Brevet FR2615627A1 — publié le 19881125

La présente invention concerne un procédé et une installation permettant de déterminer avec précision l'autonomie des générateurs électrochimiques, tels que des batteries d'accumulateurs, au cours de leur cycle de décharge. On sait que la connaissance de l'autonomie de ce type de générateur est très importante, par exemple dans le cas de batteries d'accumulateurs alimentant des appareils ou machines alimentés normalement par le secteur, et dont l'arrêt intempestif en cas de panne secteur est critique: c'est le cas tout particulièrement des systèmes de secours d'alimentation des ordinateurs. Or, il n'existe pas de loi électrique permettant de calculer avec précision l'autonomie des générateurs électrochimiques du type batteries d'accumulateurs dont le fonctionement n'est pas prévisible. Il n'est pas possible non plus de tenir compte du vieillissement des batteries, ni même de l'influence de la température lorsqu'elle varie brusquement; or ces points influent d'une façon très importante sur l'autonomie des batteries. L'invention propose une solution à ce type de problème, qui assure une connaissance en temps réel de l'autonomie disponible (et plus particulièrement du temps d'utilisation disponible) des batteries dès que celles-ci suppléent à une défaillance secteur. Bien que le système de l'invention ait été conçu en premier lieu pour déterminer l'autonomie des batteries stationnaires des alimentations ininterruptibles de puissance (onduleurs) fournissant de l'énergie aux ordinateurs, cette utilisation n'est pas exhaustive, et 1 invention peut servir par exemple à déterminer l'autonomie des batteries d'appareils de traction divers (motrices de trains, chariots de manutention, robots mobiles d'une façon générale tous équipements utilisant des batteries d'accumulateur. L'invention concerne en premier lieu un procédé pour déterminer l'autonomie d'un générateur éléctrochimique, notament une batterie d'accumulateurs, au cours de chacun de ses cycles de décharge, caractérisé en ce que: - pendant un cycle de rang n, on mesure les paramètres de tension et d'intensité de courant, et on établit une courbe de décharge témoin qui est mise en mémoire - au cours du cycle de décharge suivant, de rang n + 1, les paramètres de tension et d'intensité du courant mesurés sont comparés à la courbe de décharge témoin précédente, mise en mémoire - et on déduit de cette comparaison une prévision du temps d'autonomie de la batterie. Par ailleurs, le procédé est complété par le fait que l'on tient compte, pour l'établissement de la courbe de décharge témoin utilisée pour la décharge de rang n + 1, des variations pouvant intervenir lors de la charge de la batterie, après la décharge de rang n et provenant du viellissement ou des conditions de- température d'utilisation de la batterie. L'invention concerne également une installation mettant en oeuvre le procédé ci-desssus et comportant du moins un récepteur -d'éner- gie électrique et un générateur électrochimique constituant une source principale ou accéssoire de courant, caractérisée en ce qu'elle présente en outre un dispositif assurant, au cours de chaque décharge du générateur , la détermination précise de l'autonomie de ce dernier par une méthode d'apprentissage. Plus spécifiquement le dispositif d'apprentissage comporte: - une prise de tension (1) du générateur GE - un capteur (2) d'intensité de courant continu (tel qu'un capteur à effet Hall ou un shunt), pour l'acquisition d'informations sur le courant. de décharge du générateur - un ensemble électronique (3) auquel sont raccordés la prise 1 et le capteur 2, et qui assure la gestion des informations en provenance du générateur. - un ensemble (4) de traitement et de calcul alimenté par l'ensemble (3) et comportant un programme d'analyse du cycle de décharge du générateur et de calcul de son autonomie. - un ensemble (5, 6) d'affichage des informations. Le procédé et l'installation, objets de l'invention, permettent donc de connaître l'autonomie exacte d'une batterie au cours de chaque cycle de décharge. L'énergie contenue dans la batterie est mesurée à l'aide de capteurs de tension et de courant, l'autonomie est déterminée- à l'aide d'un calculateur suivant un algorithme présenté en figure 3, et le temps d'utilisation correspondant est affiché en minutes, ce qui permet à l'utilisateur de prendre toutes les mesures qui s'imposent pour arrêter la charge (qui est un récepteur d'énergie tel qu'ordinateur, moteur...) avant que la fin d'autonomie soit atteinte. Cette information peut également être transmise par liaison informatique à un éventuel ordinateur de contrôle. On décrira à présent une forme de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme représentant les diverses fonctions d'une installation selon l'invention; - la figure 2 représente deux courbes de décharge d'une même batterie montrant les variations de ses caractéristiques en fonction de son vieillissement; - la figure 3 est le schéma par bloc de l'algorithme utilisé par le calculateur d'autonomie; et comme on le voit à la figure 1 l'installation comporte un générateur d'énergie, GE, par exemple une batterie d'accumulateurs reliée à un recepteur d'énergie REE, par exemple un onduleur alimentant un ordinateur.Le système de détermination de l'autonomie de la batterie GE comporte: - une prise de tension (1) de batterie et un capteur (2) à effet Hall, (ou tout autre dipositif permettant de mesurer un courant continu par exemple un shunt) pour l'acquisition du courant de décharge batterie. - d'une électronique de gestion (3) d'acquisition des informa- tions batterie, isolation et multiplexage courant/tension à laquelle sont reliés la prise 1 et le capteur 2. Cette électronique 3 réalise également l'isolement galvanique avant traitement; - d'une électronique de traitement et de calcul (4). Il s'agit d'un système micro-programmé traditionnel: tout ordinateur, mini ou micro-ordinateur, peut remplir cet office. Dans le cas présent on utilise une carte équipée d'un micro-contrôleur "INTEL" (marque déposée) 8052 AH BASIC, d'une mémoire vive (RAM), d'une mémoire morte (EPROM), ainsi qu'éventuellement les circuits gérant la liaison informatique de branchement à un ordinateur (7). Le programme informatique d'analyse du cycle de décharge et de calcul de l'autonomie est résident en mémoire. - d'une électronique d'interfaçage avec des voyants leds et un afficheur digital.(5); Cette électronique peut être réalisée à l'aide de circuits électroniques traditionnels, par exemple un PIA (Peripheral Interface Adapter) de "Intel" (marque déposée). - d'une électronique d'affichage avec son décodage. Cette électronique supporte également des voyants leds (repère 6). Le système peut assurer la sauvegarde des informations sur -les décharges antérieures grâce à des batteries (non représentées) qui secourent la mémoire. Le fonctionnement du système est basé sur une méthode d'apprentissage:# grâce à l'emploi du système micro-programmé, (4) la dernière courbe d'une décharge de rang "n" de la batterie est mémorisée. Lors de la décharge de rang "n + 1", les paramètres de tension et de courant sont mesurés, et comparés à la courbe déjà en mémoire: on peut ainsi en déduire le temps d'autonomie pour la décharge de rang "n + i". A chaque nouvelle décharge de la batterie une nouvelle courbe est enregistrée, qui remplace la précédente. Le système tient compte des variations de puissance de la charge (voir algorithme figure 3, et la démonstration mathématique ci-après). Ce principe de fonctionnement permet de garantir une grande précision, l'analyse tenant compte ainsi du vieillissement de la batterie et de la température normale moyenne de la batterie. En option une sonde de température peut être installée, ce qui permet de corriger la courbe en fonction de la température. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas où la batterie d'accumulateur est sujette à des variations de température (par exemple en cas de chargement et stockage dans un local chauffé, et décharge à l'extérieur). Lors de l'ins#tallation de l'appareil une première décharge batterie est réalisée et permet d'enregistrer la première courbe. Le système fournit les indications visuelles suivantes au niveau de l'électronique d'affichage 6: - autonomie en minutes si une décharge est en cours - charge maximum de la batterie - décharge batterie - recharge batterie - variations de puissance - fin d'autonomie Ces indications sont fournies à la fois par des voyants leds et par un message alphabétique sur l'écran de l'afficheur équipant le module 6. Une connexion par liaison informatique est'disponible, qui peut transmettre les informations suivantes à un éventuel ordinateur contrôleur: (non représenté) - tension batterie - courant de décharge (si décharge en cours) - décharge en cours - autonomie prévue en minutes, et décomptage de ce temps - indication de charge maximum - indication de variations de puissance - recharge batterie (si recharge en cours) - fin d'autonomie imminente Cette transmission d'informations permet à l'éventuel ordinateur contrôleur de suivre en temps réel la réserve d'autonomie d'énergie, et ainsi de prendre des décisions de délestage de certains organes consommateurs, de décider de faire une sauvegarde (cas des ordinateurs de gestion), ou de se diriger vers le point de recharge (chariots, robots mobiles). Le nombre de mesures des paramètres tension et intensité a été fixé à environ 10 par minutes, et de préférence on# réalise ces mesures toutes les 4 à 10 secondes. L'adaptation aux différents types de batterie (Cdn, NiFe, Pb ouvert, Pb étanche) est faite par introduction d'une courbe de décharge correspondant au type de batterie dans la mémoire morte (EPROM). On précisera ci dessous les élément mathématiques sur la base desquels on détermine l'autonomie de la batterie: La valeur de la capacité de la batterie est proportionnelle à l'énergie E= i.dt que l'on soit en charge ou en décharge. Seuls les coefficients de proportionnalité diffèrent compte tenu du rendement. Elle évolue donc selon les lois suivantes: C = capacité théorique instantanée Charge: C = C + a.Ec (i > O) Décharge: C = C + b.Ed (i CHARGE: On effectue le calcul de Ec= i.dt pendant toute la durée de la charge. On obtient donc à tout instant une valeur de la capacité emmagasinée C. Si on atteint la fin de charge définie par une durée d'au moins 10 heures de la charge et un courant de charge inférieur à une valeur minimale (C/100), on considère alors que C = Cnom. DECHARGE: Au moment du passage en décharge, on dispose d'une capacité C = k.Cnom (O > k > = 1 selon l'état de charge) Pour le régime de décharge RD = I/C, on détermine sur la courbe CD = f(RD) à tf (tension de fin d'autonomie) la capacité disponible CD. On en déduit la durée d'autonomie par: TI(mn) = 60.CD.k.d / RD d est un terme correctif recalculé lorsqu' une décharge est effectuée complètement à un même régime. C'est ce calcul qui assure la prise en compte de l'évolution de la batterie (température, vieillissement). Le temporisateur est init-ialisé à la valeur TI et commence à être décrémenté en affichant TA. De même que pendant la charge, on calcule toutes les 5 secondes C = C + b . Ed avec Ed = i.dt Le calcul périodique de Ed est: I(p) + I(p-1) Ed = - -------- x 5 2 avec p = index incrementé toutes les 5 secondes En cas de changement de puissance, on attend la fin du transitoire et le calcul de TI est refait avec les nouvelles conditions. Le temporisateur est réinitialisé à cette valeur et les opérations précédentes se répètent. 2 cas sont alors possibles: Fin d'autonomie: 1) Ub = 1,65V / élément, on corrige alors le terme d si la puissance est restée constante pendant toute la décharge. temps réel d = t initial 2)Ta = 0 Passage en charge: On se retrouve dans les conditions du début de la description. La charge reprend alors avec pour valeur initilale C. La figure 2 représente la courbe de décharge d'une batterie neuve (courbe 1) et la courbe de décharge de la même batterie usagée (courbe2), les temps d'autonomie étant portés en abscisse et la tension en ordonnée. La figure 3 représente l'algorithme de calcul du concept d'apprentissage qui est la base de l'analyse de la décharge de la batterie. Le début est l'initialisation des différentes variables, et la temporisation. Ensuite l'organigramme se décompose en 2 parties; charge et décharge. L'une ou l'autre des boucles est utilisée suivant le sens du courant et la tension de la batterie. - cycle de charge: en fonction du courant et de la tension le programme effectue le calcul de la capacité de la batterie. On détermine également dans cette branche la fin de charge. - cycle de décharge: en fonction du courant et de la tension le programme, après une temporisation, effectue le calcul du temps d'autonomie et de la capacité. Si le temps calculé est différent de plus de 10 % du temps en mémoire, le nouveau temps est mis en mémoire. Dans le cas où il survient une variation de puissance, le programme re-calcule un nouveau temps final d'autonomie, et fait afficher les informations correspondantes. REVENDICATIONS 1) Procédé pour déterminer l'autonomie d'un générateur éléctrochimique, notamment une batterie d'accumulateurs, au cours de chacun de ses cycles de décharge, caractérisé en ce que: - pendant un cycle de rang n, on mesure les paramètres de tension et d'intensité de courant et on établit une courbe de décharge témoin qui est mise en mémoire - au cours du cycle de décharge suivant de rang n + 1, les paramètres de tension et d'intensité du-courant mesurés au cours de la décharge sont comparés à la courbe de décharge précédente mise en mémoire - et on déduit de cette comparaison une prévision du temps d'autonomie de la batterie. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on tient compte, pour l'établissement de la courbe de décharge témoin utilisée pour la décharge de rang n + 1, des variations pouvant intervenir lors de la charge de la batterie, après la décharge de rang n et provenant du viellissement ou des conditions de température d'utilisation de la. batterie. 3) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que pendant le cycle de décharge, on procède à une succéssion de mesure de la tension et de 1 intensité à des intervalles compris entre 4 et 10 secondes. 4) Installation mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, et comportant au moins un récepteur d'énergie électrique et un générateur électrochimique constituant une source principale ou accéssoire de courant caractérisée en ce qu'elle présente en outre un dispositif assurant, au cours de chaque décharge du générateur , la détermination précise de l'autonomie de ce dernier par une méthode d'apprentissage. 5) Installation selon la revendiction 3 caractérisée en ce que le dispositif d'apprentissage comporte: - une prise de tension (1) du générateur - un capteur (2) d'intensité de courant continu (tel qu'un capteur à effet Hall ou un shunt), pour l'acquisition d'informations sur le courant de décharge du générateur - un ensemble électronique (3) auquel sont raccordés la prise 1 et le capteur 2, et qui assure la gestion des informations en provenance du générateur - un ensemble (4) de traitement et de calcul alimenté par l'ensemble (3) et comportant un programme d'analyse du cycle de décharge du générateur et de calcul de son autonomie - un ensemble (5, 6) d'affichage 6) Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que l'ensemble (4) de traitement et de calcul comporte un système micro-programmé. 7) Installation selon la revendication 6 caractérisée en ce que l'ensemble (4) de traitement et de calcul comporte une carte équipée d'au moins un micro-contrôleur (ou micro-processeur), d'une mémoire vive et d'une mémoire morte. 8) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle est adaptée à l'analyse de l'autonomie de tous les types de batteries d'accumulateurs. 9) Installation selon l'une quelconque des -revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle est utilisable pour quelque application que ce soit; batteries d'accumulateurs stationnaires pour onduleurs ou équipements fixes, ou bien batteries d'accumulateurs alimentant des équiments mobiles, tels que chariots, voitures automobile, robots 10) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il affiche le temps d'autonomie calculé sur un afficheur électronique digital. 11) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il transmet le temps d'autonomie calculé à un ordinateur de contrôle par liaison informatique.