Brevet FR2739452A1 — publié le 19970404

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE L'ETAT DE CHARGE D'UNE BATTERIE La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de l'état de charge d'une batterie en particulier pour un véhicule automobile. Dans un véhicule automobile, essentiellement électrique, dont on veut estimer l'autonomie de fonctionnement, il faut une jauge de batterie dotée d'une bonne précision, entre 5 et 10 t. Actuellement, une solution pour mesurer l'état de charge d'une batterie est l'utilisation d'un Ampère-heure-mètre. Cependant, cette solution ne remplit pas les objectifs de précision visés pour les véhicules actuels en raison d'une dérive de l'intégration et du fait qu'elle ne prend pas en compte le rendement faradique de la batterie, ou acceptance de charge, qui correspond au rendement du courant électrique chargeant réellement la batterie, ni les variations de la capacité de la batterie, ni son vieillissement. Une autre solution actuelle est décrite dans le brevet EP 0 206 503, concernant principalement la charge des batteries au plomb et consistant à appliquer une charge à la batterie pour accélérer la stabilisation de la distribution de charge puis à mesurer la tension au bout de quelques heures pour en déduire l'état de charge. Une seconde méthode de prédiction peut aussi être employée. Cette solution a pour inconvénient de nécessiter d'une part, l'application d'une charge quand le véhicule est au repos et d'autre part, l'utilisation d'un facteur de correction global sur le résultat d'intégration, tenant compte notamment de la température et de l'état de charge obtenu à partir de la mesure de la tension, et non sur la mesure du courant. De plus, le fait de déduire l'état de charge à partir seulement d'une mesure de tension n'est pas applicable au cas des batteries au Nickel-Cadnium. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant un procédé et un dispositif fonctionnant en roulage ou en charge, donc sans avoir besoin de faire fonctionner le système lorsque le véhicule est au repos, et effectuant une mesure avec des corrections indépendantes sur le courant en charge d'une part, et en décharge d'autre part. Selon l'invention également, les évolutions de la capacité de la batterie sont prises en compte, ainsi que celles de l'état de charge qui est alors une fonction du courant circulant dans la batterie, de la température ambiante et de la valeur précédente de cet état de charge. Le procédé selon l'invention comporte deux phases principales, une première phase de calcul du bilan des charges électriques de la batterie, emmagasinées et débitées par elle au cours des périodes de charge et de décharge successives, et une seconde phase de calcul instantané de la capacité de la batterie qui évolue au cours de la vie de la batterie. Selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce que la première phase (A) de calcul de l'état des charges électriques de la batterie comporte les étapes suivantes - a) mesure du courant (I) circulant dans la batterie; - b) calcul du rendement faradique de la batterie à partir de la température instantanée de la batterie et de sa profondeur de décharge - c) calcul du courant efficace de recharge de la batterie; - d) calcul du courant effectif de charge ou de décharge de la batterie; - e) calcul du bilan des charges électriques perdues, par intégration du courant effectif au cours du temps; - f) calcul des charges électriques restant dans la batterie à partir de sa capacité et du bilan des charges perdues; - g) calcul de l'état de charge instantané de la batterie à partir de sa capacité et du bilan des charges restantes. Selon une autre caractéristique de l'invention, la seconde phase (B) de calcul instantané de la capacité de la batterie comporte les étapes suivantes - h) calcul de la valeur instantanée de la tension d'arrêt (Var) de la batterie à partir d'une valeur de réglage (V0) , du courant débité par la batterie (I+) en décharge et de sa capacité réelle (cor)1 par la formule Var = Vo Kar * I+/Cr, (1) Kar étant un gain choisi expérimentalement en fonction de la batterie; - i) comparaison entre la tension instantanée mesurée (Vb) de la batterie et la valeur instantanée de la tension d'arrêt - j) prise en compte de la valeur instantanée de la tension d'arrêt si la tension instantanée de la batterie (Vb) reste à son voisinage pendant une proportion de temps minimale déterminée;; - k) calcul de la valeur instantanée de la capacité réelle (Cr) de la batterie à partir du courant (I+) débité par la batterie en décharge et de la quantité d'électricité absente de la batterie (Chp), selon la formule C r 1/K2 * (K1*I+ + Chp) (2) K1 et K2 étant des gains choisis expérimentalement en fonction de la batterie; - 1) remplacement de la valeur actuelle de la capacité de la batterie par la nouvelle valeur (cor), calculée à l'étape k), dans la première phase (A) de calcul de l'état de charge; - m) calcul de la profondeur de décharge (Pdd) à partir de la nouvelle valeur (Cr) de la capacité de la batterie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, illustrée par les figures suivantes qui représentent - la figure 1 : les différentes étapes du procédé, constituant ses deux principales phases; - la figure 2 : les différents moyens composant le dispositif de mesure selon l'invention; - la figure 3 : les courbes de variation de la tension aux bornes de la batterie en fonction de sa capacité, pour différentes valeurs du courant débité. La figure 1 représente les différentes étapes du procédé, constituant ses deux principales phases. La première phase A de calcul de l'état de charge de la batterie comprend une première étape a) de mesure du courant circulant dans la batterie, dont on calcule la valeur absolue à partir de laquelle on peut connaître d'une part le courant débité par la batterie en sortant par son pôle positif et d'autre part le courant entrant dans la batterie par ce même pôle. Une deuxième étape b) consiste à calculer le rendement faradique Acc de la batterie à partir de la température instantanée e et de sa profondeur de décharge Pdd, qui est par définition la quantité d'électricité absente de la batterie rapportée à sa capacité. A partir du courant de recharge entrant par la batterie corrigé par le rendement faradique, l'étape c) calcule le courant efficace de recharge 1r de la batterie. L'étape d) suivante consiste à calculer le courant 1e qui charge ou décharge effectivement la batterie. Par intégration dans le temps de ce courant Iel lors d'une étape e), on calcule le bilan des charges électriques absentes de la batterie Chp, puis à partir de ces dernières et de la capacité de la batterie, on va calculer, à l'étape f), la quantité de charges électriques Ch r restant dans la batterie. Enfin, à l'étape g) suivante, on calcule l'état de charge instantané SOC de la batterie à partir de sa capacité réelle et des charges restantes. Pour effectuer ces différentes étapes a) à g) de calcul de l'état des charges électriques de la batterie, le dispositif de mesure selon l'invention comprend les différents moyens qui suivent et qui sont représentés sur la figure 2. Pour réaliser l'étape a), un capteur 1 de courant mesure le courant I circulant dans la batterie, dont on calcule la valeur absolue dans un circuit 2. Un circuit soustracteur 3 recevant en entrée le courant mesuré et ladite valeur absolue, associé à un multiplicateur 4 par un gain égal à 1/2 permettent de calculer la composante I~, dite négative, du courant I, correspondant au courant de récupération entrant dans la batterie par son pôle positif lors du freinage, la batterie étant conventionnellement considérée comme un générateur. Un circuit additionneur 5 recevant en entrée le courant mesuré et ladite valeur absolue, associé à un multiplicateur 6 par un gain égal à 1/2 permettant de leur côté de calculer la composante I+, dite positive, du courant I correspondant au courant débité par la batterie en sortant par son pôle positif. Selon l'étape b), des moyens de calcul 7 du rendement faradique de la batterie, encore appelé acceptance de charge Acc, reçoivent en entrée d'une part, la température instantanée e de la batterie délivrée par un capteur 71 et d'autre part, les valeurs instantanées de la profondeur de décharge de la batterie Pdd, qui est la valeur relative de la quantité d'électricité absente de la batterie. Ainsi, la profondeur de décharge Pdd ajoutée à l'état de charge SOC sont égaux à1: Pdd = 1-SOC. Les moyens 7, utilisant une table de valeurs dépendant de la batterie, délivrent le rendement du courant chargeant réellement la batterie, qui est ensuite multiplié au courant I~ entrant dans la batterie, par un circuit multiplicateur 8 qui délivre en sortie le courant 1r efficace pour recharger la batterie (étape c). Un additionneur 9 calcule le courant 1e effectif de charge ou décharge de la batterie, à partir du courant I+ débité par la batterie et du courant 1r efficace de recharge (étape d). La quantité d'électricité Chp absente de la batterie est obtenue en sortie d'un intégrateur 10, qui intègre au cours du temps le courant effectif 1e (étape e).Cette quantité d'électricité est ensuite retranchée, lors de l'étape f), à la capacité réelle de la batterie dans un circuit soustracteur 11, pour obtenir la quantité d'électricité Ch r restant dans la batterie à un instant donné: Ch r = C r - Chp L'étape g) de calcul de l'état de charge SOC est obtenue par un circuit diviseur 30 délivrant l'inverse de la capacité de la batterie Cr, soit 1/Cr, et qui est ensuite multiplié dans un circuit 31 par la quantité d'électricité restante Chr. La profondeur de décharge Pdd de la batterie est obtenue à partir de l'état de charge SOC en sortie d'un soustracteur 32 , dans une étape m). La capacité nominale de la batterie évoluant au cours du temps, l'invention propose une phase B de calcul de la valeur instantanée de cette capacité, dont il sera tenu compte par bouclage dans le calcul précédent de l'état de charge. La batterie d'un véhicule électrique se décharge, en fournissant un courant, jusqu'à une tension dite d'arrêt. Cette tension d'arrêt Var est une valeur particulière de la différence de potentiel présente aux bornes de la batterie, pour laquelle, à des valeurs données du courant instantané débité I+ par la batterie et de la capacité de la batterie Cr, on estime qu'elle ne peut plus fournir d'énergie nécessaire au fonctionnement du véhicule. Selon une caractéristique de l'invention, la tension d'arrêt est calculée, lors d'une étape h), à partir du courant I+ débité par la batterie en décharge, de la capacité réelle et d'une valeur de réglage V0, par la formule suivante Var = Vg par * I+/Cr, (1) Kar étant un gain choisi expérimentalement en fonction de la batterie. La figure 3 représente les courbes de variation de la tension Vb aux bornes de la batterie en fonction de sa capacité, en Ampères-heure, pour différentes valeurs du courant I+ débité. Par convention, la capacité nominale C r d'une batterie correspond à un courant débité I+ égal au cinquième de cette capacité I+ = et les différentes valeurs de ce courant de décharge correspondent à différentes valeurs d'un nombre entier n tel que I+ = Cr/n. La tension d'arrêt V0 dite de réglage est la tension à vide aux bornes d'une batterie décrétée entièrement déchargée. Le procédé comporte ensuite une étape i) de comparaison de la tension instantanée mesurée Vb de la batterie avec la tension d'arrêt Var précédemment calculée, puis une étape j) de prise en compte de cette nouvelle valeur de la tension d'arrêt si la tension instantanée de la batterie reste au voisinage de la tension d'arrêt pendant une proportion du temps minimale déterminée. La valeur instantanée de la capacité de la batterie est calculée à une étape k), à partir du courant I+ débité par la batterie en décharge et de la quantité d'électricité absente de la batterie Chp, selon une formule caractéristique de l'invention Cr = 1/K2 * (K1*I+ + Chp) (2) ou K1 et K2 sont deux gains choisis expérimentalement en fonction de la batterie. Si la valeur instantanée de la tension d'arrêt est prise en compte, la nouvelle valeur de la capacité remplace l'ancienne valeur dans le calcul du bilan des charges réalisé lors de la première phase, au cours d'une étape 1). Comme cela est représenté sur la figure 2, l'étape h) de calcul de la valeur instantanée de la tension d'arrêt Var est réalisée par des moyens diviseurs 12 calculant l'inverse de la capacité C r de la batterie associés à un circuit multiplicateur 13 de cet inverse par le courant I+ débité en décharge. Le résultat est ensuite multiplié par le gain Kar dans un circuit 14, puis retranché à une valeur de réglage initial V0 dans un soustracteur 15. Les moyens de réalisation de l'étape i) sont constitués par un capteur 16 mesurant la valeur instantanée Vb de la tension de la batterie, par un circuit soustracteur 17 réalisant le calcul de la différence v entre la tension d'arrêt Var calculée à l'étape h) précédente et cette valeur instantanée Vb de la tension, et par un circuit comparateur 18 de cette différence ainsi calculée avec deux valeurs prédéterminées O et Vhys de réglage.Ce comparateur 18 génère un signal binaire C(v) égal à 1, si le résultat de la comparaison est compris entre 0 et Vhysl et égal à zéro si le résultat est négatif ou supérieur à Vhys C(v) = 0 si Vb > Var ou Vb Pour que la valeur instantanée de la tension d'arrêt soit prise en compte (étape j), il faut que la valeur de la tension Vb de la batterie reste voisine de Var pendant une proportion de temps minimale déterminée, ce qui est vérifié en intégrant dans le temps le signal binaire précédent C(v). Pour cela, il est multiplié par un gain de réglage k dans un circuit 19 avant d'entrer dans un circuit intégrateur 20 dont le signal de sortie est ensuite comparé à une valeur de réglage Nar dans un comparateur 21. Le signal de sortie du comparateur prend la valeur 1 si le signal de sortie de l'intégrateur atteint la valeur de réglage Nar, sinon il prend une valeur nulle, puis il est multiplié par un gain infini dans un circuit 22, qui délivre alors un signal de Dirac. La sortie du multiplicateur 22 est rebouclée vers l'intégrateur à travers un circuit 23 de remise à zéro instantanée de l'intégrateur lorsqu'un signal de Dirac lui est appliqué en entrée. Le bouclage réalisé par cette remise à zéro a pour effet la génération d'un signal de Dirac en sortie du multiplicateur 22 à l'instant précis où le comparateur 21 passe à 1. La nouvelle valeur instantanée de la tension d'arrêt étant prise en compte, le calcul de la valeur instantanée de la capacité de la batterie peut être effectué à l'étape k), selon la formule (2) précédemment citée, par un circuit multiplicateur 24 destiné à multiplier le courant débité I+ par un gain K1 pour délivrer un signal qui est ensuite additionné, par un circuit sommateur 25, à la quantité d'électricité perdue par la batterie Chp, le signal résultant étant multiplié par un gain K2 dans un circuit 26. Cette nouvelle valeur de la capacité de la batterie doit remplacer l'ancienne, lors de l'étape suivante 1), grâce à un circuit soustracteur 27 qui calcule la différence entre la nouvelle valeur issue du multiplicateur 26 et la valeur de la capacité juste avant le recalage.Un circuit multiplicateur 28 effectue le produit de cette différence précédemment calculée par le signal de Dirac présent en sortie du multiplicateur 22, le résultat de ce produit étant ensuite intégré dans le temps par un circuit intégrateur 29 dont le signal de sortie est initialisé par la valeur de réglage Cr0 choisie et calibrée. La nouvelle valeur de la capacité C r est rebouclée dans la première phase A de calcul du bilan des charges, notamment vers le circuit soustracteur 11 pour obtenir la quantité d'électricité restant dans la batterie Ch r et son état de charge SOC. On peut remarquer que l'évolution de la capacité réelle de la batterie est prise en considération pour le calcul de l'état de charge de la batterie et que des corrections sont apportées indépendamment sur le courant de charge et sur le courant de décharge. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de l'état de charge d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comporte une première phase (A) de calcul du bilan des charges électriques de la batterie, emmagasinées et débitées par elle au cours des périodes respectives de charge et de décharge, combinée à une seconde phase (B) de calcul de la valeur instantanée de la capacité de la batterie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première phase (A) de calcul du bilan des charges électriques de la batterie comporte les étapes suivantes - a) mesure du courant (I) circulant dans la batterie; - b) calcul du rendement faradique de la batterie à partir de la température instantanée (o) de la batterie et de sa profondeur de décharge (Pdd); - c) calcul du courant efficace (Ir) de recharge de la batterie; - d) calcul du courant effectif (Ie) de charge ou de décharge de la batterie; - e) calcul du bilan des charges électriques absentes de la batterie (Chp) par intégration du courant effectif au cours du temps; - f) calcul des charges électriques (Chr) restant dans la batterie à partir de sa capacité et du bilan des charges perdues (Chp);; - g) calcul de l'état de charge instantané (SOC) à partir de la capacité de la batterie (Cr) et des charges (Chr) restant dans la batterie. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde phase (B) de calcul de la valeur instantanée de la capacité de la batterie comporte les étapes suivantes - h) calcul de la tension d'arrêt (Var) de la batterie à partir d'une valeur de réglage (VO), du courant débité par la batterie (I+) en décharge et de sa capacité réelle (Cr), par la formule Var = VO - Kar * I+/Cr, (1) Kar étant un gain choisi expérimentalement en fonction de la batterie; - i) comparaison entre la tension instantanée mesurée (Vb) de la batterie et la valeur instantanée de la tension d'arrêt (Var); - j) prise en compte de la valeur instantanée de la tension d'arrêt (Var) si la tension Vb de la batterie reste voisine de Var pendant une proportion de temps minimale déterminée;; - k) calcul de la valeur instantanée de la capacité réelle (Cr) de la batterie à partir du courant (I+) débité par la batterie en décharge et de la quantité d'électricité absente de la batterie (Chp), selon la formule C r 1/K2 * (K1*I+ + Chp) (2) K1 et K2 étant des gains choisis expérimentalement en fonction de la batterie; - 1) remplacement de la valeur actuelle de la capacité de la batterie par la nouvelle valeur (Cr), calculée à l'étape k), dans la première phase (A) de calcul de l'état de charge, si la valeur instantanée de la tension d'arrêt (Var) est prise en compte; - m) calcul de la profondeur de décharge (Pdd) à partir de la nouvelle valeur (Cr) de la capacité de la batterie. 4. Dispositif de mesure de l'état de charge d'une batterie, comportant un capteur de courant (1) mesurant le courant circulant (I) dans la batterie, un capteur (71) de température et un capteur (16) de tension de la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte les moyens suivants pour réaliser l'étape a) du procédé selon la revendication 2 - un circuit (2) de calcul de la valeur absolue du courant (I) circulant dans la batterie; - un circuit soustracteur (3) recevant en entrée le courant mesuré et ladite valeur absolue, associé à un multiplicateur (4) par un gain égal à 1/2 permettant de calculer la composante (I~) négative du courant (I), correspondant au courant de récupération entrant dans la batterie par son pôle positif lors du freinage;; - un circuit additionneur (5) recevant en entrée le courant mesuré et ladite valeur absolue, associé à un multiplicateur (6) par un gain égal à 1/2 permettant de calculer la composante (I+) positive du courant (I) correspondant au courant débité par la batterie en sortant par son pôle positif. 5. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte les moyens suivants pour réaliser l'étape b) du procédé selon la revendication 2 - des moyens de calcul (7) du rendement faradique de la batterie, ou acceptance de charge (arc), utilisant une table de valeurs et recevant en entrée d'une part, la température instantanée (o) de la batterie et d'autre part, la valeur instantanée de la profondeur de décharge de la batterie 6. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape c) du procédé selon la revendication 2 - un circuit multiplicateur (8) qui reçoit en entrée le courant (I~) entrant dans la batterie et le rendement faradique (arc) de la batterie pour délivrer en sortie le courant (Ir) efficace pour recharger la batterie. 7. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape d) du procédé selon la revendication 2 - un additionneur (9) qui calcule le courant (Ie) effectif de charge ou de décharge de la batterie, à partir du courant (I+) débité par la batterie et du courant (Ir) efficace de recharge. 8. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape e) du procédé selon la revendication 2 - un intégrateur (10) destiné à intégrer au cours du temps le courant effectif (Ie) pour délivrer la quantité d'électricité (Chp) absente de la batterie. 9. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape f) du procédé selon la revendication 2 - un circuit soustracteur (11), retranchant la quantité d'électricité (Chp) absente de la batterie à la capacité réelle (Cr) de la batterie pour obtenir la quantité d'électricité (Chr) restant dans la batterie à un instant donné 10.Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape g) du procédé selon la revendication 2: - un circuit diviseur (30) délivrant l'inverse de la capacité de la batterie (1/Cr); - un circuit multiplicateur (31) de l'inverse de la capacité de la batterie par la quantité d'électricité restante (Chr), délivrant l'état de charge de la batterie (SOC); - un soustracteur (32) délivrant la profondeur de décharge (Pdd) de la batterie à partir de l'état de charge (SOC) de la batterie. 11. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape h) du procédé selon la revendication 3 - des moyens diviseurs (12) calculant l'inverse de la capacité (Cr) de la batterie; - un circuit multiplicateur (13) de cet inverse par le courant (I+) débité en décharge; - un circuit multiplicateur (14) par un gain (Kar) du signal de sortie du multiplicateur (13) précédent, - un soustracteur (15) retranchant à une valeur de réglage initial (VO) le signal de sortie du multiplicateur (14) précédent pour délivrer la valeur instantanée de la tension d'arrêt de la batterie (Var) 12.Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape i) du procédé selon la revendication 3 - un capteur (16) mesurant la valeur instantanée (Vb) de la tension de la batterie, - un circuit soustracteur (17) réalisant le calcul de la différence (v) entre la valeur instantanée de la tension d'arrêt (Var) calculée à l'étape h précédente et cette valeur instantanée (Vb) de la tension, et - un circuit comparateur (18) de cette différence ainsi calculée avec deux valeurs prédéterminées (O et Vhys) de réglage, générant un signal binaire [C(v)] égal à 1, si le résultat de la comparaison est compris entre ces deux valeurs (O et Vhys), et égal à zéro si le résultat est négatif ou supérieur à l'une d'elles (Vhys) C(v) = o si Vb > Var ou Vb C(v) = 1 si Var - Vhys S Vb signal binaire [C(v) obtenu à l'étape précédente; - un circuit intégrateur (20) du signal de sortie du multiplicateur (19); - un comparateur (21) du signal de sortie de l'intégrateur avec une valeur de réglage (Nar), délivrant en sortie un signal prenant la valeur 1 si le signal de sortie de l'intégrateur (20) atteint la valeur de réglage (Nar), sinon une valeur nulle; - un multiplicateur (22) par un gain infini qui délivre alors un signal de Dirac, rebouclé vers l'intégrateur (20) à travers un circuit (23) de remise à zéro instantanée de l'intégrateur lorsqu'un signal de Dirac lui est appliqué en entrée. 14. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape k) du procédé selon la revendication 3 - un circuit multiplicateur (24) destiné à multiplier le courant débité (I+) par un gain (K1), - un circuit sommateur (25) additionnant le signal issu du multiplicateur (24) à la quantité d'électricité perdue par la batterie (Chp); - un circuit multiplicateur (26) par un gain (K2) du signal précédemment calculé pour délivrer la nouvelle valeur de la capacité réelle (Cr) de la batterie. 15. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte pour réaliser l'étape 1) du procédé selon la revendication 3 - un circuit soustracteur (27) qui calcule la différence entre la nouvelle valeur issue du multiplicateur (26) et la valeur de la capacité juste avant le recalage ; - un circuit multiplicateur (28) effectue le produit de cette différence précédemment calculée par le signal de Dirac présent en sortie du multiplicateur (22) de gain infini, - un circuit (29) intégrateur dans le temps du produit précédent dont le signal de sortie est initialisé par la valeur de réglage (cru) choisie et calibrée et délivrant une nouvelle valeur de la capacité (Cr), qui est rebouclée dans la première phase (A) de calcul de l'état des charges, notamment vers le circuit soustracteur (11) pour obtenir la quantité d'électricité restant dans la batterie (Chr) et son état de charge (SOC).