FR2965361A1 - Procede d'estimation de l'etat de sante d'une batterie d'un vehicule et vehicule mettant en oeuvre un tel procede - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'estimation de l'état de santé SOH d'une batterie (17) de véhicule (20), notamment un véhicule automobile, basé sur une estimation de la résistance interne instantanée de la batterie à partir du rapport entre une variation de tension aux bornes de la batterie et une variation de courant correspondant traversant la batterie, ces variations étant considérées dans un intervalle de temps déterminé, caractérisé que l'intervalle de temps considéré est supérieur à l'intervalle de temps séparant deux instants d'échantillonnage successifs et vérifie que la variation de la tension est strictement croissante ou décroissante pendant l'intervalle de temps considéré.

Description

PROCEDE D'ESTIMATION DE L'ETAT DE SANTE D'UNE BATTERIE D'UN VEHICULE ET VEHICULE METTANT EN OEUVRE UN TEL PROCEDE

La présente invention se rapporte, de manière générale, aux moyens de stockage d'énergie électrique d'un véhicule automobile et concerne plus particulièrement, un procédé d'estimation de l'état de santé d'une batterie d'accumulateur ou cellule, appelée par la suite batterie : une batterie pouvant contenir une ou plusieurs cellules mises en série. Elle concerne également un véhicule mettant en oeuvre un tel procédé. Les moyens de stockage occupent un rôle central au niveau d'un véhicule automobile puisqu'ils permettent d'assurer l'alimentation en courant de l'ensemble des consommateurs électriques du véhicule et du moteur dans le cadre d'une chaîne de traction hybride ou électrique. La connaissance des états de charge et de santé de la batterie sont des informations essentielles pour une utilisation optimale de cette dernière. Les applications d'un tel procédé vont aux véhicules électriques ou hybrides, rechargeables ou non, afin de disposer d'un estimateur d'états de charge et de santé performant pour l'analyse de la batterie. Bien que la présente invention ait été expérimentée à partir d'une batterie de technologie Lithium-Ion, son caractère général permet de l'appliquer et de l'étendre à l'ensemble des moyens de stockage d'énergie électrique utilisés dans l'industrie automobile. Les besoins en ressources électriques de plus en plus grandissantes du véhicule ainsi que l'usage de l'électricité comme source d'énergie pour alimenter la chaîne de traction pour des véhicules hybrides ou électriques, nécessitent de connaitre précisément, et en temps réel, l'ensemble des indicateurs de performances de la batterie. Par performances, on entend les grandeurs indispensables à la gestion de l'énergie et donc de la batterie de puissance au sein du véhicule (électrique ou hybride) qui vont permettre un usage sécurisé et optimisé du fonctionnement électrique du véhicule.

L'état de santé d'une batterie, nommé "SOH" pour « State Of Health », peut être défini par le rapport entre la capacité maximale C,,,aX atteignable par la batterie (ou capacité due au vieillissement Cvieillie) et la capacité nominale Ça. de la batterie à neuf : Cvieillie Cmax - SO .Cnom On considère qu'une batterie est en fin de vie lorsqu'elle a perdu 200/0 5 de sa capacité nominale. Le SOH varie donc de 800/0 à 100°/O. L'état de charge d'une batterie, nommé "SOC" pour « State Of Charge », peut être défini par le rapport entre la quantité d'énergie disponible Cdisp normalisée et la capacité due au vieillissement Cri. : Cdisp - SOC.C. 10 II est recommandé de ne pas descendre en dessous d'un état de charge de 200/0 pour les batteries Lithium-Ion. La plage de variation du SOC est donc 200/0-100%. Les caractéristiques physiques d'une batterie évoluent au cours du temps. Il s'ensuit alors une dégradation sur son aptitude à accumuler et 15 délivrer du courant. Ce qui se traduit par une baisse de performance du véhicule liée à une perte de son rendement, défavorable du point de vue du bilan consommation du véhicule. Pire, une mauvaise détection du vieillissement de l'état de charge ou de la puissance disponible, peut conduire à une immobilisation du véhicule (cas des véhicules hybrides 20 parallèle ou tout électrique) voire à des risques d'incendie ou d'explosion dans les cas les plus graves. Parallèlement à ces contraintes techniques, une mauvaise gestion de ces indicateurs conduit à des surcouts à l'usage tant pour l'utilisateur (changement batterie) que pour le constructeur (garantie batterie). 25 Il est généralement délicat de pouvoir déterminer, sur un véhicule hybride ou tout électrique, le SOH de la batterie avec précision et avec une complexité de calcul raisonnable. Différent procédés d'estimation de SOC et de SOH de batterie ont déjà fait l'objet de demandes de brevet et parmi celles-ci, les demandes de brevet 30 déposées par la demanderesse : FR 1052122, FR 1054728 et FR 1056233. L'objet de ces demandes de brevet se base principalement sur un modèle électrique équivalent d'une batterie, modèle connu dans la littérature sous le nom de "modèle de Randle". Le procédé d'estimation selon la demande FR 1052122 nécessite un 35 profil d'excitation qui doit être suffisamment riche en fréquences et les procédés d'estimation selon les demandes FR 1054728 et FR 1056233 estiment le SOC et le SOH à partir d'un échelon de courant provoqué. Toutes ces solutions requièrent donc soit un signal d'excitation naturel suffisamment riche soit un signal d'excitation provoqué.

On connaît par ailleurs du document GB 2461350, un estimateur d'état de santé basé sur une mesure de la résistance interne instantanée de la batterie. Le terme d'impédance est également utilisé pour définir cette résistance interne. Dans la suite de la description, on utilisera le terme résistance d'autant que l'expression d'une impédance se résume à son terme résistif dans le cas des tensions continues (la réactance étant nulle). L'estimateur selon ce document, calcule le rapport de la variation de tension sur la variation de courant entre deux instants d'échantillonnage successifs. L'estimateur ne peut donc pas choisir un intervalle de temps plus important pour calculer la résistance. Dans le document GB 2461350, l'estimation de la résistance est effectuée entre deux échantillons successifs et il n'est donc pas possible de choisir un intervalle de temps plus important pour calculer la résistance Or, la précision de l'estimation de la résistance dépend de cette durée.

Sur la figure 1, on peut constater l'importance du paramètre de la durée n*te, (exprimé en ms selon l'axe des abscisses), entre deux échantillons de temps, sur l'estimation de la résistance R (exprimée en Ohm sur l'axe des ordonnées). Pour assurer un bon niveau de précision, on a tout intérêt à avoir une durée entre deux échantillons la plus grande possible pour bénéficier d'une variation de courant et d'une variation de tension les plus importantes possibles au regard de la précision des capteurs de tension et de courant. Par exemple, si on considère une résistance R de 1.5 mOhm, une précision Al en courant de 0.1 A et une précision en tension DU de 1 mV, pour une variation de courant 1 de 1A, on aura une précision sur la résistance de 56% soit : AR/R = DU/U - DI/1 avec U = R*1 Soit AR/R = (DU/R - DI)/1 = (1/1.5 - 0.1)/1 = 560/0 Par contre pour une variation de courant de 10 A (nécessitant un temps entre deux instants d'échantillonnage plus important) l'erreur sur la résistance est divisée par 10 (5.6°/O). Le document GB2461350 enseigne par ailleurs, pour palier la variation de la résistance avec la température, d'effectuer une moyenne par plage de température. Cela entraîne, ou une forte imprécision (grande plage de température), ou un besoin accru de mémoire pour mémoriser les différentes tables nécessaires (petite plage de température). D'autre part, avec cette méthode, dans le cas où la batterie subit des variations fréquentes de température, il n'est pas possible d'estimer précisément la résistance par manque de valeur. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé d'estimation de l'état de santé SOH d'une batterie, notamment une batterie Lithium-Ion, à partir de la mesure de la résistance interne instantanée de la batterie, qui permet d'optimiser l'intervalle de temps de mesure de cette résistance pour obtenir une plus grande précision sur l'estimation du SOH. A cet effet, l'invention a pour premier objet, un procédé d'estimation de l'état de santé SOH d'une batterie de véhicule, notamment un véhicule automobile, basé sur une estimation de la résistance interne instantanée de la batterie à partir du rapport entre une variation de tension aux bornes de la batterie et une variation de courant correspondant traversant la batterie, ces variations étant considérées dans un intervalle de temps déterminé, caractérisé que l'intervalle de temps considéré est supérieur à l'intervalle de temps séparant deux instants d'échantillonnage successifs et vérifie que la variation de la tension est strictement croissante ou décroissante pendant l'intervalle de temps considéré. Selon une caractéristique, la résistance interne instantanée s'exprime par l'équation simplifiée suivante : Uk+n*te - Uk R _ k Ik+n*te - I k Avec : Uk = la tension aux bornes de la batterie à l'instant k Ik = le courant traversant la batterie à l'instant k n*te = l'intervalle de temps considéré entre deux instants de mesure successifs, avec te la période d'échantillonnage et n, un nombre entier supérieur ou égal à 2, - le courant Ik étant supérieur à un seuil Iman déterminé pour remplir la 5 condition suivante I k+n*te - 1,1 i lm - l'intervalle de temps n*te est suffisamment petit pour que l'équation simplifiée exprimant la résistance interne puisse être vérifiée. Le procédé selon l'invention comporte les étapes successives suivantes : 10 - on mémorise l'historique de la tension et du courant sur les n valeurs ; - on vérifie que l'évolution de la tension est strictement croissante ou décroissance pendant l'intervalle de temps considéré ; - on vérifie que la condition sur Iman est remplie pour s'affranchir du bruit de mesure et/ou d'un modèle thermique utilisé pour estimer la température 15 de la batterie ; - on calcule la résistance interne instantanée à partir du rapport de l'expression de l'équation simplifiée. Selon une autre caractéristique du procédé : - on recale la valeur de la résistance interne instantanée en fonction de 20 la température en exploitant, notamment, la loi d'Arrhenius. Selon une autre caractéristique : - on récupère l'estimation de l'état de charge SOC obtenue par intégration du courant ; - on mémorise l'historique des valeurs de résistance interne calculées 25 sur m valeurs ; - on conditionne la moyenne glissante des valeurs de résistance interne calculées sur les m valeurs en fonction de l'état de charge SOC ; - on compare la résistance moyennée, tenant compte l'état de charge soc, à une première cartographie permettant d'obtenir l'âge estimé de la 30 batterie à partir de la résistance interne et de l'état de charge SOC ; et - on compare l'âge, estimé à partir de la première cartographie, à une deuxième cartographie permettant d'obtenir la capacité maximale de la batterie à partir de l'âge de la batterie. La présente invention a pour autre objet un véhicule automobile, 35 comportant une chaîne de traction hybride thermique/électrique ou tout électrique, alimentée par une batterie, ladite chaîne de traction comportant un calculateur de gestion de la batterie BMS coopérant avec un calculateur de supervision TPMU de la chaîne de traction, le dit calculateur de gestion de batterie BMS comportant un estimateur de l'état de santé SOH de la batterie mettant en oeuvre le procédé tel que décrit ci-dessus.

Selon une autre caractéristique du véhicule, le calculateur de gestion de batterie BMS comporte en outre un estimateur de l'état de charge de la batterie SOC, l'estimateur SOH coopérant avec l'estimateur SOC pour mettre 1 o en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. Grâce à la présente invention, il est donc possible de s'affranchir d'un signal d'excitation riche en fréquences et d'un signal d'excitation provoqué, tout en maîtrisant la charge de calcul. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à 15 l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1 (déjà décrite), un graphique illustrant l'influence de la durée de la mesure sur l'estimation de la résistance interne instantanée de la batterie ; 20 - les figures 2 et 3, un schéma fonctionnel illustrant le procédé d'estimation selon l'invention ; et - la figure 4, un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un véhicule mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. En référence aux figures 2 et 3, on a représenté par un schéma 25 fonctionnel, les différentes étapes du procédé selon l'invention. Le schéma de la figure 2 se rapporte plus particulièrement à l'estimation de la résistance interne et son recalage pour tenir compte de la température. Pour le calcul de la résistance instantanée Rk, le procédé prend en compte les deux paramètres mesurés suivants : 30 Uk = la tension aux bornes de la batterie Ik = le courant traversant la batterie On peut écrire à un instant discret k : Uk = Rk * Ik + Vientk (1 ) avec : Ventk , une variation de tension supposée lente par rapport à l'évolution dans le temps des autres paramètres. De même, à l'instant k + n*tei avec te la période d'échantillonnage et n un nombre entier, on a : Uk+n*te Rk+n*te Ik+n*te +Ventk+n*te (2) Si on suppose n*te suffisamment petit, on peut écrire : Rk Rk+n*te lentk V lent k+n*t, On a donc : _ Uk+n*te - Uk Rk Ik+n*te -Ik (3) 1 o Deux conditions sont donc à remplir pour évaluer cette résistance : - le seuil Iman tel que Ik+,,*te - 1,1 > 1_ - la durée n*te pour supporter l'équation simplifiée (3) On notera que pour que cette estimation de résistance ait un sens, il faut en plus de ces deux conditions, que la tension soit strictement croissante 15 ou strictement décroissante pendant l'intervalle de temps n*te. Pour une bonne précision sur l'estimation de la résistance, il est essentiel que l'évolution de la tension soit monotone entre les deux instants d'échantillonnage. Pour cela la fréquence d'échantillonnage est choisie de telle sorte d'être supérieure à la dynamique de la sollicitation en courant 20 appliquée sur la batterie. En pratique, la période d'échantillonnage sera toujours inférieure à o.1 s. A l'instant k, on a donc une première estimation de la résistance Rk, que l'on note Rk,Tcellule. La résistance variant en fonction de la température, et pour tenir 25 compte de cette variation, on peut utiliser la loi d'Arrhenius pour corriger la résistance et la ramener à une température dite de référence référence E*( 1 1 ~ R _ R R Tréférence Tk cellule , kTréférence k,Tcellule . ~ (4) avec : R,_ T: résistance à la température de référence 30 Rk,T,- : résistance obtenue précédemment E : énergie d'activation en J.mol-1.

R : constante des gaz parfaits en J.mol-1.K-1 Tke ide : température de la cellule au moment du calcul de

Comme il n'est pas possible de mesurer directement la température interne de la batterie, on mesure simplement la température de surface. Cependant, on peut, à l'aide d'un observateur, estimer la température interne à partir d'un modèle thermique à l'instant k.

Afin de s'affranchir du bruit de mesure et du modèle, on peut effectuer une moyenne glissante sur m valeurs.

1 o On a donc : i=k moyen - 112 i=k-m référence : température de référence à laquelle on souhaite rapporter toutes les estimations de résistance

15 La figure 3, à considérer dans la continuité de la figure 2, complète le schéma fonctionnel de la figure 2, pour tenir compte de l'état de charge SOC de la batterie. Pour tenir compte de l'état de charge SOC, on conditionne la moyenne glissante introduite précédemment en (5) en fonction de la variation de l'état 20 de charge SOC. Si cette dernière est supérieure à un seuil Asoc pendant cette fenêtre glissante, il n'y a pas de valeur de résistance proposée: RkT, moyen existe si et seulement si max (SOC,. ) - min (SOCi ) < Asoc (6) 1 "e e i=k-m:k i=k-m:k Cette dernière équation suppose d'avoir, à chaque instant k, SOCk. Pour cela, il est proposé par exemple une méthode dit coulométrique : SOCk = SOCk-1 + I k te Cmax (7) Avec : Cmax, la capacité maximale de la batterie en ampère seconde Le seuil soc est déterminé en fonction de l'importance de l'influence de l'état de charge SOC de la batterie sur la valeur de sa résistance. 30 Si l'influence est faible, cela signifie que la résistance dépend peu de l'état de charge SOC. Dans ce cas, le seuil peut être important (plusieurs (5) 25 dizaines de °/O). Si par contre l'influence de l'état de charge SOC est forte, le seuil devra être faible (seuil inférieur à 5°/O) On détermine ensuite la résistance estimée en fonction de l'état de charge SOC et du niveau de vieillissement Age à partir d'une table construite 5 expérimentalement. On obtient alors l'état de santé SOH de la batterie caractérisé par exemple par sa capacité maximale C- . On rappelle ci-dessous les différentes étapes du procédé d'estimation de l'état de santé de la batterie qui viennent d'être décrites en référence aux 1 o figures 2 et 3. A l'étape 1, on mémorise l'historique de la tension et du courant sur n valeurs. A l'étape 2, on vérifie que l'évolution de la tension est strictement croissante ou décroissante pendant l'intervalle de temps considéré sur les n 15 valeurs. Cette condition est nécessaire car on souhaite se rapprocher de la mesure d'une résistance en réponse à un signal d'excitation en forme d'échelon. A l'étape 3, on vérifie que la condition sur Imin est remplie pour s'affranchir du bruit de mesure et/ou du modèle thermique utilisé. 20 A l'étape 4, on calcule la résistance interne instantanée à partir du rapport de l'expression (3). A l'étape 5, on recale la valeur de la résistance interne instantanée en fonction de la température en exploitant, par exemple, la loi d'Arrhenius. Cette étape permet d'obtenir un indicateur plus précis en utilisant des 25 temps plus long, pour obtenir des variations de courant et de tension plus importants, gage d'une meilleure précision. A l'étape 6, on récupère l'estimation de l'état de charge SOC obtenue par intégration du courant. A l'étape 7, on mémorise l'historique de valeurs de résistance internes 30 estimées à l'étape 5 sur m valeurs. A l'étape 8, on décide de prendre en compte ou pas le SOC en fonction d'un seuil déterminé. A l'étape 9, on calcule la moyenne glissante afin de lisser les résultats en prenant en compte l'état de charge SOC.

Aux étapes 10 et 11, on compare la résistance moyennée, tenant compte du SOC, à des tables (cartographies) obtenues par des essais en laboratoire via un vieillissement accéléré. La première cartographie 10 permet d'obtenir l'âge estimé de la batterie à partir de la résistance interne et du SOC. La deuxième cartographie 11 permet d'obtenir la capacité maximale de la batterie à partir de l'âge de la batterie. Avec cette dernière cartographie 11, on peut relier directement le vieillissement de la batterie à sa capacité maximale. La figure 4 illustre par un schéma-bloc, un système de gestion de 1 o batterie BMS 12 (acronyme anglo-saxon pour "Battery Management System") d'un véhicule 20, hébergeant un estimateur d'état de santé SOH 13 et un estimateur d'état de charge SOC 14. Le système BMS 12 est typiquement un calculateur dédié à la fonction gestion de batterie. Il comporte un ensemble de composants logiciels aptes à 15 exécuter de multiples programmes et recevant en entrées des signaux issus de différents capteurs : tension, courant, température, ... ; ces signaux étant révélateurs de caractéristiques physico-chimiques de la batterie. Parmi ces composants logiciels, on trouve l'estimateur SOH 13, délimité sur la figure 4 par une ligne fermée en trait épais, qui en coopération avec un 20 autre composant logiciel : l'estimateur SOC 14, met en oeuvre le procédé d'estimation selon l'invention. L'estimateur SOH 13 comporte des blocs fonctionnels aptes à mettre en oeuvre les étapes 1 à 5 et 7 à 9. L'estimateur SOC 14 met en oeuvre l'étape 6. 25 Le calculateur de gestion de batterie BMS 12 coopère avec un autre calculateur : un calculateur de supervision, ou superviseur 15, de la chaîne de traction électrique ou hybride 16 du véhicule 20 ; superviseur connu également sous l'acronyme anglo-saxon "PTMU" pour « Power Transmission Management Unit ». Le superviseur 15 gère notamment la répartition de 30 l'énergie électrique entre les différents consommateurs électriques du véhicule 20 (moteur thermique, machine électrique, réseau de bord, ....). La chaîne de traction 16 gérée par le superviseur 15 et le système BMS 12, est notamment une chaîne de traction d'un véhicule hybride comportant deux sources d'énergie alternatives ou combinées, pour le déplacement du 35 véhicule : une source d'énergie thermique et une source d'énergie électrique.

Le système BMS 12 reçoit par ailleurs différents signaux délivrés par différents capteurs (non représentés) permettant de relever la tension U(t), le courant I(t) et la température TM d'une batterie 17, de type Li-Ion ou autre, sujette à une sollicitation en courant.

On a constaté expérimentalement que la résistance interne varie faiblement avec l'état de charge SOC. On peut donc considérer qu'une cartographie à une dimension suffirait pour lier la résistance interne directement à l'état de santé SOH sans utiliser l'état de charge SOC. La présente invention ne nécessite aucun capteur supplémentaire. Les 1 o données sont déjà disponibles au niveau du calculateur BMS.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de l'état de santé SOH d'une batterie (17) de véhicule (20), notamment un véhicule automobile, basé sur une estimation de la résistance interne instantanée (Rk) de la batterie à partir du rapport entre une variation de tension aux bornes de la batterie et une variation de courant correspondant traversant la batterie, ces variations étant considérées dans un intervalle de temps déterminé, caractérisé que l'intervalle de temps considéré est supérieur à l'intervalle de temps séparant deux instants d'échantillonnage successifs et vérifie que la variation de la tension est strictement croissante ou décroissante pendant l'intervalle de temps 1 o considéré.
2. 2. Procédé d'estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance interne instantanée s'exprime par l'équation simplifiée suivante : R _ Uk+n*te - Uk k 1k+n*t_ -1k 15 Avec : Uk = la tension aux bornes de la batterie à l'instant k Ik = le courant traversant la batterie à l'instant k n*te = l'intervalle de temps considéré entre deux instants de mesure successifs, avec te la période d'échantillonnage et n, un nombre entier 20 supérieur ou égal à 2, - le courant Ik étant supérieur à un seuil Iman déterminé pour remplir la condition suivante : Ik+,,*te - Ik > Iman ; et - l'intervalle de temps n*te est suffisamment petit pour que l'équation simplifiée exprimant la résistance interne puisse être vérifiée. 25
3. 3. Procédé d'estimation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que qu'il comporte les étapes successives suivantes : - on mémorise (1) l'historique de la tension et du courant sur les n valeurs ; 30 - on vérifie (2) que l'évolution de la tension est strictement croissante ou décroissance pendant l'intervalle de temps considéré ;- on vérifie (3) que la condition sur Iman est remplie pour s'affranchir du bruit de mesure et/ou d'un modèle thermique utilisé pour estimer la température de la batterie ; et - on calcule (4) la résistance interne instantanée à partir du rapport de 5 l'expression de l'équation simplifiée.
4. 4. Procédé d'estimation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que : - on recale (5) la valeur de la résistance interne instantanée en fonction 1 o de la température en exploitant, notamment, la loi d'Arrhenius.
5. 5. Procédé d'estimation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que : - on récupère (6) l'estimation de l'état de charge SOC obtenue par 15 intégration du courant ; - on mémorise (7) l'historique des valeurs de résistance interne calculées sur m valeurs ; - on conditionne (8) la moyenne glissante des valeurs de résistance interne calculées (9) sur les m valeurs en fonction de l'état de charge SOC ; 20 - on compare (10) la résistance moyennée, tenant compte l'état de charge SOC, à une première cartographie permettant d'obtenir l'âge estimé de la batterie à partir de la résistance interne et de l'état de charge SOC ; et - on compare (11) l'âge, estimé à partir de la première cartographie, à une deuxième cartographie permettant d'obtenir la capacité maximale de la 25 batterie à partir de l'âge de la batterie.
6. 6. Véhicule (20) automobile, comportant une chaîne de traction (16) hybride thermique/électrique ou tout électrique, alimentée par une batterie (17), ladite chaîne de traction comportant un calculateur de gestion de la 30 batterie BMS (12) coopérant avec un calculateur de supervision TPMU (15) de la chaîne de traction, le dit calculateur de gestion de batterie BMS comportant un estimateur (13) de l'état de santé SOH de la batterie mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 4.
7. 7. Véhicule (20) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calculateur de gestion de batterie BMS (12) comporte en outre un estimateur de l'état de charge de la batterie SOC (14), l'estimateur SOH coopérant avec l'estimateur SOC pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 5. 15 20 25 30 35