Brevet FR2683634A1 — publié le 19930514

La présente invention concerne un procédé de mesure permettant la détermination de l'état de charge d'un accumulateur Nickel-Cadmium et un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. L'état de charge d'un accumulateur, grandeur désignée par S, est le rapport exprimé en % entre la capacité résiduelle (quantité d'électricité encore disponible dans l'accumulateur à un instant donné) et la capacité totale ou nominale que peut délivrer l'accumulateur au bout de 5 heures (ou 10 ou 20 heures selon le constructeur) lorsqu'il est déchargé à son régime nominal à partir d'un état de pleine charge. La connaissance de l'état de charge S permet d'une part d'optimiser la durée de vie des accumulateurs en limitant la profondeur de décharge ou de charge à la fin de chaque cycle, et, d'autre part, d'avoir un meilleur contrôle de l'énergie disponible à un instant donné pour les appareils fonctionnant sur batteries. Les premières méthodes qui ont été utilisées pour avoir une indication de l'état de charge d'un accumulateur consistent à prendre comme grandeur représentative de S, la tension aux bornes de l'accumulateur à un instant donné en cours de décharge. Cependant, dans le cas d'un accumulateur Nickel-Cadmium, cette tension reste pratiquement constante depuis la charge complète jusqu'à une décharge profonde, et ceci est d'autant plus vrai que le courant de décharge est faible. L'utilisation de cette tension comme indicateur de l'état de charge S s'est avérée par conséquent peu précise. Une autre variante de cette méthode est présentée dans le brevet US 4644245, février 1987 et consiste à faire débiter l'accumulateur Nickel-Cadmium testé avec un fort courant de décharge (50 à 80 A) pendant un temps très court de l'ordre d'une milliseconde et à mesurer la tension aux bornes de l'accumulateur au bout de ce laps de temps. La valeur de la tension ainsi obtenue varie sensiblement avec la capacité résiduelle et est utilisée comme indicateur de l'état de charge de l'accumulateur Nickel-Cadmium testé. Un autre procédé faisant partie des méthodes stationnaires est présenté dans le brevet européen 67589, décembre 1982 et consiste à utiliser comme grandeur représentative de l'état de charge la caractéristique tension-courant de l'accumulateur en la comparant aux caractéristiques tension-courant obtenues préalablement à différents états de charge sur un accumulateur de même type que l'accumulateur testé; cependant, la caractéristique tension-courant dépend de la valeur de la résistance série intérieure de l'accumulateur qui est une grandeur purement ohmique et qui peut varier d'un échantillon à l'autre. Dans la catégorie des méthodes non stationnaires, il existe un certain nombre de procédés qui utilisent comme grandeur représentative de l'état de charge d'une pile ou d'un accumulateur la valeur de son impédance complexe mesurée à des fréquences déterminées en circuit ouvert. Par exemple, le procédé selon le brevet Ffl 2556475, décembre 1987 utilise comme grandeur représentative de l'état de charge d'une pile, l'argument (alfa) de la différence (il2) entre deux impédances internes (Z1) et ( Z2 ) de la pile mesurées à deux fréquences différentes (fl) et (f2). Ce procédé présente l'avantage d'écarter l'influence de la résistance série intérieure qui peut introduire des dispersions indésirables d'une pile à une autre. Cependant, les mesures des impédances internes sont réalisées dans des conditions telles que la pile ne débite pas de courant continu, ce qui nécessite que la tension entre les bornes de la pile testée doit rester stable durant les mesures; or, dans le cas d'un accumulateur Nickel-Cadmium qui vient d'être déchargé, il s'écoule généralement un temps de quelques heures avant que la tension entre ses bornes ne se stabilise comme le montre l'article de M.Durga Prasad et al. intitulé "open circuit voltage recovery of discharged and shorted Nickel-Cadmium cells, J. of appl. Electrochem., 17(1987), pp 463-472. On peut donc dégager deux inconvénients majeurs qui peuvent se présenter simultanément ou non selon le procédé, le premier inconvénient concerne l'influence de la résistance ohmique interne qui introduit des dispersions dans les mesures lorsqu'on passe d'un échantillon (accumulateur ou pile) à un autre; le deuxième inconvénient est la nécessité de faire des mesures en circuit ouvert, ce qui oblige d'attendre que la tension aux bornes de l'accumulateur ou de la pile se stabilise avant de procéder au test. L'objet principal de la présente invention est de fournir un procédé de détermination de 1'état de charge d'un accumulateur Nickel-Cadmium ne présentant pas les deux inconvénients cités ci-dessus. Le procédé selon la présente invention consiste à faire débiter l'accumulateur testé avec un courant de décharge I constant et à mesurer la partie imaginaire Z de son impédance complexe à une fréquence fixe f en cours de décharge. La partie imaginaire ainsi mesurée à la fréquence f et sous le courant de décharge I est utilisée par la suite dans une corrélation qui permet la détermination de l'état de charge de l'accumulateur sous le régime I en question. L'invention a encore pour objet de fournir un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Un avantage du procédé selon la présente invention est que la partie imaginaire de l'impédance utilisée comme grandeur permettant d'accéder à l'état de charge de l'accumulateur sous courant de décharge est une grandeur qui ne dépend pas de la résistance série (résistance purement ohmique) de l'accumulateur ce qui minimise donc avantageusement les dispersions dans les mesures lorsque l'on passe d'un échantillon (accumulateur) à un autre. Un autre avantage atteint par le procédé selon la présente invention est la possibilité de faire une évaluation rapide de l'état de charge de l'accumulateur en cours de décharge sans être obligé d'attendre que la tension entre ses bornes se stabilise comme dans le cas des procédés qui utilisent la mesure de l'impédance en circuit ouvert. Lorsqu'un accumulateur se décharge à un courant I et lorsque l'on superpose à ce courant une perturbation sinusoidale en courant de faible amplitude hI et de fréquence f, la tension aux bornes de l'accumulateur initialemement égale à V (composante continue) présente alors une variation sinusoidale d'amplitude AV et de même fréquence f que la perturbation appliquée comme le montre la figure 1 sur le dessin annexé. Sur la même figure est représenté le déphasage AQ entre la tension aux bornes de l'accumulateur et le courant de décharge. L'impédance complexe Z de l'accumulateur sous courant de décharge s'obtient en mesurant les grandeurs AI, AV et Af et en utilisant la formule Z = (AV/AI) cos() + j (AV/hI) sin() j est un nombre complexe pur. L'impédance Z se décompose en deux parties: une partie réelle résistive Z= (AV/I) cos(##) incluant la résistance série intérieure de l'accumulateur et une partie imaginaire dite réactive 2 = (AV/AI) sin(f) englobant les phénomènes capacitifs. La figure 2 sur le dessin annexé montre la variation en fonction de l'état de charge de la partie imaginaire Z mesurée selon le procédé de la présente invention à deux fréquences différentes f=10.3 Hz et f=14.3 Hz en déchargeant un accumulateur Nickel-Cadmium commercial de capacité nominale égale à 1.2 Ah à un régime de 300 mA. Sur cette figure on peut constater que la partie imaginaire Z de l'impédance montre une variation importante pour des états de charge inférieurs à 50% et une variation moins importante pour des états de charge supérieurs à 50% Avantageusement, le procédé selon la présente invention fournit une grandeur représentative de l'état de charge, désignée par r et calculée en fonction de la partie imaginaire Zr de l'impédance par la formule F= ZI-2 f3/2, cette grandeur varie pratiquement linéairement avec l'état de charge de l'accumulateur sous courant de décharge. A titre d'exemple, la figure 3 sur le dessin annexe montre la variation de r à 10.3 Hz en fonction de l'état de charge du même accumulateur Nickel-Cadmium commercial de capacité nominale égale à 1.2 Ah en cours de décharge à un régime de 300 mA. La validité du procédé selon l'invention, quelle que soit la capacité nominale ou la provenance commerciale de l'accumulateur Nickel-Cadmium, est assurée par le réglage de trois paramètres: - le courant de décharge en fonction de la capacité nominale de 1 'accumulateur; - la fréquence du signal perturbateur en fonction de la capacité nominale et du courant de décharge; - la valeur de la perturbation dI appliquée en fonction du courant de décharge. Le dispositif mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention réalise une évaluation rapide et précise de l'état de charge des accumulateurs Nickel-Cadmium; la spécificité résidant dans le fait que le dispositif utilise la mesure de l'impédance complexe de ces accumulateurs sous courant de décharge. Par référence à la figure 4, le dispositif 4 réalise le test en faisant débiter l'accumulateur 3 du système 1 ( appareil 2 alimenté par 3 dans un circuit secondaire 5 pendant une courte durée. La partie contrôle-commande 6 du dispositif superpose une perturbation en courant de faible amplitude au courant de décharge. La fréquence du signal perturbateur est choisie en fonction de la capacité et du courant de décharge de l'accumulateur. Le traitement par 6 de la réponse en fréquence de l'accumulateur à cette perturbation permet d'accéder à la valeur de l'impédance complexe de l'accumulateur à cette fréquence. La valeur de la partie imaginaire de l'impédance ainsi mesurée ou avantageusement la valeur de la grandeur r définie précédemment permet alors d'accéder à l'état de charge de l'accumulateur. Une réalisation du dispositif est illustrée par le schéma bloc de la figure 5. Le dispositif comprend trois blocs notés (A), (B) et (C). Le bloc (A) réalisé de façon classique, permet la régulation d 'un courant de décharge constant en lui superposant une perturbation en courant de faible amplitude. Ce bloc comprend un générateur d'impulsions (l), un circuit intensiostatique (2) permettant de réguler un courant de décharge, l'accumulateur Nickel-Cadmium testé (35) et une résistance étalon (4) pour la mesure du courant. Le circuit intensiostatique (2) peut être remplacé par l'appareil utilisateur fonctionnant sur l'accumulateur de telle sorte que le courant de décharge est fixé par l'appareil utilisateur lui même. Le bloc (B) constitue le système de mesure et de conversion analogique numérique; il comprend (5) un circuit de conditionnement des signaux permettant l'élimination des composantes continues I et V et l'amplification nécessaire à l'entrée des échantillonneurs-bloqueurs (6). Le multiplexage des deux signaux mis en forme est réalisé par (7) avant leur conversion analogique-numérique par le convertisseur (8). Selon une autre variante non illustrée, les moyens (6) et (7) du bloc (B) peuvent être remplacés par un seul composant électronique (exemple le AD 630) permettant d'avoir une sortie proportionnelle à la partie imaginaire de l'impédance à partir des deux signaux d'entré (courant et tension). Le bloc (C) de contrôle et de commande effectue le séquencement nécessaire du bloc (B) par l'action du processeur (9), dont le programme est logé en mémoire interne et externe (10); ce processeur prend aussi en charge les signaux traités et numérisés afin d'extraire la valeur de l'état de charge par comparaison à des caractéristiques stockées en mémoire (10). Selon une variante non illustrée, la fonction du bloc (C) peut être remplacée par un moyen de calcul et de contrôle externe convenablement programmé comme un microordinateur par exemple; une liaison informatique classique parallèle ou série réalisant la liaison avec le bloc (B). Une autre variante, lorsque l'appareil utilisateur de l'accumulateur possède les fonctions de calcul et de contrôle nécessaire, consiste à intégrer les trois blocs dans le système; cette disposition permettant une automatisation de la vérification de l'état de charge. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de l'état de charge S d'un accumulateur Nickel-Cadmium, caractérisé en ce qu'il consiste - à faire débiter l'accumulateur Nickel-Cadmium à un courant de décharge I constant - à mesurer la partie imaginaire Z de l'impédance complexe de l'accumulateur à une fréquence fixe en cours de décharge - à utiliser la partie imaginaire Z1 ainsi mesurée, ou encore une grandeur qui lui est proportionnelle, comme paramètre représentatif de l'état de charge de 1 ' accumulateur. 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur utilisée comme paramètre représentatif de l'état de charge est définie par f étant ladite fréquence fixe. 3. Procédé de mesure selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que sa validité est assurée quelle que soit la capacité nominale ou la provenance commerciale de l'accumulateur Nickel-Cadmium par le réglage - du courant de décharge I en fonction de la capacité nominale de l'accumulateur - de la fréquence du signal perturbateur en fonction de la capacité nominale et du courant de décharge - de la valeur de la perturbation AI appliquée en fonction du courant de décharge I. 4. Dispositif permettant de déterminer l'état de charge d'un accumulateur Nickel-Cadmium comprenant des moyens, dont un générateur d'impulsions (1) et un circuit intensiostatique (2), permettant de réguler un courant de décharge constant et de lui superposer une perturbation ssI en courant de fréquence fixe f, caractérisé en ce qu'il comporte, en plus, des moyens (Bloc (B) et Bloc (C)) permettant de mesurer l'impédance complexe de l'accumulateur en cours de décharge et de traduire cette information en la valeur de l'état de charge conformément au procédé selon les revendications 1 à 3. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit intensiostatique (2') est remplacé par l'appareil utilisateur fonctionnant sur l'accumulateur, de telle sorte que le courant de décharge I est fixé par l'appareil utilisateur lui-même. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens permettant de mesurer l'impédance complexe de l'accumulateur en cours de décharge et de traduire cette information en une valeur de l'état de charge comprennent des échantillonneurs-bloqueurs (6') recevant les signaux conditionnés t5'), un multiplexeur (7') et un convertisseur analogique-numérique (8') pour lesdits signaux, ainsi que des moyens de contrôle et de commande (Bloc (C)) (figure 5). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens (6') et (7') sont remplacés par un seul composant électronique permettant d'avoir une sortie proportionnelle à la partie imaginaire de l'impédance à partir des deux signaux d'entrée (tension et courant). 8. Dispositif selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que la partie contrôle commande (Bloc (C)) est remplacée par un moyen de calcul et de contrôle externe convenablement programme. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le moyen de calcul de l'état de charge peut être intégré à l'organe de contrôle-commande du système fonctionnant sur 1' accumulateur.