de charge, respectivement de décharge. Avantageusement, le procédé de gestion 100 comporte une quatrième étape 140 de vérification de l’aptitude de la batterie 2 à stocker la quantité de charge cible Qdbiej. Autrement dit, on vérifie si la capacité de décharge maximale Qmaxj, qui est égale à la capacité nominale Qo de la batterie 2 moins l’ensemble des pertes de capacité irréversibles (i.e. depuis l’origine), est supérieure ou égale à la quantité de charge cible Qdbiej. Si ce n’est pas le cas, la batterie 2 est à remplacer. Cette étape revient à surveiller l’état de santé SOHi de la batterie 2 qui peut être défini par l’équation suivante :
Figure imgf000013_0001
Cette quatrième étape 140 de vérification est de préférence accomplie entre la deuxième étape 120 (détermination de SOCdbiej) et la troisième étape 130 (mise à niveau de l’état de charge) du procédé de gestion 100. Avantageusement, cette quatrième étape 140 de vérification est également effectuée périodiquement, de préférence avec la même période T que les première, deuxième et troisième étapes 110, 120, 130 du procédé de gestion 100.
Comme décrit précédemment, les pertes de capacité comportent une part liée à un courant de consommation fourni par la batterie 2. Lorsque l’on ne fait pas de gestion thermique de la batterie 2, le courant de consommation peut être considéré comme constant. Dans ce cas, la part AQRév_¥nso des pertes de capacité liée à ce courant de consommation Iconso a un comportement linéaire dans le temps t et peut être définie par l’équation suivante :
Figure imgf000014_0001
Avantageusement, les pertes de capacité AQRév_¥nso dues à la consommation peuvent être compensées entre deux étapes 130 successives d’ajustement de l’état de charge. Ainsi, il est possible de réduire la valeur de la quantité de charge cible Qdbie pour qu’elle se rapproche de la valeur de la quantité de charge minimale Qmin que la batterie 2 doit stockée. Cela permet d’optimiser davantage la gestion de l’état de charge de la batterie 2. En pratique, les pertes de capacité AQRév_¥nso liées à la consommation sont généralement relativement faibles, le courant de consommation Iconso étant de l’ordre du micro-ampère. Il peut donc être difficile de compenser ces pertes de capacité au moyen d’un courant de charge constant qui devrait être sensiblement égal au courant de consommation Iconso. Dans ce cas, la compensation de telles pertes peut s’effectuer ponctuellement et en plusieurs fois entre deux étapes 130 successives d’ajustement de l’état de charge. Le courant de charge est alors plus élevé et donc plus facile à fournir à la batterie 2.
Avantageusement, les modifications de l’état de charge de la batterie 2 qui ont lieu entre les étapes 130 d’ajustement de l’état de charge à la valeur cible SOCdbiej sont intégrées au fur et à mesure de manière à ne pas altérer le calcul des pertes de capacité.
Selon une variante de mise en oeuvre, la température de fonctionnement de la batterie 2, lorsqu’elle est au repos, est mesurée. Il est ainsi possible de déterminer la capacité instantanée de la batterie 2, par exemple à partir d’abaques donnant la capacité de la batterie 2 en fonction du courant de décharge et de la température. La valeur cible SOCdbiej de l’état de charge peut alors être modifiée en fonction de la valeur de cette capacité instantanée pour que la fonction de la batterie 2 soit toujours assurée. A titre d’exemple, cela consiste à recharger la batterie 2 lorsque la température de fonctionnement diminue et à décharger la batterie lorsque la température de fonctionnement augmente.
Naturellement, l’invention n’est pas limitée aux modes de mise en oeuvres décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l’invention.

Claims

Revendications
1 . Procédé de gestion (100) d’un état de charge d’une batterie (2) laissée au repos et subissant des pertes de capacité au cours du temps, le procédé de gestion étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes répétées à intervalles de temps réguliers :
- (1 10) déterminer les pertes de capacité (DOί) subies par la batterie (2) pendant un intervalle de temps (T) ;
- (120) déterminer une valeur cible (SOCdbiej) de l’état de charge à partir des pertes de capacité (DOί) subies par la batterie (2), d’une quantité de charge minimale prédéterminée (Qmin) et d’une capacité de décharge maximale (Qmaxj) de la batterie (2), la valeur cible (SOCdbiej) de l’état de charge étant strictement inférieure à 100 % ;
- (130) ajuster l’état de charge de la batterie (2) à la valeur cible (SOCdbiej).
2. Procédé de gestion (100) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les pertes de capacité (DOi) subies par la batterie (2) sont déterminées à partir d’une précédente valeur cible (SOCdbiej-i ) de l’état de charge et d’une quantité de charge résiduelle (QRÔSJ) présente dans la batterie (2).
3. Procédé de gestion (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape (1 10) de détermination des pertes de capacité (DOi) subies par la batterie (2) comprend les sous-étapes suivantes :
- (1 1 1 ) déterminer des pertes de capacité irréversibles (AQinj) à partir d’une valeur courante (Qmaxj) de la capacité de décharge maximale et d’une valeur précédente (Qmaxj-i ) de la capacité de décharge maximale ; et
- (1 12) déterminer des pertes de capacité réversibles (AQRÔVJ) à partir de la précédente valeur cible (SOCdbiej-i ) de l’état de charge, de la quantité de charge résiduelle (QRÔSJ) présente dans la batterie (2) et des pertes de capacité irréversibles (AQinj).
4. Procédé de gestion (100) selon l’une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la quantité de charge résiduelle (QRÔSJ) présente dans la batterie (2) est mesurée lors d’une première opération d’un test de capacité et en ce que la capacité de décharge maximale (Qmaxj) de la batterie (2) est mesurée lors d’une deuxième opération du test de capacité.
5. Procédé de gestion (100) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le test de capacité comprend successivement une première phase de décharge complète de la batterie (2), une phase de charge complète de la batterie (2) et une deuxième phase de décharge complète de la batterie (2) , la quantité de charge résiduelle (QRÔSJ) présente dans la batterie (2) étant mesurée lors de la première phase de décharge complète de la batterie (2) et la capacité de décharge maximale (Qmaxj) de la batterie (2) étant mesurée lors de la deuxième phase de décharge complète de la batterie (2).
6. Procédé de gestion (100) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la batterie (2) présente un rendement faradique atteignant sensiblement 100% et en ce que le test de capacité comprend successivement une phase de décharge complète de la batterie (2) et une phase de charge complète de la batterie (2), la quantité de charge résiduelle (QRÔSJ) présente dans la batterie (2) étant mesurée lors de la phase de décharge complète de la batterie (2) et la capacité de décharge maximale (Qmaxj) de la batterie (2) étant mesurée lors de la phase de charge complète de la batterie (2).
7. Procédé de gestion (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une étape (140) consistant à vérifier si la batterie (2) présente une capacité de décharge maximale (Qmaxj) supérieure ou égale à une quantité de charge cible (Qdbie) correspondant à la valeur cible (SOCdbiej) de l’état de charge.
8. Procédé de gestion (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la valeur cible (SOCdbiej) de l’état de charge est égale à la somme des pertes de capacité (AQi) subies par la batterie (2) et de la quantité de charge minimale prédéterminée (Qmin), divisée par la capacité de décharge maximale (Qmaxj ) de la batterie (2).
9. Procédé de gestion (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les pertes de capacité (AQi) subies par la batterie (2) comprennent des pertes réversibles dont une première partie est due à un courant de consommation délivré par la batterie (2), la première partie des pertes réversibles étant compensée entre deux étapes (130) d’ajustement de l’état de charge successives.
10. Procédé de gestion (100) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la compensation de la première partie des pertes réversibles est prise en compte au cours de l’étape (1 10) de détermination des pertes de capacité.
11. Procédé de gestion (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une étape de mesure d’une température de fonctionnement de la batterie (2), une capacité de décharge instantanée de la batterie (2) étant déterminée en fonction de la température de fonctionnement de la batterie (2).
12. Procédé de gestion (100) selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la valeur cible (SOCdbiej) de l’état de charge est modifiée en fonction de la capacité de décharge instantanée.
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