Brevet FR2750768A1 — publié le 19980109

La présente invention se rapporte à un procédé de correction de l'effet mémoire des batteries Nickel-Cadmium. L'utilisation croissante de batteries rechargeables de forte capacité pour la traction de véhicules électriques, le démarrage de moteurs d'avion, le freinage des poids lourds, etc... a fait naître deux besoins: tout d'abord la nécessité de connaître avec la meilleure précision possible la capacité restante d'une batterie rechargeable en cours d'utilisation, ensuite la nécessité de connaître la capacité totale d'une batterie sans avoir à la décharger entièrement. En effet, une décharge complète dure longtemps, et elle est pratiquement inenvisageable hors d'un banc de décharge de laboratoire. De plus, dans le cas de batteries Ni-Cd, leur régime de décharge influe sur leur capacité, phénomène connu sous le nom d"'effet mémoire". Cet effet se traduit par une perte de capacité de la batterie et une perte de tension aux bornes de la batterie après plusieurs cycles de charges et décharges partielles. Après une décharge et une recharge complètes, une telle batterie retrouve sa tension d'origine, mais non pas sa capacité initiale. En substance, I'effet mémoire résulte de deux phénomènes. Un premier phénomène qui se traduit, à courant de décharge et température constants, par une chute de tension constante, du début à la fin de la décharge, comme représenté en figure 1. Sur cette figure, se rapportant, comme toutes les autres figures aux batteries Cd-Ni, la courbe 1 est celle relative au cas sans effet mémoire, c'est-à-dire au cas pour lequel la batterie a toujours été chargée et déchargée complètement. La courbe 2, située endessous de la courbe 1, correspond au cas avec effet mémoire, c'est-à-dire pour lequel la batterie a subi au moins un cycle chargeldécharge incomplet, ou bien a été stockée trop longtemps à l'état chargé. Chaque point de cette courbe 2 est à une distance D pratiquement constante du point correspondant (de même abscisse) de la courbe 1. Avec l'effet mémoire dû à ce premier phénomène, la tension U1 aux bornes de la batterie s'exprime sous la forme: U1 = Ubat (T,l) - U (tri), expression dans laquelle Ubat est la tension nominale de la batterie (courbe 1), U est la chute de tension due à ce premier phénomène, I le courant fourni par ia batterie et T sa température. On notera que dans les deux cas (avec et sans effet mémoire dû à ce premier phénomène), la capacité de la batterie est la même. Le second phénomène entraîne une chute de tension, en fin de décharge, dont la valeur augmente au fur et à mesure de la décharge de la batterie et est fonction du nombre de cycles de chargesldécharges partielles subis ainsi que de la température de la batterie, et, de façon moins importante, de paramètres divers tels que la durée des périodes de repos entre charge et décharge. On a représenté en figure 2 un réseau de courbes illustrant ce phénomène. La courbe 2 est la même que celle de la figure 1, tandis que les courbes 3 et 4 se rapportent à deux cas dus à ce deuxième phénomène, dont l'influence est plus forte pour la courbe 4 que pour la courbe 3. La tension U2 aux bornes de la batterie, en présence de ce deuxième phénomène est de la forme: U2 = Ubat (T, I) - U(T, I, C, c, g) expression dans laquelle T et I sont les mêmes paramètres que ci-dessus, C est la capacité déjà déchargée, c est le nombre de cycles de charges et décharges partielles que la batterie a subis, et g est une fonction regroupant les paramètres divers mentionnés ci-dessus. La capacité C2 de la batterie s'exprime sous la forme: C2 = Cbat - C (c,g) Cbat étant la capacité initiale de la batterie. On connaît d'après la demande de brevet français n" 95 05658 un procédé de re-calibrage d'un appareil de détermination de la capacité réelle d'une batterie au plomb, permettant de tenir compte de divers paramètres tels que la température de la batterie, son régime de décharge, ... Toutefois, ce procédé ne peut s'appliquer aux batteries Ni-Cd à cause des phénomènes de l'effet mémoire exposés ci-dessus. La présente invention a pour objet un procédé permettant de déterminer la capacité restante d'une batterie Ni-Cd avec la meilleure précision possible, en tenant compte de l'effet mémoire. Le procédé de l'invention consiste à prélever plusieurs batteries d'une série de batteries neuves, à les charger complètement, à mesurer, après un cycle charge/décharge incomplet la chute de tension aux bornes de ces batteries par rapport à leur tension initiale pour un état de décharge sensiblement identique compte tenu de leur température et de leur courant de décharge, puis à déterminer et à mémoriser après plusieurs cycles incomplets de charges et décharges à courant constant, pour différentes températures des batteries et pour différents courants de décharge, une tension de référence pour laquelle la dérivée de la tension aux bornes des batteries par rapport aux variations de leur capacité, passe par un maximum, à les soumettre à plusieurs cycles incomplets de charge/décharge et à noter pour chacun de ces cycles la valeur de la tension aux bornes des batteries, la charge déchargée au-delà du passage de ladite tension de référence, et la pente de la variation de leur tension en fonction de leur décharge puis, pour chacune des batteries de ladite série, à mesurer sa température et le courant de décharge, à repérer le passage par ladite tension de référence et la pente de la variation de sa tension en fonction de sa décharge, et à comparer cette pente à celle mémorisée pour en déduire la capacité résiduelle de la batterie. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple de mise en oeuvre, illustré par le dessin annexé, sur lequel: - les figures 1 et 2, déjà mentionnées ci-dessus, illustrent les deux phénomènes faisant partie de l'effet mémoire, - la figure 3 est un diagramme montrant l'influence de cycles incomplets de charge/décharge sur la tension aux bornes d'une batterie Cd Ni, et - les figures 4 à 6, sont des courbes relevées sur une même batterie Cd-Ni, se rapportant respectivement à l'évolution de la tension à ses bornes en fonction de sa décharge, à l'évolution de la pente de la courbe précitée, et à l'évolution de la pente de la courbe précédente. En figure 3, on a tracé une courbe "de référence" 2', similaire à la courbe 2 de la figure 1, c'est-à-dire une courbe d'évolution de la tension aux bornes d'une batterie Ni-Cd en fonction de sa décharge, c'est-à-dire en fonction de sa capacité restante après un cycle de charge et décharge incomplètes. On a également tracé des courbes 3' et 4' relevées après plusieurs cycles de charges et décharges incomplètes, la courbe 4' correspondant à un plus grand nombre de tels cycles que la courbe 3'. On a également tracé sur la figure 3 des courbes 5 et 6 correspondant respectivement à la différence calculée entre la courbe 2' et la courbe 3', et à la différence calculée entre la courbe 2' et la courbe 4'. On constate que les courbes 5 et 6 peuvent être assimilées à des droites de pentes différentes. D'autre part, on constate que les courbes telles que 4', et les suivantes (non représentées en figure 3) ne commencent à s'écarter de la courbe 2' qu'au-delà d'un point P dont les coordonnées sont définies cidessous en référence aux figures 5 et 6. Selon l'invention, on mesure la pente des droites telles que 5 et 6 et on détermine les coordonnées du point à partir duquel elles apparaissent (points A, B en figure 3 pour les courbes 5, 6). Les courbes des figures 4 à 6 ont été tracées pour la même batterie Ni-Cd. La courbe de la figure 4 est similaire à la courbe 2 de la figure i. Elle donne l'évolution de la tension aux bornes de la batterie en fonction de sa décharge, à courant constant. La figure 5 est une courbe relative à l'évolution de la pente de la courbe de la figure 4 en fonction de la tension à ses bornes, c'est-à-dire une courbe donnant la valeur de dU/dC = f(U), U étant la tension aux bornes de la batterie, et dU/dC, la dérivée de la tension par rapport à la charge délivrée. On constate que cette courbe présente un maximum pour un point P', qui est similaire au point P mentionné ci-dessus. Le point P' n'apparaît pas toujours aussi nettement que dans le cas de la figure 5. On a constaté au cours de différents essais que l'emplacement du maximum des courbes similaires à celle de la figure 5 pouvait être difficile à localiser du fait qu'il était parfois de faible amplitude par rapport aux parties adjacentes de la courbe. Pour y remédier, on a recours à la dérivée seconde d(dU/dC)/dU = f(U), c'est-à-dire que l'on recherche l'endroit où la pente de la courbe de la figure 5 s'inverse. Comme le montre la figure 6, le passage des valeurs positives aux valeurs négatives de la pente est net (premier passage par zéro de la courbe de la figure 6), et il est donc facile de mesurer alors la valeur de la tension aux bornes de la batterie (tension de référence précitée) pour obtenir les coordonnées du point P'. Divers essais ont monté que ce premier passage par zéro était suffisamment facile à détecter et qu'il correspondait bien au point P tel que défini ci-dessus. Ainsi, selon le procédé de l'invention, on se sert du point P (ou P' qui est le même) comme référence pour déterminer la charge résiduelle d'une batterie Ni-Cd. Tout d'abord, on prélève dans une même série de batteries plusieurs batteries témoins, et on les soumet à des séries de tests au cours desquels on effectue différentes mesures. Après les avoir chargées complètement, on les décharge complètement à courant constant, chacune à un courant différent, et ce, pour différentes températures. Si l'on effectue des tests pour m courants de décharge différents et pour n températures différentes, il faut donc tester m x n batteries. Bien entendu, les tests en température se font dans les limites des températures d'utilisation des batteries, et pour ne pas multiplier inutilement leur nombre, la progression des températures peut se faire par exemple de 10 en 10 C. De même, les courants de décharge des batteries sont répartis dans la gamme des courants d'utilisation, avec une progression de 10 en 10 A (ou de 20 en 20 A) par exemple. Le premier de chacun des n x m tests se fait après une charge complète, la première décharge se faisant également de façon complète. Ensuite, on procède à un cycle incomplet de recharge et de décharge, puis on recharge complètement les batteries, et on détermine le point P (ou P'). On procède ensuite à des suites de cycles incomplets de charge et décharge, chaque suite (de, par exemple 5 à 10 cycles) étant suivie d'une recharge complète, ou au moins jusqu'à un point compris entre la charge complète et le point P. Cette recharge est suivie d'une décharge complète au cours de laquelle on relève la courbe de décharge correspondante (entre P et la décharge complète). On relève ainsi, pour chacune des différentes températures des batteries et pour chacun des différents courants de décharge un faisceau de courbes similaire à celui représenté en figure 3, mais comportant un plus grand nombre de courbes. Les coordonnées des différents points P, A, B ainsi que les pentes calculées des segments de droites tels que les segments 5, 6, et les relevés des différentes courbes ainsi obtenues (c'est-àdire les coordonnées de points régulièrement espacés de ces courbes) sont mémorisés dans la mémoire d'un processeur. Connaissant les coordonnées de P et les points tels que A et B (figure 3), et ayant mesuré les pentes des courbes (en fait des droites) telles que 5, 6, on mesure, en utilisation normale de la batterie, sa température et son courant de décharge. On suppose qu'avant la première utilisation la batterie a été complètement chargée. Tant que l'état de décharge de la batterie est en-deçà de P, le point de fonctionnement est sur la courbe 2 (ou 2') correspondant à la température de la batterie, et il suffit de connaître la tension aux bornes de la batterie et sa température pour déterminer directement sa capacité résiduelle. Si le courant de décharge et/ou la température ne sont pas égaux aux valeurs adoptées pour les tests décrits ci-dessus, il suffit d'interpoler, en général linéairement entre les valeurs mémorisées lors des tests (valeurs immédiatement supérieure et inférieure). Dès que le point de fonctionnement de la batterie passe au-delà de P, la courbe 2 (ou 2') ne peut être prise comme référence que pour la première décharge après une première charge complète, ou bien si à chaque utilisation la batterie est chargée et déchargée complètement, sans recharges partielles intermédiaires (comme cela peut se produire en traction automobile lors de la récupération d'énergie de freinage, par exemple). Dans les autres cas, qui sont les plus fréquents, il faut apporter une correction due à l'effet mémoire et qui correspond à la différence entre la courbe 2' et la courbe telle que 3' ou 4' sur laquelle se déplace en fait le point d'utilisation. Ainsi, par exemple (figure 3), si on mesure une tension U1 aux bornes de la batterie, le point de fonctionnement est bien M (situé sur la courbe 2') à la première utilisation après une charge complète, mais après plusieurs cycles incomplets de charges/décharges, le point de fonctionnement est N, situé sur une autre courbe, par exemple la courbe 3'. Pour déterminer la correction à effectuer, c'est-à-dire pour passer de M en N, il suffit de surveiller l'évolution de la décharge de la batterie au-delà de P, et de calculer la pente de la courbe de décharge. Si la batterie a subi peu de cycles incomplets, la courbe de décharge ne s'éloigne de la courbe 2' que longtemps après le passage du point P, par exemple à partir du point A' (correspondant à A). Donc, jusqu'à A', la courbe 2' reste valable. Au-delà de A', le calcul de la pente de la courbe de décharge indique la courbe caractéristique sur laquelle se déplace le point de fonctionnement. II suffit alors de se reporter aux valeurs mémorisées dans la mémoire du calculateur et de calculer, le cas échéant par interpolation, la capacité restante de la batterie, compte tenu de sa température et du courant de décharge. Bien entendu, si la batterie a subi de nombreux cycles incomplets, sa courbe de décharge s'écarte à partir du point P, ou peu après, de la courbe 2'. REVENDICATION 1.- Procédé de correction de l'effet mémoire de batteries Nickel-Cadmium, caractérisé en ce qu'il consiste à prélever plusieurs batteries d'une série de batteries neuves, à les charger complètement, à mesurer, après un cycle charge/décharge incomplet la chute de tension aux bornes de ces batteries par rapport à leur tension initiale pour un état de décharge sensiblement identique compte tenu de leur température et de leur courant de décharge, puis à déterminer et à mémoriser après plusieurs cycles incomplets de charges et décharges à courant constant, pour différentes températures des batteries et pour différents courants de décharge, une tension de référence pour laquelle la dérivée de la tension aux bornes des batteries par rapport aux variations de leur capacité, passe par un maximum, à les soumettre à plusieurs cycles incomplets de charge/décharge et à noter pour chacun de ces cycles la valeur de la tension aux bornes des batteries, la charge déchargée au-delà du passage de ladite tension de référence, et la pente de la variation de leur tension en fonction de leur décharge puis, pour chacune des batteries de ladite série, à mesurer sa température et le courant de décharge, à repérer le passage par ladite tension de référence et la pente de la variation de sa tension en fonction de sa décharge, et à comparer cette pente à celle mémorisée pour en déduire la capacité résiduelle de la batterie.