Brevet FR2685780A1 — publié le 19930702

Procédé de mesure de l'état de charge d'un générateur électro-chimique et dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Le domaine de l'invention est celui des procédés et dispositifs permettant d'indiquer l'état de charge d'un générateur électro- chimique Ce générateur électro-chimique est par exemple un accumulateur ou constitué d'une batterie d'accumulateurs On entend par batterie d'accumulateurs un ensemble constitué par une pluralité d'accumulateurs, par10 exemple connectés en série. De façon connue, la caractéristique de tension d'un accumulateur en fonction de sa capacité de décharge, par exemple exprimée en Ah, ne présente pas de variation importante pour une grande majorité de caractéristiques de15 décharge et il n'est donc pas possible de déterminer la charge de cet accumulateur en effectuant une simple mesure de tension à ses bornes. C'est pourquoi les procédés de mesure de l'état de charge d'une batterie font appel soit à des capteurs (capteurs de température de la batterie, de sa pression interne,), soit à des mesures électriques (mesure de l'impédance interne de la batterie, mesures par coulométrie, mesures impulsionnelles). Le document de brevet américain N 04 644 245 de Harry B BROWN décrit une méthode de mesure de l'état de charge d'une batterie d'accumulateurs nickel-cadmium. Cette méthode consiste à appliquer, périodiquement et pendant des temps très courts, de l'ordre de 1 ms, une charge résistive de valeur très faible aux bornes de la30 batterie à tester, de telle sorte qu'un courant important soit débité de cette batterie dans la charge On obtient ainsi des impulsions de courant de décharge qui font chuter la tension aux bornes de la batterie jusqu'à une valeur de tension qui est mesurée Cette tension est proportionnelle à35 l'état de charge de la batterie Un afficheur permet d'indiquer directement l'état de charge de la batterie, cet état de charge étant proportionnel à la tension délivrée par la batterie lorsque celle-ci débite le courant de décharge. Cette méthode consiste donc à exciter une batterie d'accumulateurs par un courant contrôlé (excitation intensiostatique) Son principal inconvénient est que l'application d'une contrainte à courant contrôlé suppose que l'on connaisse la capacité de la batterie et la charge résistive appliquée périodiquement aux bornes de la batterie doit donc être adaptée au type d'accumulateur composant10 cette batterie En effet, si le courant est débité d'un accumulateur de taille réduite, il se peut que cet accumulateur soit endommagé, si ce courant n'est pas adapté à cet accumulateur Le dispositif mettant en oeuvre cette méthode ne peut donc être utilisé pour des générateurs électro-chimiques de types distincts (accumulateurs nickel- cadmium, au plomb, nickel-hydrogène, piles,). D'autre part, il n'est possible de mesurer l'état de charge de la batterie que lorsque celle-ci n'alimente pas un circuit électrique, c'est à dire hors fonctionnement En20 effet, lorsqu'une décharge impulsionnelle est réalisée, la tension fournie par la batterie permettant d'estimer son état de charge peut devenir très faible et même s'annuler si la batterie est proche de son état déchargé La mesure d'état de charge ne peut donc être effectuée en circuit.25 La présente invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients. Plus précisément, un des objectifs de l'invention est de fournir un procédé de mesure de l'état de charge d'un générateur électro-chimique qui puisse être utilisé pour des30 générateurs de type différents, quel que soit leur état de charge originel. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel procédé de mesure pouvant être mis en oeuvre lorsque ce générateur électro-chimique est en circuit, c'est à dire35 lorsqu'il alimente un circuit électrique. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à un procédé de mesure de l'état de charge d'un générateur électro-chimique, du type consistant à appliquer une contrainte impulsionnelle audit 5 générateur électro-chimique et à observer la réponse dudit générateur électro-chimique à ladite contrainte pour estimer son état de charge, ledit procédé consistant à: appliquer audit générateur électro-chimique une impulsion de tension de valeur inférieure à sa tension nominale de façon à lui faire délivrer un courant de décharge, la valeur dudit courant de décharge étant telle que ledit générateur électro-chimique présente une caractéristique univoque d'impédance interne en fonction de son état de charge; mesurer ledit courant de décharge délivré par ledit générateur électro-chimique pour estimer son état de charge. Le procédé de l'invention repose donc sur la génération d'une impulsion de tension destinée à provoquer l'apparition d'un courant de décharge du générateur électro- chimique dont on veut connaître l'état de charge. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, ledit générateur électrochimique est un accumulateur ou une batterie d'accumulateurs.25 Avantageusement, ladite mesure dudit courant de décharge est effectuée immédiatement avant la fin de ladite impulsion de tension. Préférentiellement, ladite tension de valeur inférieure à ladite tension nominale est au moins égale à une tension minimale nécessitée par un circuit dont la source d'alimentation est constituée par ledit générateur électro-chimique. Le générateur électro-chimique dont on mesure le courant de décharge peut donc être en circuit, c'est à dire alimenter un montage électrique, et aucune conséquence sur le fonctionnement du montage électrique n'est engendrée par la mesure. Le procédé de l'invention est avantageusement appliqué à la mesure de l'état de charge d'accumulateurs de type nickel-cadmium. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de l'invention, donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, dans10 lesquels: la figure 1 représente la caractéristique d'impédance d'un accumulateur nickel-cadmium en fonction de son état de charge pour des mesures effectuées sous des contraintes différentes; la figure 2 représente la caractéristique d'admittance de deux accumulateurs nickel- cadmium en fonction de leur état de charge, cette caractéristique étant obtenue par décharge impulsionnelle potentiostatique de durée inférieure à 100 ms; la figure 3 représente un dispositif permettant d'appliquer une impulsion potentiostatique à un accumulateur; la figure 4 est un chronogramme de la tension de commande Ve de la figure 3 et du courant de décharge impulsionnelle traversant la résistance de charge de la figure 3; la figure 5 représente un autre mode de mise en oeuvre d'un dispositif permettant d'appliquer une impulsion potentiostatique à un accumulateur. La figure 1 représente la caractéristique d'impédance d'un accumulateur nickel-cadmium en fonction de son état de charge pour des mesures effectuées sous des contraintes différentes. Sur cette figure, ainsi que sur la figure 2, l'état de charge en abscisse est noté ET et exprimé en % de la charge maximale d'un accumulateur En ordonnée figure l'impédance Z de l'accumulateur L'accumulateur dont la caractéristique est représentée est un accumulateur SAFT nickel-cadmium de tension nominale 1,2 volts et de référence VSE AA Les caractéristiques 10 à 13 représentent l'évolution de 5 l'impédance de cet accumulateur en fonction de l'état de charge pour des courants respectivement égaux à: m A alternatifs; m A alternatifs; m A alternatifs et 10 m A continus; 500 m A alternatifs et 800 m A continus. Les courants alternatifs ont une fréquence de 0,1 Hz et il est nécessaire d'effectuer plusieurs mesures successives pour chaque point de chaque caractéristique afin d'éliminer certaines perturbations, notamment celles15 provenant d'un bruit de mesure. On constate que pour les caractéristiques 10,11 et 12, il existe un point d'inflexion et donc deux valeurs d'impédance Z identiques pour deux états de charge différents Par exemple, pour un courant de 20 m A20 alternatifs (caractéristique 10), une impédance Z de 0, 13 Q correspond à la fois à un état de charge de 22 et de 88 % Il n'est donc pas possible de connaître l'état de charge d'un accumulateur pour des courants faibles. En revanche, la caractéristique 13 est de type univoque, c'est à dire qu'à une valeur de l'impédance Z de l'accumulateur correspond un seul et unique état de charge. Il est donc possible de connaître l'état de charge d'un accumulateur à partir de la valeur de son impédance interne si le courant débité de cet accumulateur est important.30 Cependant, comme il est exclu de consommer en continu un courant important d'une batterie uniquement pour connaître son état de charge, la présente invention propose d'effectuer des mesures ponctuelles, en consommant pendant des temps brefs un courant important par génération35 d'impulsions de décharge potensiostatiques, c'est à dire de tension, comme il sera vu par la suite. La figure 2 représente la caractéristique correspondant à l'admittance de deux accumulateurs nickel- cadmium en fonction de leur état de charge, cette caractéristique étant obtenue par décharge impulsionnelle5 potentiostatique de durée inférieure à 100 ms. L'axe des ordonnées est gradué en m S correspondant à l'admittance Y (Y=I/U) des accumulateurs dont les caractéristiques sont référencées 20 et 21 Ces caractéristiques correspondent respectivement à celles10 d'accumulateurs SAFT au nickel-cadmium de type VR AA et VSE AA On constate que ces caractéristiques sont sensiblement linéaires Il est donc préférable, lorsque les caractéristiques d'admittance sont linéaires, de déterminer l'état de charge d'accumulateurs directement à partir de15 l'admittance présentée par ces accumulateurs. La présente invention se propose donc d'exploiter préférentiellement la caractéristique d'admittance d'un accumulateur lorsqu'un courant important est prélevé de cet accumulateur par application d'impulsions potentiostatiques.20 La figure 3 représente un mode de réalisation d'un dispositif permettant d'appliquer une impulsion potentiostatique à un accumulateur Ce mode de réalisation correspond à un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention.25 Un signal Ve de commande est appliqué à l'entrée non- inverseuse d'un potentiostat 30, par exemple constitué par un amplificateur opérationnel permettant de fournir un courant de sortie important L'entrée inverseuse du potentiostat 30 est reliée à l'électrode positive d'un30 accumulateur 32 dont on désire connaître l'état de charge. L'électrode négative de l'accumulateur 32 est connectée à la masse La sortie du potentiostat 30 est reliée à la cathode d'une diode 33 dont l'anode est reliée à une borne d'une charge 31, par exemple constituée par une résistance de35 shunt L'autre borne de la charge est connectée à l'entrée inverseuse du potentiostat 30 En parallèle de la charge 31 est connecté un dispositif 34 de traitement de la tension aux bornes de la résistance 31, représentative du courant qui traverse cette résistance de shunt 31 et donc de l'admittance de l'accumulateur 32 Le dispositif 34 de 5 traitement coopère avec un indicateur 35 de l'état de charge de l'accumulateur 32 L'accumulateur 32 peut bien entendu également être remplacé par une batterie d'accumulateurs. La figure 4 est un chronogramme du signal de commande Ve et du courant de décharge impulsionnelle délivré par l'accumulateur 32. Le signal de commande Ve présente une tension Vc supérieure à la tension de l'accumulateur Vb lorsqu'aucune impulsion permettant d'estimer l'état de charge de l'accumulateur 32 n'est générée La tension de sortie Vs du15 potentiostat 30 est donc égale à Vc Aucun courant ne traverse la charge 31 puisque Vs est supérieur à Vb Cet état correspond à un état de repos du système de mesure d'état de charge. A un temps t O, le signal Ve passe à une tension de décharge Vd Ce brusque changement du signal de commande correspond à une impulsion potentiostatique destinée à permettre la mesure de l'état de charge de l'accumulateur 32 et de durée T La tension de sortie Vs passe alors à Vd inférieur à la tension Vb La tension aux bornes de25 l'accumulateur 32 est alors égale à Vd et un courant important traverse la résistance 31 Ce courant, noté Io, varie dans le même sens que l'admittance présentée par cet accumulateur. Le chronogramme I=f(t) de la figure 4 montre l'évolution du courant I traversant la résistance de shunt 31 Au temps to, la décharge impulsionnelle présente un pic, puis se stabilise à une valeur IO Ce courant Io peut être très important, par exemple de l'ordre de 15 A pour des accumulateurs nickel-cadmium de petite capacité La mesure35 du courant IO par le dispositif 34 permet de déterminer l'état de charge de l'accumulateur 32 et de l'afficher sur l'indicateur 35 Le dispositif 34 peut déterminer soit l'admittance, soit l'impédance de l'accumulateur 32, en fonction de l'allure de ces caractéristiques (fig 1 et 2). Le dispositif 34 comprend par exemple un échantillonneur- 5 bloqueur qui mesure la tension aux bornes de la résistance 31 à un temps At suivant t O Le temps At est préférentiellement suffisamment important pour que la mesure de Io soit effectuée à un temps éloigné du début de l'impulsion En effet, la variation du courant IO au début10 de l'impulsion est importante et la mesure de Io au point A ne sera pas aussi précise que celle effectuée à un point B situé préférentiellement à un instant précédant immédiatement le temps t O+T o le signal de commande Ve repasse à Vc, mettant ainsi fin à la mesure de l'état de15 charge L'instant de mesure correspond au moment o la tension aux bornes de la résistance 31 est mesurée. L'échantillonneur-bloqueur effectuant cette mesure est donc commandé en fonction de la durée T que l'on aura intérêt à minimiser afin de réduire la consommation de courant20 nécessitée pour l'évaluation de l'état de charge Cette durée T dépend notamment du type d'accumulateurs utilisés et de la précision souhaitée Le choix de la durée T dépend d'un compromis entre la précision souhaitée et l'énergie consommée par la mesure, étant donné qu'une durée T25 importante permet d'obtenir une bonne précision de la mesure de l'état de charge au détriment d'une puissance consommée importante. Comme le courant mesuré aux bornes de la résistance 31 est proportionnel à l'état de charge de l'accumulateur, à chaque nouvelle impulsion de décharge, une nouvelle estimation de cet état de charge est effectuée De telles estimations peuvent par exemple être effectuées cycliquement sur commande d'un signal d'horloge, afin de permettre de suivre l'évolution de l'état de charge Selon un autre mode35 de réalisation, les impulsions de tension de Ve sont générées sur commande de l'utilisateur, lorsque celui-ci veut connaître l'état de charge de l'accumulateur. Un des avantages de l'invention est que la décharge impulsionnelle est calibrée, c'est à dire que l'accumulateur 32 fournit une tension Vd pendant la mesure de l'état de charge Si cette tension Vd est suffisante pour permettre le fonctionnement d'un circuit électrique alimenté par l'accumulateur 32, aucune perturbation du circuit électrique n'est engendrée par la mesure de l'état de charge.10 A titre d'exemple, lorsque le dispositif de la figuré 3 est utilisé pour mesurer l'état de charge d'une batterie de 10 accumulateurs de tension nominale 1, 2 volts, la tension Vc peut être égale à 15 volts, et Vd à 10 volts, lorsque 10 volts suffisent pour alimenter le circuit dont la15 batterie constitue la source d'alimentation. Un autre avantage de l'invention est que la mesure du courant de décharge effectuée permet de déterminer directement l'admittance Y de l'accumulateur testé, puisque la relation suivante est respectée: Y=I 0/Vd En fait la20 mesure de I O permet d'obtenir une grandeur proportionnelle à Y, puisqu'il est nécessaire de tenir compte du courant passant par la résistance shunt Ainsi, lorsque Y varie linéairement avec l'état de charge de l'accumulateur, comme c'est le cas pour les deux accumulateurs VR AA et VSE AA, la25 connaissance de I O donne directement l'état de charge. La contrainte en tension est la même pour des accumulateurs de même type, quel que soit leur capacité Une contrainte potentiostatique ne peut détruire un accumulateur de petite capacité Cependant, il est nécessaire de tenir30 compte de la capacité de l'accumulateur pour pouvoir exploiter la mesure de courant effectuée. L'utilisation du dispositif de la figure 3 suppose cependant celle d'un potentiostat capable de fonctionner à des courants importants C'est pourquoi le dispositif de la35 figure 5 est préférable à celui de la figure 3. Le dispositif de la figure 5 diffère de celui de la figure 3 en ce que le potentiostat est remplacé par un amplificateur opérationnel 50 classique dont la sortie est reliée à un élément 51 d'amplification de puissance, ici 5 constitué par un transistor bipolaire, à travers lequel l'accumulateur 32 va pouvoir faire circuler un courant La sortie de l'amplificateur opérationnel 50 est connectée à la base du transistor 51 dont l'émetteur est relié à la résistance 31 de shunt Cette résistance 31 est de faible10 valeur afin de consommer un minimum de courant La base du transistor 51 est protégée contre les tensions négatives issues de l'amplificateur 50 par une diode 52 de protection. Le collecteur du transistor 51 assure la contre-réaction de l'amplificateur 50 et est relié à la borne positive de15 l'accumulateur 32 Ce montage présente l'avantage d'employer des composants classiques et de bas prix L'énergie moyenne dissipée par la résistance 31 et le transistor 51 est faible lorsque les impulsions potentiostatiques sont éloignées les unes des autres dans le temps et permet une miniaturisation20 des composants employés Le transistor bipolaire 51 peut également être remplacé par un autre composant, par exemple par un transistor MOSFET de puissance. Il est également possible de remplacer la résistance 31 par un capteur à effet Hall, l'essentiel étant de réaliser une mesure du courant débité par l'accumulateur 32. Il est cependant alors nécessaire de modifier la structure du dispositif 34. La génération d'impulsions de tension de décharge permet également de s'affranchir de la connaissance du type d'accumulateurs employés, c'est à dire du couple électro- chimique, contrairement à la méthode de l'état de la technique Il suffit en effet de connaître la tension nominale Vb devant être fournie par l'accumulateur ou la batterie d'accumulateurs pour déterminer immédiatement les35 tensions Vc et Vd respectant la relation Vd il La durée d'application d'une impulsion est préférentiellement très brève, par exemple comprise entre 1 et 1000 ms. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux accumulateurs et s'applique également aux générateurs électrochimiques constitués par des piles La présente invention s'applique cependant uniquement aux générateurs électro-chimiques présentant une caractéristique d'impédance interne univoque en fonction de leur état de charge. REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure de l'état de charge d'un générateur électro- chimique, du type consistant à appliquer une contrainte impulsionnelle audit générateur électro- chimique et à observer la réponse dudit générateur électro- chimique à ladite contrainte pour estimer son état de charge, caractérisé en ce qu'il consiste à: appliquer audit générateur électro-chimique ( 32) une impulsion de tension de valeur (Vd) inférieure à sa tension nominale (Vb) de façon à lui faire délivrer un courant (IO) de décharge, la valeur dudit courant (IO) de décharge étant telle que ledit générateur électro- chimique ( 32) présente une caractéristique ( 13) univoque d'impédance interne (Z) en fonction de son état de charge (ET); mesurer ledit courant (IO) de décharge délivré par ledit générateur électro- chimique ( 32) pour estimer son état de charge. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur électro-chimique ( 32) est un accumulateur ou une batterie d'accumulateurs. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite mesure dudit courant (IO) de décharge est effectuée immédiatement avant la fin de ladite impulsion de tension. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite tension (Vd) de valeur inférieure à ladite tension (Vb) nominale est au moins égale30 à une tension minimale nécessitée par un circuit dont la source d'alimentation est constituée par ledit générateur électro-chimique ( 32). Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la mesure de l'état de charge d'accumulateurs de type nickel-cadmium.