FR3013459A1 - METHOD OF ESTIMATING THE VALUE OF A CHARACTERISTIC OF AN ELECTROCHEMICAL CELL - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une méthode d'estimation de la valeur d'une caractéristique d'une cellule (41) électrochimique d'accumulateurs en cours de charge ou de décharge. Selon l'invention, cette méthode comporte des étapes : a) d'acquisition d'un signal de tension (U1) aux bornes de ladite cellule, b) de détermination d'une composante alternative (U2) du signal de tension (U1) acquis à l'étape a), et c) d'évaluation de la valeur de ladite caractéristique en fonction de la composante alternative déterminée.The invention relates to a method for estimating the value of a characteristic of an electrochemical cell (41) of accumulators being charged or discharged. According to the invention, this method comprises steps of: a) acquisition of a voltage signal (U1) at the terminals of said cell, b) determination of an AC component (U2) of the voltage signal (U1) acquired in step a), and c) evaluating the value of said characteristic as a function of the determined alternative component.
Description
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la gestion des cycles de charge et décharge d'une batterie d'accumulateurs. Elle concerne plus particulièrement une méthode d'estimation de la valeur d'une caractéristique d'une cellule électrochimique d'accumulateurs en cours de charge ou de décharge, telle que le niveau de charge de cette cellule, comportant une étape a) d'acquisition d'un signal de tension aux bornes de ladite cellule lors de la charge ou de la décharge. L'invention s'applique particulièrement avantageusement aux véhicules automobiles équipés d'un moteur électrique alimenté par une batterie d'accumulateurs (dite de traction) comportant une pluralité de cellules. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE De manière bien connue, la puissance électrique que peut fournir une batterie d'accumulateurs diminue au cours d'un cycle de décharge. Pour prévoir à quel moment il sera nécessaire de charger la batterie et pour tirer au mieux partie de la puissance électrique disponible, on cherche à déterminer différentes caractéristiques de la batterie. On cherche notamment à 20 déterminer son niveau de charge. Le niveau de charge de la batterie, qui s'exprime généralement en pourcentage, traduit le niveau de chargement de la batterie entre un niveau de charge minimal où la batterie n'est plus utilisable, et un niveau de charge maximal. Ce niveau de charge est déterminé en calculant le niveau de charge de chaque 25 cellule composant la batterie d'accumulateurs. Une méthode pour déterminer le niveau de charge d'une cellule consiste à utiliser deux grandeurs physiques facilement mesurables que sont la tension continue aux bornes de la cellule et le courant circulant dans la cellule. Ainsi, il est connu d'évaluer le niveau de charge d'une cellule en cours de 30 décharge ou de charge, à l'aide d'une courbe prédéterminée associant une valeur de niveau de charge à chaque valeur de tension continue mesurée. L'évaluation de ce niveau de charge est ensuite affinée à l'aide de la valeur de l'intensité du courant mesurée à l'entrée ou à la sortie de la cellule. Cette méthode présente malheureusement une précision aléatoire, sauf à utiliser des composants électroniques onéreux pour obtenir une mesure de tension ayant une précision de l'ordre du millivolt sur une plage de quelques volts (0 à 5 volts). Même en utilisant de tels composants, la précision des mesures pourra encore être affectée par des phénomènes extérieurs tels que des variations de température. Une autre méthode décrite dans le document US6313607 consiste à exciter la cellule avec un dispositif dédié générant un courant non continu, à examiner le comportement de la cellule en réponse à ce stimulus, et à en déduire diverses caractéristiques telles que son impédance.TECHNICAL FIELD TO WHICH THE INVENTION RELATES The present invention generally relates to the management of charging and discharging cycles of a storage battery. It relates more particularly to a method for estimating the value of a characteristic of an electrochemical cell of accumulators during charging or discharging, such as the charge level of this cell, comprising a step a) of acquisition a voltage signal across said cell during charging or discharging. The invention applies particularly advantageously to motor vehicles equipped with an electric motor powered by a storage battery (called traction) comprising a plurality of cells. BACKGROUND ART In a well-known manner, the electric power that can be provided by a storage battery decreases during a discharge cycle. To predict when it will be necessary to charge the battery and to draw the best part of the available electrical power, it seeks to determine different characteristics of the battery. One seeks in particular to determine its level of charge. The battery charge level, which is usually expressed as a percentage, reflects the battery charge level between a minimum charge level where the battery is no longer usable, and a maximum charge level. This level of charge is determined by calculating the charge level of each cell making up the accumulator battery. One method for determining the charge level of a cell is to use two easily measurable physical quantities that are the DC voltage across the cell and the current flowing in the cell. Thus, it is known to evaluate the charge level of a cell being discharged or charged, using a predetermined curve associating a charge level value with each measured DC voltage value. The evaluation of this charge level is then refined using the value of the intensity of the current measured at the input or at the output of the cell. This method unfortunately has a random precision, except to use expensive electronic components to obtain a voltage measurement having a precision of the order of millivolt over a range of a few volts (0 to 5 volts). Even using such components, the accuracy of measurements can still be affected by external phenomena such as temperature variations. Another method described in US6313607 is to excite the cell with a dedicated device generating a non-continuous current, to examine the behavior of the cell in response to this stimulus, and to deduce various characteristics such as its impedance.
L'inconvénient majeur de cette méthode est que sa mise en oeuvre est complexe et onéreuse. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose d'évaluer la valeur d'une caractéristique d'une cellule 15 en examinant une grandeur physique autre que la tension continue aux bornes de la cellule et le courant circulant dans la cellule. Plus particulièrement, on propose selon l'invention une méthode d'estimation telle que définie dans l'introduction, dans laquelle il est prévu des étapes : 20 b) de détermination d'une composante alternative du signal de tension acquis à l'étape a), et c) d'évaluation de la valeur de ladite caractéristique en fonction de la composante alternative déterminée. Par « étape de détermination d'une composante alternative du signal de 25 tension », on entend étape visant à isoler la composante alternative du signal de tension. Lors de la charge ou de la décharge d'une cellule, on sait que des phénomènes électrochimiques génèrent des signaux acoustiques. Dans les cellules du type Lithium-Ion, on pense que ces signaux acoustiques sont dus à 30 des phénomènes d'insertion et de désinsertion du lithium dans le graphite. Cela est par exemple expliqué en détail dans le document « Evaluation of acoustic emission as a suitable tool for aging characterization of LiAl/LiMn02 cell, N. Kircheva, S. Genies, C. Chabrol, P.-X. Thivel, Electrochimica Acta 88 (2013) 488494 ».The major disadvantage of this method is that its implementation is complex and expensive. OBJECT OF THE INVENTION In order to overcome the aforementioned drawbacks of the state of the art, the present invention proposes to evaluate the value of a characteristic of a cell 15 by examining a physical quantity other than the DC voltage across the terminals of the cell. the cell and the current flowing in the cell. More particularly, the invention proposes an estimation method as defined in the introduction, in which steps are provided: b) determining an AC component of the voltage signal acquired in step a ), and c) evaluating the value of said characteristic as a function of the determined AC component. By "step of determining an AC component of the voltage signal" is meant a step of isolating the AC component of the voltage signal. When charging or discharging a cell, it is known that electrochemical phenomena generate acoustic signals. In Lithium-Ion type cells, it is believed that these acoustic signals are due to insertion and de-insertion phenomena of lithium in graphite. This is for example explained in detail in the document "Evaluation of acoustic emission as a suitable tool for aging characterization of LiAl / LiMn02 cell, N. Kircheva, S. Genies, C. Chabrol, P.-X. Thivel, Electrochimica Acta 88 (2013) 488494 ".
Grâce à la présence de ces signaux acoustiques, la demanderesse a pensé à chercher si la tension délivrée aux bornes de la cellule, qui est majoritairement continue, comportait une composante alternative. Ayant réussi à isoler cette composante alternative, la demanderesse a 5 découvert que cette composante alternative incorpore des informations exploitables relatives à la cellule. C'est ainsi que la demanderesse a par exemple pu déterminer le niveau de charge de la cellule à l'aide de cette seule composante alternative. Grâce à l'invention, il n'est donc plus nécessaire de mesurer précisément 10 la tension continue aux bornes de la cellule pour obtenir les caractéristiques de la cellule. Il est au contraire seulement nécessaire de mesurer la composante alternative de la tension aux bornes de la cellule, ce qui s'avère simple et peu onéreux dans la mesure où la tension alternative considérée varie autour de 0 volt 15 (il est plus difficile de mesurer avec précision une tension qui varie dans une plage de plusieurs volts). Ainsi, l'invention permet d'obtenir des résultats précis qui sont en outre peu sensibles aux variations de température. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la méthode 20 conforme à l'invention sont les suivantes : - ladite caractéristique comporte l'état de charge de ladite cellule ; - à l'étape b), ladite composante alternative est déterminée en filtrant le signal de tension acquis à l'étape a) au moyen d'un filtre passe-haut ; - à l'étape c), la composante alternative déterminée à l'étape b) est 25 amplifiée avec un gain supérieur à 50 en valeur absolue ; - à l'étape c), ladite caractéristique est évaluée en utilisant un signal de sortie qui correspond à ladite composante alternative coupée dans une bande de fréquences déterminée ; - ledit signal de sortie est obtenu en filtrant ladite composante alternative 30 au moyen d'un filtre passe-bande ; - à l'étape c), ladite caractéristique est évaluée en fonction de la valeur efficace dudit signal de sortie ; - préalablement à l'évaluation de ladite caractéristique, il est prévu une opération d'élimination des valeurs efficaces considérées comme aberrantes ; - au cours de ladite opération d'élimination, on détermine un signal de référence sensiblement constant en coupant ladite composante alternative dans une seconde bande de fréquences distincte de ladite bande de fréquence, on calcule la valeur efficace dudit signal de référence, on repère les instants auxquels la valeur efficace du signal de référence présente un pic d'amplitude, et on exclue les valeurs efficaces dudit signal de sortie calculées auxdits instants ; et - ladite caractéristique est déterminée à l'aide d'une fonction prédéterminée ou d'un tableau prédéterminé, faisant correspondre à chaque valeur efficace du signal de sortie une valeur de la caractéristique.Thanks to the presence of these acoustic signals, the applicant has thought to find if the voltage delivered to the terminals of the cell, which is predominantly continuous, had an alternating component. Having succeeded in isolating this alternative component, the Applicant has discovered that this alternative component incorporates exploitable information relating to the cell. Thus, for example, the applicant could determine the level of charge of the cell using this single AC component. Thanks to the invention, it is no longer necessary to accurately measure the DC voltage across the cell to obtain the characteristics of the cell. On the contrary, it is only necessary to measure the AC component of the voltage at the terminals of the cell, which proves to be simple and inexpensive in that the AC voltage considered varies around 0 volts (it is more difficult to measure precisely a voltage that varies in a range of several volts). Thus, the invention makes it possible to obtain precise results which are furthermore insensitive to temperature variations. Other advantageous and non-limiting features of the method according to the invention are the following: said characteristic comprises the state of charge of said cell; in step b), said AC component is determined by filtering the voltage signal acquired in step a) by means of a high-pass filter; in step c), the alternative component determined in step b) is amplified with a gain greater than 50 in absolute value; in step c), said characteristic is evaluated using an output signal which corresponds to said AC component cut in a determined frequency band; said output signal is obtained by filtering said AC component 30 by means of a bandpass filter; in step c), said characteristic is evaluated as a function of the rms value of said output signal; - prior to the evaluation of said characteristic, there is provided a removal operation of the rms values considered aberrant; during said elimination operation, a substantially constant reference signal is determined by cutting off said AC component in a second frequency band distinct from said frequency band, the rms value of said reference signal is calculated, the times are determined; to which the rms value of the reference signal has an amplitude peak, and excluding the rms values of said output signal calculated at said times; and - said characteristic is determined using a predetermined function or a predetermined table, corresponding to each effective value of the output signal a value of the characteristic.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un véhicule automobile équipé d'une batterie d'accumulateurs comprenant une pluralité de cellules, et d'un calculateur adapté à mettre en oeuvre une méthode d'estimation de l'état de charge de l'une des cellules ; - la figure 2 est un schéma du circuit équivalent proposé pour une des cellules de la figure 1 en fonctionnement, c'est-à-dire en charge ou en décharge ; - la figure 3 est un schéma électrique des filtres appliqués à la tension mesurée aux bornes de la cellule de la figure 2, permettant d'obtenir un signal de sortie ; - la figure 4 est un graphique illustrant les variations de la valeur efficace du signal de sortie en fonction du temps ; - la figure 5 est un graphique illustrant les variations de la valeur efficace d'un signal de référence en fonction du temps ; - la figure 6 est un graphique illustrant les variations de la valeur efficace corrigée du signal de sortie en fonction du temps ; et - la figure 7 est un graphique illustrant les variations de l'état de charge en fonction de la valeur efficace du signal de sortie. Sur la figure 1, on a représenté très schématiquement un véhicule automobile 1. Ce véhicule automobile 1 est ici un véhicule électrique. Il comporte alors un moteur électrique 10 prévu pour entraîner en rotation ses roues motrices 20. En variante, il pourrait s'agir d'un véhicule hybride, comportant un moteur à combustion interne et un moteur électrique pour l'entraînement de ses roues motrices.DETAILED DESCRIPTION OF AN EXEMPLARY EMBODIMENT The following description with reference to the accompanying drawings, given as non-limiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be achieved. In the accompanying drawings: FIG. 1 is a schematic view of a motor vehicle equipped with a storage battery comprising a plurality of cells, and a calculator adapted to implement a method of estimating the state of charge of one of the cells; FIG. 2 is a diagram of the equivalent circuit proposed for one of the cells of FIG. 1 in operation, that is to say in charge or in discharge; FIG. 3 is an electrical diagram of the filters applied to the voltage measured at the terminals of the cell of FIG. 2, making it possible to obtain an output signal; FIG. 4 is a graph illustrating the variations of the rms value of the output signal as a function of time; FIG. 5 is a graph illustrating the variations of the rms value of a reference signal as a function of time; FIG. 6 is a graph illustrating the variations of the corrected effective value of the output signal as a function of time; and FIG. 7 is a graph illustrating the variations of the state of charge as a function of the rms value of the output signal. In Figure 1, there is shown very schematically a motor vehicle 1. This motor vehicle 1 is here an electric vehicle. It then comprises an electric motor 10 designed to drive its driving wheels 20 in rotation. In a variant, it could be a hybrid vehicle comprising an internal combustion engine and an electric motor for driving its driving wheels.
Comme le montre la figure 1, le véhicule automobile 1 comporte une batterie d'accumulateurs, appelée batterie de traction 40. Cette batterie de traction 40 est ici exclusivement prévue pour alimenter le moteur électrique 10 en courant. En variante, cette batterie de traction pourrait être également prévue pour alimenter en courant différents appareils électriques consommateurs de courant, tels que le système de direction assistée, le système de climatisation... Cette batterie de traction 40 comporte un boîtier extérieur 43 en saillie duquel émergent deux bornes positive 44 et négative 45 connectées au moteur électrique 10 via un boîtier électronique de puissance (non représenté).As shown in Figure 1, the motor vehicle 1 comprises a storage battery, called traction battery 40. This traction battery 40 is here exclusively intended to supply the electric motor 10 with current. Alternatively, this traction battery could also be provided for supplying current to various current-consuming electrical appliances, such as the power steering system, the air-conditioning system, etc. This traction battery 40 comprises an outer housing 43 projecting from two positive 44 and negative 45 terminals are emerge connected to the electric motor 10 via an electronic power unit (not shown).
La batterie de traction 40 comporte également une pluralité de cellules 41 qui sont logées dans le boîtier extérieur 43 et qui sont ici branchées en série entre les deux bornes positive 44 et négative 45. En variante, on pourrait prévoir que les cellules soient connectées par couples en parallèles, et que ces couples de cellules soient branchés en série entre les deux bornes positive et négative. Le nombre de cellules 41 utilisé est déterminé de telle sorte que le moteur électrique 10 puisse développer un couple et une puissance suffisants pour propulser le véhicule automobile 1 pendant une durée prédéterminée. Une cellule de batterie de traction délivrant habituellement une tension de l'ordre de 3 à 5 V, le nombre de cellule 41 est alors calculé de telle manière que la tension aux bornes de la batterie de traction 40 puisse atteindre 400 V. A ce stade, on notera qu'on entend par « cellule » un élément électrochimique apte à stocker de l'énergie électrique lorsqu'il est alimenté en courant par un réseau électrique extérieur, puis à restituer ultérieurement cette énergie électrique. Ici, les cellules 41 considérées sont des batteries Lithium-ion, mais il pourra s'agir en variante de tout autre type de cellules (plomb, nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique, ...). Classiquement, chaque cellule 41 comporte une enveloppe qui renferme un électrolyte et dont font saillies deux électrodes.The traction battery 40 also comprises a plurality of cells 41 which are housed in the outer casing 43 and which are here connected in series between the two positive and negative 44 terminals. Alternatively, it could be provided that the cells are connected in pairs. in parallel, and that these pairs of cells are connected in series between the two positive and negative terminals. The number of cells 41 used is determined so that the electric motor 10 can develop sufficient torque and power to propel the motor vehicle 1 for a predetermined time. A traction battery cell usually delivering a voltage of the order of 3 to 5 V, the cell number 41 is then calculated such that the voltage across the traction battery 40 can reach 400 V. At this point it will be noted that the term "cell" means an electrochemical element capable of storing electrical energy when it is supplied with current by an external electrical network, and then subsequently restoring this electrical energy. Here, the cells 41 considered are lithium-ion batteries, but it may be an alternative to any other type of cells (lead, nickel-cadmium, nickel-metal hydride, ...). Classically, each cell 41 comprises an envelope which encloses an electrolyte and from which two electrodes protrude.
Dans la suite de cet exposé, nous ne nous intéresserons qu'à l'une de ces cellules 41, les autres cellules étant traitées de la même manière. Sur la figure 2, on a représenté un schéma équivalent de cette cellule 41 lorsqu'elle alimente le moteur électrique 10 et qu'elle lui délivre une tension U1.In the remainder of this talk, we will only be interested in one of these cells 41, the other cells being treated in the same way. FIG. 2 shows an equivalent diagram of this cell 41 when it supplies the electric motor 10 and delivers a voltage U1 to it.
Le modèle du circuit électrique utilisé dans la présente invention consiste à considérer que la cellule 41 est formée de trois éléments distincts branchés en série, dont : - une source de tension continue 50 aux bornes de laquelle on mesure une tension UO ; - une source de tension alternative 51 aux bornes de laquelle on mesure une tension U2 ; et - une impédance interne 52. La tension UO correspond à la composante continue de la tension U1, tandis que la tension U2 correspond à la composante alternative de cette tension 15 U1. La cellule 41 présente un niveau de charge (ou « état de charge ») noté SOC (acronyme anglais de "State Of Charge"), qui évolue lors de sa charge ou de sa décharge. Ce niveau de charge SOC s'exprime en pourcentage. Il traduit l'état de 20 chargement de la cellule 41 considérée, entre un niveau de charge minimal où la batterie n'est plus utilisable (0 %), et un niveau de charge maximal (100 %). Il s'avère alors essentiel, et c'est d'ailleurs l'un des objets de la présente invention, de déterminer précisément ce niveau de charge SOC en vue d'informer le conducteur de l'autonomie restante de la batterie d'accumulateurs 40. 25 Le véhicule automobile 1 comporte à cet effet un calculateur 30, qui est ici représenté comme étant indépendant de la batterie de traction 40. Ce calculateur est de préférence toutefois intégré à la batterie. Ici, comme le montre la figure 1, le calculateur 30 comprend un processeur (CPU), une mémoire vive (RAM), une mémoire morte (ROM), des 30 convertisseurs analogiques-numériques (A/D), et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 30 est adapté à recevoir de différents capteurs des signaux d'entrée relatifs à la batterie de traction 40. Dans sa mémoire vive, le calculateur 30 mémorise ainsi en continu : - la température T de la batterie de traction 40, mesurée ici à l'aide d'un capteur de température situé dans le boîtier extérieur 43 de la batterie de traction 40, - l'intensité I du courant débité par la batterie de traction 40, à l'aide d'un ampèremètre connecté électriquement entre les cellules 41 et la borne négative 45 de la batterie de traction 40, et - une tension de sortie U4, obtenue par filtrage de la tension U1 mesurée aux bornes de la cellule 41, au moyen d'un système de filtrage analogique 100. Grâce à un logiciel mémorisé dans sa mémoire morte, le calculateur 30 est adapté à déterminer, en fonction de la tension de sortie U4, le niveau de charge SOC de la cellule 41. Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 30 est adapté à transmettre ce niveau de charge SOC à l'unité globale de pilotage du moteur électrique 10, de manière que ce dernier puisse afficher ce niveau de charge dans le champ de vision du conducteur du véhicule. Dans la suite de cet exposé, on détaillera l'architecture du système de filtrage analogique 100 et le procédé que ce système de filtrage analogique 100 et le logiciel sont adaptés à mettre en oeuvre pour déterminer le niveau de charge SOC.The model of the electric circuit used in the present invention consists in considering that the cell 41 is formed of three distinct elements connected in series, of which: a DC voltage source 50 at the terminals of which a voltage UO is measured; an alternating voltage source 51 across which a voltage U2 is measured; and an internal impedance 52. The voltage U0 corresponds to the DC component of the voltage U1, whereas the voltage U2 corresponds to the AC component of this voltage U1. The cell 41 has a level of charge (or "state of charge") noted SOC (acronym for "State Of Charge"), which evolves during its charging or discharge. This SOC load level is expressed as a percentage. It reflects the state of loading of the cell 41 considered, between a minimum charge level where the battery is no longer usable (0%), and a maximum charge level (100%). It is therefore essential, and this is also one of the objects of the present invention, to precisely determine this SOC load level in order to inform the driver of the remaining battery life of the battery 40. 25 The motor vehicle 1 comprises for this purpose a computer 30, which is here shown as being independent of the traction battery 40. This computer is preferably however integrated in the battery. Here, as shown in FIG. 1, the computer 30 comprises a processor (CPU), a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM), analog-digital converters (A / D), and various interfaces. entry and exit. Thanks to its input interfaces, the computer 30 is adapted to receive different sensors input signals relating to the traction battery 40. In its random access memory, the computer 30 thus continuously stores: the temperature T of the traction battery 40, measured here by means of a temperature sensor located in the outer casing 43 of the traction battery 40, the intensity I of the current delivered by the traction battery 40, using an ammeter electrically connected between the cells 41 and the negative terminal 45 of the traction battery 40, and an output voltage U4, obtained by filtering the voltage U1 measured at the terminals of the cell 41, by means of a system analog filter 100. Thanks to software stored in its read-only memory, the computer 30 is adapted to determine, as a function of the output voltage U4, the charge level SOC of the cell 41. Finally, thanks to its output interfaces , the callus The culator 30 is adapted to transmit this SOC charge level to the global driving unit of the electric motor 10, so that the latter can display this level of charge in the field of view of the driver of the vehicle. In the remainder of this talk, the architecture of the analog filtering system 100 and the method that this analog filtering system 100 and the software are adapted to implement for determining the SOC charge level will be detailed.
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, ce système de filtrage analogique 100 et ce logiciel sont adaptés à mettre en oeuvre une méthode d'estimation de la valeur d'une caractéristique de la cellule 41 en cours de charge ou de décharge, qui comporte des étapes : a) d'acquisition du signal de tension U1 aux bornes de la cellule 41, b) de détermination d'une composante alternative U2 du signal de tension U1 acquis à l'étape a), et c) d'évaluation de la valeur de ladite caractéristique en fonction de la composante alternative U2 déterminée. Dans l'exemple ici illustré, la caractéristique de la cellule 41 que l'on cherchera à déterminer est l'état de charge SOC de ladite cellule 41. En variante, comme cela sera décrit à la fin de cet exposé, il pourra s'agir d'une autre caractéristique. L'étape a) d'acquisition du signal de tension U1 aux bornes de la cellule 41 peut être faite de diverses manières. Elle pourra ainsi être réalisée au moyen de tout voltmètre branché en parallèle de la cellule 41. Elle pourra notamment être réalisée à l'aide d'une carte son externe sur port USB, telle que par exemple la carte « Sound Blaster X-Fi HD » en mode 96 kHz 24 bits, une fois celle-ci calibrée en amplitude avec un générateur de signaux Tektronix AFG3102 sur une charge traversante de 50 ohms. Cette acquisition aurait également pu être opérée à une fréquence d'échantillonnage plus basse, pour autant que cette fréquence soit en adéquation avec la technologie électrochimique et avec le type de cellule 41. Ainsi, pour la cellule 41 ici considérée, une fréquence d'échantillonnage de 6 kHz aurait été suffisante. A l'étape b), la composante alternative U2 du signal de tension U1 est obtenue en filtrant le signal de tension U1 au moyen d'un filtre passe-haut 105. Comme le montre la figure 3, le système de filtrage analogique 100 comporte à cet effet un condensateur qui, monté en série avec la cellule 41, a une fonction de filtre passe haut. Ce condensateur permet ainsi d'isoler la composante alternative U2 du signal de tension U1, en supprimant sa composante continue UO. La composante alternative U2 du signal de tension U1 oscille autour de 0 volt. On observe alors que la mesure de cette composante alternative U2 est peu 20 sensible aux variations de température et aux parasites d'origine électromagnétique, ce qui permet d'obtenir un signal précis pour un coût réduit. A l'étape c), il est tout d'abord prévu une opération d'amplification de la composante alternative U2 du signal de tension U1. Ici, comme le montre la figure 3, le système de filtrage analogique 100 25 comporte à cet effet un amplificateur 110 qui est formé par un amplificateur opérationnel monté en non inverseur, dont le gain est supérieur à 50 en valeur absolue. Ici, le gain de ce filtre 110 est choisi égal à -1000. L'amplificateur opérationnel utilisé pour son très faible bruit et sa large bande passante (plusieurs dizaines de kilohertz) est un Texas Instrument LME49990. 30 On obtient ainsi en sortie de ce filtre 110 un signal amplifié U3. En variante, on aurait pu utiliser un amplificateur opérationnel monté en non inverseur. Le signal amplifié U3 ne fournit pas d'information exploitable sur toute sa bande passante.According to a particularly advantageous characteristic of the invention, this analog filtering system 100 and this software are adapted to implement a method of estimating the value of a characteristic of the cell 41 during charging or discharging, which comprises steps of: a) acquisition of the voltage signal U1 at the terminals of the cell 41, b) determination of an alternating component U2 of the voltage signal U1 acquired in step a), and c) evaluation the value of said characteristic as a function of the determined alternative component U2. In the example illustrated here, the characteristic of the cell 41 to be determined is the state of charge SOC of said cell 41. Alternatively, as will be described at the end of this presentation, it will be possible to act of another characteristic. The step a) of acquiring the voltage signal U1 at the terminals of the cell 41 may be made in various ways. It can thus be achieved by means of any voltmeter connected in parallel with the cell 41. It may in particular be carried out using an external sound card on USB port, such as for example the "Sound Blaster X-Fi HD" card. In 24-bit 96 kHz mode, once calibrated in amplitude with a Tektronix AFG3102 signal generator on a 50-ohm through load. This acquisition could also have been performed at a lower sampling frequency, provided that this frequency is in line with the electrochemical technology and with the cell type 41. Thus, for the cell 41 considered here, a sampling frequency 6 kHz would have been sufficient. In step b), the alternating component U2 of the voltage signal U1 is obtained by filtering the voltage signal U1 by means of a high-pass filter 105. As shown in FIG. 3, the analog filtering system 100 comprises for this purpose a capacitor which, connected in series with the cell 41, has a high pass filter function. This capacitor thus makes it possible to isolate the alternating component U2 from the voltage signal U1, by eliminating its DC component U0. The alternating component U2 of the voltage signal U1 oscillates around 0 volts. It is then observed that the measurement of this alternative component U2 is not very sensitive to temperature variations and electromagnetic interference, which makes it possible to obtain an accurate signal at a reduced cost. In step c), an operation is first provided for amplifying the alternating component U2 of the voltage signal U1. Here, as shown in Figure 3, the analog filtering system 100 comprises for this purpose an amplifier 110 which is formed by an operational amplifier mounted in a non-inverter, whose gain is greater than 50 in absolute value. Here, the gain of this filter 110 is chosen equal to -1000. The operational amplifier used for its very low noise and wide bandwidth (several tens of kilohertz) is a Texas Instrument LME49990. Thus, at the output of this filter 110, an amplified signal U3 is obtained. As a variant, an operational amplifier mounted as a non-inverter could have been used. The amplified signal U3 does not provide usable information over its entire bandwidth.
Il existe ainsi au moins une première bande de fréquences AF1 dans laquelle il est possible d'extraire une information relative à l'état de charge SOC de la cellule 41, et une seconde bande de fréquences AF2 dans laquelle aucune information de ce type n'est exploitable.There is thus at least a first frequency band AF1 in which it is possible to extract information relating to the state of charge SOC of the cell 41, and a second frequency band AF2 in which no such information is available. is exploitable.
Ici, la première bande de fréquences AF1 est comprise entre 100Hz et 1100Hz et la seconde bande de fréquences AF2 est comprise entre 2000Hz et 3000Hz. Alors, le signal amplifié U3 est coupé pour isoler la première bande de fréquences AF1 et obtenir ainsi le signal de sortie U4.Here, the first frequency band AF1 is between 100Hz and 1100Hz and the second frequency band AF2 is between 2000Hz and 3000Hz. Then, the amplified signal U3 is cut to isolate the first frequency band AF1 and thus obtain the output signal U4.
Le système de filtrage analogique 100 comporte à cet effet un filtre passe-bande d'ordre 2 ou supérieur. Ici, comme le montre la figure 3, ce filtre passe-bande est obtenu en montant en série deux amplificateurs opérationnels, dont un premier amplificateur opérationnel 120 monté en passe-bas d'ordre 2 et un second amplificateur opérationnel 130 monté en passe-haut d'ordre 2. En variante, l'un et/ou l'autre des ces deux amplificateurs opérationnels pourraient présenter un ordre supérieur à 2 pour conférer au signal de sortie U4 une meilleure précision. Encore en variante, on aurait pu réaliser cette opération de filtrage non pas à l'aide du système de filtrage analogique, mais plutôt à l'aide du calculateur 30, sous forme numérique (au moyen d'un filtre passe-bande ou d'une transformée de Fourier intégrée au calculateur). Dans cette variante, il sera alors possible de filtrer au préalable le signal amplifié U3, afin de l'écrêter pour en extraire toutes les valeurs absurdes.For this purpose, the analog filtering system 100 comprises a bandpass filter of order 2 or higher. Here, as shown in FIG. 3, this band-pass filter is obtained by serially mounting two operational amplifiers, including a first operational amplifier 120 mounted on a low-pass second-order and a second operational amplifier 130 mounted on a high-pass. Alternatively, one and / or the other of these two operational amplifiers could have an order greater than 2 to give the output signal U4 a better accuracy. In another variant, this filtering operation could have been carried out not with the aid of the analog filtering system, but rather with the aid of the computer 30, in digital form (by means of a band-pass filter or by a Fourier transform integrated in the calculator). In this variant, it will then be possible to first filter the amplified signal U3, in order to clip it to extract all the absurd values.
Ici, le signal de sortie U4 est sous forme analogique et est numérisé pour être traité par le calculateur 30. Le calculateur 30 exploite ensuite le signal de sortie U4 en calculant à intervalle de temps déterminée (appelée période T) une valeur efficace RMS (acronyme anglais de "Root Mean Square").Here, the output signal U4 is in analog form and is digitized for processing by the computer 30. The computer 30 then uses the output signal U4 by calculating at a determined time interval (called period T) an effective value RMS (acronym English of "Root Mean Square").
Physiquement, cette valeur efficace RMS correspond à la valeur de la tension continue qui provoquerait une même dissipation de puissance que le signal de sortie U4. Elle se calcule au moyen de la formule suivante : 1 fto+T RMS = U42(t)dt ro Cette valeur efficace RMS est calculée à chaque période T. Cette période T est de préférence choisie inférieure ou égale à la minute, par exemple égale à 6 secondes. L'évolution de cette valeur efficace RMS en fonction du temps est représentée en détail sur la figure 4, pour une cellule 41 de marque A123 de 2.3 Ah branchée sur une résistance de 4.7 ohms. Pour une meilleure lisibilité de cette courbe, la période T a été choisie égale à une minute. Comme cela apparaît clairement sur la figure 4, l'évolution de cette valeur efficace RMS est bruitée en ce sens qu'elle comporte des valeurs 10 aberrantes. Ici, la valeur efficace RMS n'est donc pas utilisée brute pour calculer le niveau de charge SOC de la cellule 41. Il est au contraire préférentiellement prévu une opération préalable de suppression de ces valeurs aberrantes. Pour cela, on compare la courbe d'évolution de la valeur efficace RMS 15 du signal de sortie U4 (figure 4) avec une courbe d'évolution de la valeur efficace RMSref d'un signal de référence U5 (figure 4). Ce signal de référence U5 est issu du système de filtrage analogique 100, ce qui permet d'être certain qu'il a subi les mêmes perturbations que le signal de sortie U4. 20 En pratique, ce signal de référence U5 est obtenu en coupant le signal amplifié U3 dans la seconde bande de fréquences AF2, au moyen d'un filtre passe-bande identique à celui utilisé pour obtenir le signal de sortie U4. Ce signal de référence U5 est ensuite numérisé puis traité par le calculateur 30 qui en détermine la valeur efficace RMSref. 25 On observe que l'évolution de la valeur efficace RMSref du signal de référence U5 est sensiblement constante, mais qu'elle comporte toutefois des valeurs aberrantes qui apparaissent aux mêmes instants t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7 que les valeurs aberrantes de la valeur efficace RMS du signal de sortie U4. Puisque l'évolution de la valeur efficace RMSref est sensée être 30 constante, il est plus facile de repérer les pics d'amplitude et donc les instants t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7 précités.Physically, this rms value corresponds to the value of the DC voltage which would cause the same power dissipation as the output signal U4. It is calculated by means of the following formula: ## EQU1 ## This effective value RMS is calculated at each period T. This period T is preferably chosen less than or equal to one minute, for example equal to at 6 seconds. The evolution of this RMS value as a function of time is shown in detail in FIG. 4, for a cell 41 of mark A123 of 2.3 Ah connected to a resistor of 4.7 ohms. For a better readability of this curve, the period T was chosen equal to one minute. As is clear from FIG. 4, the evolution of this RMS rms value is noisy in that it has outliers. Here, the RMS rms value is therefore not used gross to calculate the SOC charge level of the cell 41. On the contrary, it is preferentially provided for a preliminary operation to eliminate these outliers. For this, the evolution curve of the RMS value 15 of the output signal U4 (FIG. 4) is compared with a curve of evolution of the RMSref rms value of a reference signal U5 (FIG. 4). This reference signal U5 is derived from the analog filtering system 100, which makes it possible to be certain that it has undergone the same disturbances as the output signal U4. In practice, this reference signal U5 is obtained by cutting the amplified signal U3 in the second frequency band AF2, by means of a bandpass filter identical to that used to obtain the output signal U4. This reference signal U5 is then digitized and processed by the computer 30 which determines the effective value RMSref. It can be seen that the evolution of the effective value RMSref of the reference signal U5 is substantially constant, but that it nevertheless includes outliers which appear at the same times t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7 as the outliers of the RMS rms value of the output signal U4. Since the evolution of the RMSref rms value is supposed to be constant, it is easier to identify the amplitude peaks and thus the times t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7 above.
Pour repérer ces instants, le calculateur 30, après avoir calculé la valeur efficace RMSref du signal de référence U5, calcule l'écart entre cette valeur efficace RMSref et la moyenne des dix valeurs efficaces RMSref calculées précédemment. Si cet écart est supérieur à un seuil prédéterminé, le calculateur 30 en déduit que la valeur efficace RMSref considérée est aberrante et qu'il en est de même pour la dernière valeur RMS calculée. Pour repérer ces instants tl , t2, t3, t4, t5, t6, t7, le calculateur 30 pourrait bien entendu procéder autrement. Il pourrait ainsi opérer par simple seuillage, par filtrage statistique ou par filtrage temporel.To identify these times, the computer 30, after calculating the effective value RMSref of the reference signal U5, calculates the difference between this effective value RMSref and the average of the ten RMSref effective values calculated above. If this difference is greater than a predetermined threshold, the computer 30 deduces that the effective value RMSref considered is aberrant and it is the same for the last calculated RMS value. To identify these instants t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, the computer 30 could of course proceed otherwise. It could thus operate by simple thresholding, by statistical filtering or by temporal filtering.
Sur la figure 6, on a représenté l'évolution temporelle de la valeur efficace RMS du signal de sortie U4, une fois les valeurs aberrantes supprimées par le calculateur 30 (cette fois avec une période T de 6 secondes). On parle alors de valeur efficace corrigée RMScor. Reste alors pour le calculateur 30 à déduire de chaque valeur efficace 15 corrigée RMScor un état de charge SOC correspondant de la cellule 41. Pour cela, le calculateur 30 utilise une fonction prédéterminée ou un tableau prédéterminé mémorisé dans sa mémoire morte. Il s'agit ici d'une fonction Fi, représentée en traits discontinus sur la figure 7.FIG. 6 shows the time evolution of the RMS rms value of the output signal U4, once the aberrant values have been suppressed by the computer 30 (this time with a period T of 6 seconds). This is called corrected RMScor effective value. It remains for the computer 30 to deduce from each corrected RMScor effective value a SOC charge state corresponding to the cell 41. For this, the computer 30 uses a predetermined function or a predetermined table stored in its read-only memory. This is a function Fi, shown in broken lines in Figure 7.
20 Cette fonction F1 est ici une interpolation polynomiale d'ordre 2 de la courbe Cl représentée en trait continu sur cette même figure 7. Cette courbe Ci, qui associe à chaque valeur efficace corrigée RMScor un état de charge SOC correspondant, est obtenue en laboratoire (par des solutions techniques connues mais onéreuses, difficilement embarquables dans 25 un véhicule). En résumé, à chaque pas de temps de période T, la calculateur 30 peut alors calculer les valeurs efficaces RMS, RMSref, puis si la valeur efficace RMS n'est pas aberrante, calculer à l'aide de la fonction F1 précitée le niveau de charge SOC de la cellule 41.This function F1 is here a polynomial interpolation of order 2 of the curve C1 represented in solid lines in this same FIG. 7. This curve Ci, which associates with each corrected effective value RMScor a corresponding state of charge SOC, is obtained in the laboratory. (by technical solutions known but expensive, hardly embeddable in a vehicle). In summary, at each time step of period T, the computer 30 can then calculate the RMS rms, RMSref, and if the RMS rms value is not aberrant, calculate using the F1 function above the level of SOC load of cell 41.
30 La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. Ainsi, même si les variations de température ont une influence limitée sur les résultats de la méthode utilisée, on pourra toutefois améliorer l'estimation en tenant compte de la température T mesurée. On pourra pour cela procéder de diverses manières, comme cela est par ailleurs bien connu de l'Homme du métier, par exemple au moyen d'un filtre de Kalman. On pourra également tenir compte des courants I mesurés, par exemple en utilisant la méthode de comptage de coulomb. Selon une autre variante, en lieu et place de l'état de charge SOC, ou en complément du calcul de cet état de charge SOC, on aurait pu utiliser la méthode ici décrite pour calculer d'autres paramètres de la cellule 41, tels que par exemple sa capacité maximale Q ou un indicateur de vieillissement SOH (acronyme anglais de « State of Health » ou état de santé »). On rappelle que la capacité maximale Q de la cellule 41, qui s'exprime généralement en ampère-heure, permet de connaître la durée pendant laquelle la cellule peut fournir un courant électrique d'un ampérage donné. Cette capacité se dégrade au cours du temps, en fonction notamment de l'historique de température de la batterie et de son historique de cycles de charge et décharge. L'indicateur de vieillissement SOH s'exprime en pourcentage. Il fournit une information quant à l'état de vieillissement de la cellule 41 considérée. En règle générale, au moment de la fabrication de la cellule 41, l'indicateur de vieillissement SOH est égal ou légèrement inférieur à 100%, puis il diminue avec le temps, selon l'utilisation qui est faite de la cellule 41. On pourrait ainsi par exemple calculer ces deux paramètres Q, SOH en fonction de l'état de charge SOC calculé selon la méthode décrite supra, selon une méthode bien connue de l'homme du métier. Selon une autre variante, on aurait pu prévoir d'utiliser toute la bande passante du signal amplifié U3 pour calculer la valeur de l'état de charge SOC, auquel cas le résultat aurait toutefois été moins précis.The present invention is in no way limited to the embodiment described and shown, but those skilled in the art will be able to make any variant within their mind. Thus, even if the temperature variations have a limited influence on the results of the method used, it will however be possible to improve the estimate taking into account the temperature T measured. This can be done in various ways, as is otherwise well known to those skilled in the art, for example by means of a Kalman filter. Measured currents I can also be taken into account, for example by using the coulomb counting method. According to another variant, instead of the SOC state of charge, or in addition to the calculation of this SOC state of charge, the method described here could have been used to calculate other parameters of the cell 41, such as for example its maximum capacity Q or an aging indicator SOH (acronym for "State of Health"). It is recalled that the maximum capacity Q of the cell 41, which is generally expressed in ampere-hours, makes it possible to know the duration during which the cell can supply an electric current of a given amperage. This capacity deteriorates over time, depending in particular on the temperature history of the battery and its history of charging and discharging cycles. The SOH aging indicator is expressed as a percentage. It provides information as to the state of aging of the cell 41 considered. As a general rule, at the time of manufacture of the cell 41, the aging indicator SOH is equal to or slightly less than 100%, then decreases with time, depending on the use made of the cell 41. thus, for example, calculating these two parameters Q, SOH as a function of the state of charge SOC calculated according to the method described above, according to a method well known to those skilled in the art. According to another variant, it would have been possible to use the entire bandwidth of the amplified signal U3 to calculate the SOC state of charge value, in which case the result would have been less accurate.
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