Brevet FR2748115A1 — publié le 19971031

La présente invention concerne la détermination de l'état de charge d'un accumulateur électrique au plomb embarqué à bord d'un véhicule. La réalisation d'un dispositif permettant de connaître l'état de charge d'un accumulateur électrique embarqué doit satisfaire aux conditions suivantes. Tout d'abord. ce dispositif doit être d'un coût de fabrication, d'un poids et d'un encombrement compatibles avec son montage en série sur le véhicule. Ensuite, ce dispositif doit être capable de déterminer l'état de charge malgré l'amplitude importante des courants qu'est susceptible de débiter l'accumulateur et des fortes variations de température rencontrées sous le capot du compartiment moteur du véhicule. où est placé l'accumulateur. A titre indicatif. l'accumulateur peut débiter lorsque le véhicule n'est pas utilisé un courant de l'ordre de quelques dizaines de milliampères seulement et, lors du démarrage du véhicule. de l'ordre de plusieurs centaines d'ampères. La température de l'accumulateur sous le capot du compartiment moteur peut typiquement varier entre -300C et +105 0C. Enfin, le dispositif lui-même doit pouvoir être placé le cas échéant dans le compartiment moteur et doit être particulièrement robuste et fiable pour résister aux conditions d'utilisation propres au milieu automobile (vibrations. variations de température, ...). A la connaissance de la société déposante, il n'existe aucun dispositif connu capable d'indiquer sur une longue période et avec une précision satisfaisante l'état de charge d'un accumulateur au plomb embarqué à bord d'un véhicule automobile. Or. il existe un besoin croissant pour connaître précisément l'état de charge de l'accumulateur. notamment afin d'optimiser les périodes de charge de celui-ci et de manière plus générale, gérer de façon optimale les flux d'énergie électrique du véhicule. L'invention a ainsi tout d'abord pour objet un procédé pour déterminer l'état de la charge d'un accumulateur au plomb embarqué, permettant de connaître sur une longue période et avec une précision suffisante l'état de charge de l'accumulateur tout en satisfaisant aux différents impératifs précités, spécifiques au domaine automobile. Ce procédé comprend de façon caractéristique les étapes consistant à -mesurer. au cours de chaque période d'utilisation du véhicule. la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier. -calculer l'état de charge au cours de ladite période d'utilisation en fonction de ladite quantité d'électricité et de l'état de charge de l'accumulateur au début de ladite période d'utilisation. -déterminer après ladite période d'utilisation et si l'accumulateur est à l'état relaxé, son état de charge à partir d'une mesure de la tension à ses bornes. -utiliser dans ce dernier cas la valeur de l'état de charge déterminée par la mesure de la tension aux bornes de l'accumulateur à l'état relaxé comme valeur de l'état de charge au début de la période d'utilisation suivante du véhicule. Ainsi. on peut grâce à l'invention connaître avec précision sur une longue période l'état de charge de l'accumulateur, ce qui ne serait pas possible par un simple comptage de l'énergie débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier compte-tenu du phénomène d'autodécharge de l'accumulateur notamment et du cumul des imprécisions de mesure. Avantageusement, la durée à partir de laquelle on considère que l'accumulateur est à l'état relaxé est déterminée en comparant la vitesse de variation dans le temps de la tension aux bornes de ce dernier à une valeur prédéterminée. Cette valeur prédéterminée peut avantageusement être choisie en fonction de la température de l'accumulateur. Avantageusement, on détermine la première fois l'état de charge de l'accumulateur lorsqu'il est à l'état relaxé à l'aide de paramètres de calcul prédéterminés et par le fait que l'on remplace dans la suite ces paramètres prédéterminés par des paramètres calculés à partir de mesures de la tension aux bornes de l'accumulateur à l'état relaxé pour différentes valeurs de l'état de charge. Avantageusement. on effectue une courte décharge de l'accumulateur à la fin de chaque période d'utilisation du véhicule se terminant par une charge de l'accumulateur. Avantageusement, on détermine l'ordre de grandeur du courant débité par l'accumulateur à l'état relaxé et l'on détermine ledit état de charge initial en fonction également de cet ordre de grandeur. Avantageusement, la quantité d'électricité consommée ou restituée est déterminée par l'intégration d'une tension mesurée aux bornes d'une portion calibrée de la tresse de connexion de l'accumulateur à la masse électrique du véhicule. L'invention a encore pour objet un dispositif pour déterminer l'état de charge d'un accumulateur au plomb embarqué sur un véhicule, caractérisé par le fait qu'il comporte -un compteur électrique apte à déterminer la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier, -un voltmètre apte à mesurer la tension aux bornes de 1 'accumulateur, -un moyen de détection apte à déterminer l'état relaxé de l'accumulateur, -un premier moyen de calcul pour déterminer. lorsque l'accumulateur est à l'état relaxé, son état de charge à partir de la tension mesurée par ledit voltmètre, cette valeur ainsi calculée de l'état de charge étant utilisée en tant que valeur d'état de charge initial pour la période d'utilisation suivante du véhicule, et -un deuxième moyen de calcul apte à déterminer l'état de charge de l'accumulateur à un instant donné au cours de ladite période d'utilisation du véhicule, à partir dudit état de charge initial et de la quantité d'électricité mesurée par ledit compteur jusqu'audit instant. Avantageusement, ledit compteur électrique, lesdits premier et deuxième moyens de calcul ainsi que lesdits moyens de détection sont constitués par une unité centrale convenablement programmée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, non limitative de l'invention. et à l'examen du dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est un chronogramme illustrant la succession de périodes d'utilisation et d'arrêt du véhicule, - la figure 2 représente de façon schématique un dispositif conforme à un exemple de réalisation de l'invention. - la figure 3 illustre l'évolution de la tension de l'accumulateur à l'état relaxé en fonction de la capacité déchargée. - la figure 4 montre l'évolution dans le temps de la tension de l'accumulateur sortant d'une décharge. - la figure 5 montre l'évolution dans le temps de la tension de l'accumulateur sortant d'une charge avec ou sans consommateurs permanents. et - la figure 6 illustre l'évolution dans le temps de la tension de l'accumulateur sortant d'une charge, avec ou sans courte décharge pour accélérer la dépolarisation de l'accumulateur. On a représenté sur la figure 1 un chronogramme illustrant l'alternance de périodes d'utilisation TU d'un véhicule équipé d'un dispositif selon l'invention et de périodes d'arrêt TA du véhicule. On considère dans l'exemple particulier décrit que le véhicule est à l'arrêt lorsque le contact est coupé et qu'il est utilisé lorsque le contact est mis. Lorsque le véhicule est à l'arrêt. le courant débité par l'accumulateur (encore appelé batterie) est nul ou faible, typiquement de l'ordre de quelques dizaines de milliampères. selon le nombre et la nature des organes électriques branchés en permanence sur l'accumulateur, tels qu'une alarme ou un auto-radio à l'état de veille, une horloge, etc... et qui seront englobés sous la désignation "consommateurs permanents". On mesure, lors de chaque période d'utilisation Tu la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier et l'on calcule à partir d'un état de charge initial de l'accumulateur au début de la période d'utilisation considérée, l'état de charge au cours de cette période d'utilisation en fonction de ladite quantité d'électricité. On a illustré de façon schématique sur la figure 2 un dispositif selon l'invention, permettant de déterminer l'état de charge de l'accumulateur, représenté de façon schématique sur cette figure et portant la référence 1. Le dispositif selon l'invention, portant dans son ensemble la référence 2, comporte un circuit électrique 3 pour délivrer un signal représentatif du courant débité par la batterie ou restitué à cette dernière, un voltmètre 4 pour mesurer la tension aux bornes de l'accumulateur 1, et une unité centrale 5 pour calculer, en fonction des informations délivrées par le circuit électrique 3 et le voltmètre 4, la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier et l'état de charge de l'accumulateur 1 à un instant donné, et délivrer en sortie une information représentative de cet état de charge à un organe externe 6 tel qu'un système de gestion de l'énergie électrique du véhicule et/ou un afficheur. L'unité centrale 5 comporte des moyens de calculs, une mémoire et des convertisseurs analogique/numérique, connus en eux-mêmes et qui ne seront pas décrits en détail. Le circuit électrique 3 délivre un signal qui est intégré par l'unité centrale 5 pour déterminer la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur 1 ou restituée à ce dernier. Le circuit électrique 3 amplifie la tension U aux bornes d'une résistance de valeur connue avec précision, avantageusement constituée par une portion calibrée de la tresse conductrice utilisée pour connecter la borne négative de l'accumulateur à la masse électrique du véhicule, la résistance R ainsi choisie présentant l'avantage de varier relativement peu dans la gamme de températures de fonctionnement considérée. Le fait d'utiliser la tresse de connexion de la batterie à la borne négative du véhicule présente en outre l'avantage de ne pas mettre en oeuvre des connecteurs pour courants forts et, par rapport à une résistance qui serait disposée entre la batterie et la tresse de masse ou solidaire de la batterie, de ne pas augmenter le coût de cette dernière ni imposer une opération de montage supplémentaire lors du remplacement de la batterie. L'unité centrale 5 comporte une horloge interne permettant d'intégrer le signal délivré par le circuit électrique 3. On a indiqué par la référence 7 une thermosonde permettant de connaître la température de l'accumulateur. reliée à l'unité centrale 5. L'unité centrale peut avantageusement être programmée pour modifier la valeur préprogrammée de la résistance R en fonction de la température. afin d'accroître la précision des mesures. Lors d'une période d'utilisation TU du véhicule, on détermine l'état de charge de l'accumulateur à un instant donné à partir de l'état de charge au début de ladite période d'utilisation TU et de la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, on considère, de façon approximative. que le rendement de charge de l'accumulateur est de 100%, mais l'on peut. sans sortir du cadre de la présente invention, calculer la quantité d'électricité réellement restituée à l'accumulateur en fonction d'un paramètre de rendement de charge, que l'on peut avantageusement faire dépendre de la température mesurée par la thermosonde. L'unité centrale 5 est programmée pour déterminer l'état de charge initial de l'accumulateur au début de chaque période d'utilisation de la façon suivante. Lorsque la période d'arrêt du véhicule précédant la période d'utilisation considérée est suffisamment longue pour que l'accumulateur ait le temps d'atteindre un état relaxé, l'unité centrale 5 calcule l'état de charge initial en fonction de la tension aux bornes de l'accumulateur, en profitant du fait que, d'une manière générale. la tension d'un accumulateur au plomb à l'état relaxé dépend d'une manière quasi-linéaire de la densité d'acide de l'électrolyte qui elle-même dépend d'une manière quasi-linéaire de la capacité déchargée. On profite également de la faible dépendance en fonction de la température de la tension de l'accumulateur à l'état relaxé. Ainsi, à partir de la connaissance de la tension de l'accumulateur à l'état relaxé, l'unité centrale 5 peut déterminer par calcul l'état de charge correspondant, connaissant l'allure de la variation de la tension de l'accumulateur à l'état relaxé en fonction de la capacité déchargée. A titre indicatif, on a représenté sur la figure 3 l'évolution de la tension de l'accumulateur à l'état relaxé en fonction de la capacité déchargée pour un accumulateur de capacité 40 Ah à la température de 250C. Au début du fonctionnement du dispositif 2. l'état de charge initial peut être déterminé au moyen d'un tableau de valeurs mémorisées au préalable dans l'unité centrale 5, correspondant à la variation de l'état de charge en fonction de la tension de l'accumulateur à l'état relaxé pour un accumulateur du type de celui qui est sur le véhicule. L'unité centrale 5 est avantageusement programmée de manière à remplacer au cours du temps les paramètres utilisés pour le calcul de l'état de charge à l'état relaxé et correspondant à un accumulateur type, par des paramètres déterminés en fonction de l'accumulateur réellement utilisé. Un tel apprentissage peut se faire par exemple, dans le cadre d'une approximation linéaire de la variation de la tension en fonction de l'état de charge, par la connaissance de la tension de l'accumulateur à deux états de charge différents. La détermination de l'état de charge de l'accumulateur à partir de la tension à l'état relaxé mesurée à ses bornes, se fait avantageusement en prenant en compte également l'ordre de grandeur du courant débité par l'accumulateur pendant la période d'arrêt du véhicule pour alimenter les consommateurs permanents. L'unité centrale 5 peut utiliser pour ce faire un tableau de valeurs mémorisées la renseignant sur l'allure de la variation de l'état de charge en fonction de la tension de l'accumulateur à l'état relaxé pour différents ordres de grandeur de l'intensité du courant débité par l'accumulateur à l'état relaxé. La mesure de la tension aux bornes de l'accumulateur en vue de déterminer son état de charge n'est toutefois valable que si l'accumulateur est dans un état relaxé, c'est-à-dire au terme d'une période de relaxation dont la durée est suffisante pour que la tension de l'accumulateur soit considérée comme stabilisée. On a illustré sur la figure 4 l'évolution typique en fonction du temps de la tension aux bornes d'un accumulateur au plomb sortant d'une décharge. Comme on pourra le constater à l'examen de cette figure. la tension de l'accumulateur remonte progressivement jusqu'à se stabiliser, auquel cas on considère que l'accumulateur est dans un état relaxé. On a représenté sur la figure 5 l'évolution en fonction du temps de la tension aux bornes d'un accumulateur sortant d'une charge. La tension aux bornes de l'accumulateur décroît progressivement jusqu'à se stabiliser. On peut remarquer à l'examen comparé des figures 4 et 5 que la tension de l'accumulateur met plus de temps à se stabiliser lorsque l'accumulateur sort d'une charge que lorsqu'il sort d'une décharge. Par ailleurs. le courant débité pour alimenter les consommateurs permanents n'a que relativement peu d'influence sur la durée de la période de relaxation nécessaire pour que la tension de l'accumulateur se stabilise, comme on peut le remarquer à l'examen de la figure 5, qui montre en pointillés l'évolution de la tension aux bornes de l'accumulateur lorsqu'il ne débite aucun courant lors de la période de relaxation et en trait plein l'évolution de la tension de l'accumulateur lorsque celui-ci alimente des consommateurs permanents. Pour déterminer si l'accumulateur est dans un état relaxé, l'unité centrale 5 mesure l'évolution de la tension délivrée par le voltmètre 4 en fonction du temps. Ainsi, elle mesure à l'instant t une tension U et à un instant t' suivant une tension Ul et lorsque le rapport (U - U')/(t - t') devient inférieur à un seuil donné, elle considère que l'accumulateur est dans son état relaxé. Ce seuil peut avantageusement être déterminé en fonction de la température mesurée par la thermosonde 7. De préférence, l'unité centrale 5 lit la valeur délivrée par le voltmètre 4 à des intervalles de temps réguliers et lorsque la vitesse de variation de la tension devient inférieure à un seuil prédéterminé. elle calcule à partir de la dernière valeur de tension mesurée l'état de charge de l'accumulateur de la manière indiquée plus haut. Avantageusement. pour diminuer la durée nécessaire pour que l'accumulateur atteigne son état relaxé après une période de charge. on effectue une courte décharge destinée à accélérer le phénomène de dépolarisation des électrodes de l'accumulateur, comme on peut le remarquer à l'examen de la figure 6. On a représenté en trait plein sur cette figure l'évolution de la tension de l'accumulateur après une telle décharge et en pointillés l'évolution de la tension de l'accumulateur sans cette décharge. En se reportant à nouveau au chronogramme de la figure 1, on suppose qu ' entre les instants tl et t2 d'arrêt du véhicule l'accumulateur n'a pas eu le temps d'atteindre un état relaxé. La valeur de l'état de charge initial au début de la période d'utilisation suivante. commençant à l'instant t2, est donc déterminée à partir de la valeur de l'état de charge de l'accumulateur à l'instant tl, c'est-à-dire à la fin de la période d'utilisation précédente. sans faire intervenir une valeur de l'état de charge calculée à partir de la tension mesurée aux bornes de l'accumulateur. Dans la mesure où la période d'arrêt du véhicule entre les instants tl et t2 est relativement courte, le phénomène d'auto-décharge de l'accumulateur peut être négligé de même que l'influence de la quantité d'électricité débitée pour alimenter les consommateurs permanents, et l'on peut considérer valablement que l'état de charge entre les instants tl et t2 n'a pas varié significativement. Par contre, si la période d'arrêt du véhicule est plus longue. par exemple plusieurs semaines, la consommation d'électricité par les consommateurs permanents et le phénomène d'auto-décharge de l'accumulateur peuvent entraîner une diminution significative de l'état de charge de ce dernier. L'invention, par le calcul de l'état de charge peu de temps avant le début de la période d'utilisation suivante à partir de la tension aux bornes de l'accumulateur à l'état relaxé. permet avantageusement de tenir compte de cette variation de l'état de charge de l'accumulateur pendant la période d'arrêt du véhicule. Ainsi, sur le chronogramme de la figure 1, on a indiqué par TR la période de relaxation au terme de laquelle on considère. à l'instant t4, que l'accumulateur est dans son état relaxé. L'unité centrale 5 effectue des mesures régulières. pendant la période T M suivant la période TR, de la tension aux bornes de l'accumulateur pour calculer l'état de charge à partir de l'allure connue de la variation de la tension aux bornes de l'accumulateur à l'état relaxé en fonction de l'état de charge, comme expliqué plus haut. Ainsi, à l'instant t5 correspondant au début de la période d'utilisation suivante du véhicule, l'unité centrale 5 connaît l'état de charge de l'accumulateur, calculé à l'instant de mesure t6 précédent immédiatement le début de cette période d'utilisation. L'unité centrale 5 se sert alors de cette valeur calculée de l'état de charge à l'instant t6 pour déterminer l'état de charge lors de la période d'utilisation commençant à l'instant t5, en fonction de la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier et calculée à partir de la mesure effectuée par le circuit électrique 3 depuis cet instant t5. Finalement, l'invention permet de déterminer au moyen d'un dispositif dont l'encombrement, le poids et le coût sont compatibles avec le montage en série sur les véhicules automobiles. l'état de charge d'un accumulateur avec la précision voulue quel que soit le moment considéré de la vie du véhicule. L'unité centrale 5, le voltmètre 4 et le circuit électrique 3 peuvent avantageusement être intégrés dans un circuit spécialisé de type ASIC et/ou intégrés à un dispositif de gestion de l'énergie électrique du véhicule, destiné à optimiser la commutation des différents organes électriques du véhicule. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit et le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour déterminer l'état de charge de tout accumulateur au plomb monté sur un véhicule équipé d'un moteur thermique ou non, par exemple un accumulateur ou ensemble d'accumulateurs destinés à fournir l'énergie électrique à un moteur de véhicule électrique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer l'état de charge d'un accumulateur électrique au plomb embarqué sur un véhicule, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à -mesurer, au cours de chaque période d'utilisation (Tu) du véhicule, la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier, -calculer l'état de charge au cours de ladite période d'utilisation (Tu )en fonction de ladite quantité d'électricité et de l'état de charge de l'accumulateur au début de ladite période d'utilisation, -déterminer après ladite période d'utilisation et si l'accumulateur est à l'état relaxé son état de charge à partir d'une mesure de la tension aux bornes de l'accumulateur, et - utiliser dans ce dernier cas la valeur de l'état de charge déterminée par la mesure de tension aux bornes de l'accumulateur à l'état relaxé comme valeur de l'état de charge au début de la période d'utilisation suivante du véhicule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la durée à partir de laquelle on considère que l'accumulateur est à l'état relaxé est déterminée en comparant la vitesse de variation dans le temps de la tension de l'accumulateur à une valeur prédéterminée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite valeur prédéterminée est choisie en fonction de la température de l'accumulateur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on effectue une courte décharge de l'accumulateur à la fin de chaque période d'utilisation du véhicule se terminant par une charge de l'accumulateur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé par le fait que l'on mesure l'ordre de grandeur du courant débité par l'accumulateur à l'état relaxé et l'on détermine ledit état de charge initial en fonction également de cet ordre de grandeur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on détermine la première fois l'état de charge de l'accumulateur lorsqu'il est à l'état relaxé à l'aide de paramètres de calcul prédéterminés et par le fait que l'on remplace dans la suite ces paramètres prédéterminés par des paramètres calculés à partir de mesures de la tension aux bornes de l'accumulateur à l'état relaxé pour différentes valeurs de l'état de charge. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite quantité d'électricité est déterminée par l'intégration d'une tension mesurée aux bornes d'une portion calibrée de la tresse de connexion de l'accumulateur à la masse électrique du véhicule. 8. Dispositif (2) pour déterminer l'état de charge d'un accumulateur (1) embarqué sur un véhicule, notamment un accumulateur au plomb. caractérisé par le fait qu'il comporte -un compteur électrique (3,5) apte à déterminer la quantité d'électricité débitée par l'accumulateur ou restituée à ce dernier. -un voltmètre (4) apte à mesurer la tension aux bornes de l'accumulateur, -un moyen de détection (5) apte à déterminer l'état relaxé de l'accumulateur, et -un premier moyen de calcul (5) apte à déterminer, lorsque l'accumulateur est dans un état relaxé, son état de charge à partir de la tension mesurée par ledit voltmètre (4), cette valeur ainsi calculée de l'état de charge étant utilisée en tant que valeur d'état de charge initial pour la période d'utilisation suivante du véhicule, -un deuxième moyen de calcul (5) apte à déterminer l'état de charge de l'accumulateur à un instant donné au cours de ladite période d'utilisation du véhicule à partir dudit état de charge initial et de la quantité d'électricité mesurée par ledit compteur (3,5) jusqu'audit instant. 9. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un capteur (7) de la température de l'accumulateur.