Brevet FR2826457A1 — publié le 20021227

La présente invention concerne un système d'évaluation de la durée de vie d'une batterie de stockage d'énergie électrique d'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile. Dans l'état de la technique, pour les véhicules automobiles dont la motorisation fait appel complètement ou en partie à une batterie de stockage d'énergie électrique, la durée de vie de cette dernière est exprimée en milliers de kilomètres et représente la distance qu'il est attendu de parcourir avant que la batterie n'atteigne sa fin de vie. L'estimation de la durée de vie de cette batterie est actuellement déterminée à partir d'essais de cyclage effectués sur banc selon des cycles représentatifs d'une utilisation courante du véhicule. De façon générale, on définit la durée de vie d'une telle batterie par le nombre de cycles effectués pour une chute prédéterminée, par exemple de 20%, d'une caractéristique particulière de celle-ci par rapport à sa valeur initiale, pour un état de charge et une température donnés. C'est ainsi que sur banc, la durée de vie peut être estimée par la chute d'une caractéristique comme par exemple : - l'énergie E (Wh, J) restituée par la batterie au cours d'une décharge selon un profil dynamique et/ou à courant constant, - la capacité C (Ah, C) restituée par la batterie au cours d'une décharge selon un profil dynamique et/ou à courant constant, - la puissance maximale Pmax (t) (W, J/s) pour un état de charge et une température donnés. Cette puissance est mesurée lors d'une impulsion de décharge ou de charge de la batterie, d'une durée de t secondes à un courant d'intensité Imt, c'est-à-dire d'intensité maximale que peut supporter la batterie à cet état de charge. La puissance maximale au bout de t secondes, à savoir Pmax (t), est le produit de l'intensité du courant et de la tension mesurée au bout de t secondes aux bornes de la batterie. Ainsi par exemple, la durée de l'impulsion peut être de 10 secondes, et/ou - la résistance interne après t secondes Ri (t) (mohms) de la batterie pour un état de charge et une température donnés. Généralement, la résistance interne est mesurée lors d'une impulsion de décharge ou de charge de la batterie, d'une durée de t secondes à un courant d'intensité It. L'intensité n'est pas nécessairement au niveau maximum que peut supporter la batterie à cet état de charge et pendant cette durée. Cette impulsion est précédée d'un pas à faible intensité ou à intensité nulle. La résistance interne après t (s) est le rapport de la différence de tension sur la différence d'intensité entre le point à t secondes (Ut/tt) sur l'impulsion à forte intensité et le point de fin de pas à faible intensité (U1/11). On peut également envisager une autre méthode de calcul en faisant succéder à un pas de courant à forte intensité, un pas à faible intensité voire à intensité nulle. La résistance interne après t (s) est le rapport de la différence de tension sur la différence d'intensité entre le point à t secondes sur le pas à faible intensité (Ut/) t) et le point en fin de pas à forte intensité (Uz). Par conséquent, pour chaque batterie, la durée de vie est définie selon les résultats de tests effectués sur banc sur un échantillon plus ou moins grand de produits en suivant des procédures préalablement établies. On conçoit que ceci présente un certain nombre d'inconvénients, car ces systèmes de l'état de la technique ne prennent pas en compte les conditions réelles d'utilisation de la batterie. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet un système d'évaluation de la durée de vie d'une batterie de stockage d'énergie électrique d'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile, comportant des moyens de stockage de la valeur initiale d'au moins une caractéristique de cette batterie à différents états de charge et de température de celle-ci et de son évolution en fonction de la capacité déchargée et/ou de l'énergie électrique déchargée, de l'état de charge et de la température de celle-ci, relevée lors la mise en service de cette batterie et des moyens de traitement d'informations pour déterminer une durée de vie estimée de la batterie à partir de cette valeur, caractérisé en ce que ces moyens de traitement d'informations sont associés à des moyens de détermination de valeurs correspondantes de cette caractéristique, au cours de l'utilisation de la batterie, pour permettre de suivre l'évolution de cette valeur et donc de la durée de vie de la batterie en fonction des conditions d'utilisation de celle-ci. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la Fig. 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un système d'évaluation selon l'invention ; - la Fig. 2 représente un organigramme illustrant le fonctionnement de celui-ci ; et - les Figs. 3,4, 5 et 6 illustrent la détermination de différentes caractéristiques d'une batterie. On a en effet représenté sur la figure 1, un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un système d'évaluation selon l'invention. Sur cette figure 1, la batterie est désignée par la référence générale 1 et est raccordée à des consommateurs désignés par la référence générale 2, du véhicule. Des moyens de traitement d'informations désignés par la référence générale 3 constitués par un superviseur de batterie, sont associés à celle-ci et plus particulièrement à des moyens de mesure de courant dans cette batterie désignés par la référence générale 4 et à des moyens de mesure de tension aux bornes de celle-ci et de température de celle-ci, désignés par la référence générale 5. Ce superviseur de batterie 3 est également associé à des moyens de stockage de données désignés par la référence générale 6, et qui seront décrits plus en détail par la suite. Plus particulièrement, la batterie est une batterie de stockage d'énergie électrique d'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile. Dans un véhicule équipé d'une chaîne de traction électrique, celui-ci comporte un ou plusieurs moteurs électriques dont l'alimentation est assurée à partir d'une batterie adaptée par exemple pour être rechargée à partir d'un réseau de distribution électrique externe au véhicule à travers un chargeur. Dans un véhicule équipé d'une chaîne de traction hybride, la batterie de stockage d'énergie est associée à un moteur thermique permettant d'assurer la recharge de cette batterie, à travers par exemple un alternateur et un redresseur. Dans le système d'évaluation selon l'invention, le superviseur de batterie est associé à des moyens de stockage de données et plus particulièrement de la valeur initiale d'au moins une caractéristique de cette batterie à différents états de charge et de température de celle-ci et de son évolution en fonction de la capacité déchargée et/ou de l'énergie électrique déchargée, de l'état de charge et de la température de celle-ci, relevée lors de la mise en service de cette batterie. Ces relevés sont par exemple réalisés sur banc d'essais comme cela a été indiqué précédemment. Les moyens de traitement d'informations formés par le superviseur 3 sont alors adaptés pour déterminer une durée de vie estimée de la batterie à partir de cette valeur. Comme cela a été indiqué précédemment, cette durée de vie est par exemple estimée en milliers de kilomètres et représente la distance qu'il est attendu de parcourir avant que la batterie n'atteigne sa fin de vie. Comme cela a été indiqué précédemment également, la durée de vie d'une batterie peut par exemple être définie par une chute prédéterminée d'une caractéristique particulière par rapport à sa valeur initiale à un état de charge et une température donnés, cette chute étant par exemple égale à 20% de la valeur initiale. Dans le système d'évaluation selon l'invention, les moyens de traitement d'informations 3 sont également reliés à des moyens de détermination des valeurs correspondantes de cette caractéristique, au cours de l'utilisation de la batterie, pour permettre de suivre l'évolution de cette valeur et donc de la durée de vie de la batterie, en fonction des conditions d'utilisation de celle-ci. Ceci permet alors de prendre en compte les différences de comportement au niveau de la conduite du véhicule entre les différents conducteurs. En effet, selon le type de conduite adoptée, c'est-à-dire plus ou moins sportif ou père de famille , la durée de vie de la batterie d'un véhicule va être différente en raison d'un historique d'utilisation différent. Or, les essais effectués sur banc pour déterminer la durée de vie estimée correspondent à des conditions d'utilisation moyennes. Mais, l'utilisation par certains conducteurs de leur véhicule, peut s'écarter sensiblement de ces conditions moyennes. De plus, et sur banc de par la limitation technique du matériel, on ne peut pas reproduire des appels de courant sous forme de pics c'est-à-dire d'impulsions de courant inférieures à la seconde, que l'on peut rencontrer en cours d'utilisation normale du véhicule. Enfin, il importe également de prendre en compte la dispersion du processus de fabrication de la batterie qui, même si elle est contrôlée, peut conduire à des caractéristiques initiales ou au cours de la phase de vie de roulage qui peuvent varier d'une batterie à une autre à conditions de roulage identiques. On a représenté sur la figure 2, un organigramme illustrant le fonctionnement du système selon l'invention. Ce fonctionnement débute lors d'une étape 7 au cours de laquelle la batterie est testée lors de sa mise en service. Cette étape peut par exemple être mise en oeuvre sur banc, ce qui permet de déterminer la valeur initiale d'au moins une caractéristique de la batterie à différents états de charge et de température de celle-ci et son évolution en fonction de la capacité déchargée et/ou de l'énergie électrique déchargée, de l'état de charge et de la température de celle-ci. Cette ou ces valeurs initiales de caractéristiques sont alors stockées lors de l'étape 8, par exemple dans les moyens de stockage 6 décrits en regard de la figure 1. Au cours de l'utilisation de la batterie, celle-ci est soumise à des contrôles périodiques tels qu'illustrés par l'étape 9 sur cette figure 2, au cours desquels le superviseur 3 réalise un bilan de fonctionnement de la batterie lui permettant de déterminer les valeurs correspondantes de la caractéristique relevée lors de la phase initiale, pour permettre de déterminer une nouvelle valeur et la stocker lors de l'étape 10 par exemple dans les moyens de stockage 6. Il est alors possible de suivre l'évolution de cette valeur et donc de la durée de vie de la batterie en fonction des conditions d'utilisation de celle-ci et du véhicule, pour déterminer par exemple lors de l'étape 11, une nouvelle durée de vie estimée de la batterie prenant en compte ces conditions d'utilisation. Le système selon l'invention permet donc à partir de l'évolution de la valeur d'une ou de plusieurs caractéristiques particulières de la batterie, telles que définies ci-dessus, de déterminer l'espérance de vie de la batterie à tout moment de sa phase de vie en prenant en compte son propre historique d'utilisation. Ceci est réalisé en effectuant un contrôle périodique de la batterie et en comparant les valeurs trouvées lors de ce contrôle, pour la ou les caractéristi- ques particulières, à uh certain état de charge et de température de la batterie, à leur valeur initiale dans ces mêmes conditions. On peut alors déterminer, par une loi d'extrapolation fixée au préalable, combien de capacité cumulée (Ah, C) ou d'énergie déchargée cumulée (Wh, J), la batterie peut encore supporter jusqu'à la chute prédéterminée de la caractéristique particulière, synonyme de fin de vie de la batterie, chute par exemple fixée à 20% de la valeur initiale. En effectuant le rapport de la quantité d'énergie déchargée cumulée (Wh) ou de la quantité de capacité déchargée cumulée (Ah), du début de vie jusqu'au dernier contrôle, par le nombre de kilomètres parcourus, on détermine la consommation moyenne par kilomètre du conducteur utilisant le véhicule. Cette consommation moyenne prend en compte le type de parcours du conducteur et sa façon de conduire. En supposant que ces conditions de roulage seront reproduites dans le futur, après avoir déterminé la quantité de capacité déchargée cumulée (Ah) ou d'énergie déchargée cumulée (Wh), que la batterie peut encore supporter à la décharge, jusqu'à la chute de 20% indiquée précédemment d'une caractéristique particulière et en connaissant la consommation moyenne du conducteur, le superviseur 3 déduit alors le nombre de kilomètres que peut encore parcourir le véhicule, c'est-à-dire en fait la batterie, jusqu'à sa fin de vie. Ceci suppose bien entendu comme cela a été indiqué précédemment, la connaissance des valeurs initiales des différentes caractéristiques à différents états de charge et à différentes températures et de leurs évolutions en fonction de la quantité de capacité ou d'énergie cumulée déchargée, de l'état de charge et de la température. Bien évidemment, cette estimation est donnée avec une certaine incertitude, mais cette incertitude est d'autant plus faible que le nombre de kilomètres parcourus est élevé. La détermination de l'espérance de vie peut alors se faire en mode de roulage ou en mode de parcage du véhicule. Dans ce dernier cas, celle-ci peut par exemple être réalisée par une personne spécialisée d'un réseau d'après-vente du constructeur Les valeurs des caractéristiques sont déterminées à partir de mesures de tension et de courant de la batterie et sont alors mémorisées dans les moyens de stockage 6 associés au superviseur 3. Ceci peut être réalisé périodiquement à une fréquence par exemple déterminée et chaque valeur est alors stockée. Ces valeurs correspondant aux conditions des procédures d'évaluation des caractéristiques, peuvent ainsi être enregistrées dans un tableau avec en correspondance le nombre d'ampèresheures déchargés cumulés ou le nombre équivalent de capacité nominale correspondant à ce nombre d'ampères-heures déchargés et les valeurs de température partielle ou moyenne relevées au sein de la batterie auxquelles ont été faits ces relevés. On peut également considérer la batterie comme étant constituée de groupes d'éléments avec pour chaque groupe ou élément, des capteurs propres de courant, de tension et de température. Il est ainsi possible d'évaluer la durée de vie de la batterie par groupe ou par élément. En effet, selon la position relative des éléments de la batterie, leur environnement thermique peut être différent et par conséquent la durée de vie peut varier d'un groupe à l'autre. La lecture de ces différentes informations peut également être réalisée par l'intermédiaire d'une prise de diagnostic du véhicule. La détermination de l'évolution des caractéristiques peut comme cela a été indiqué précédemment, être effectuée en mode de roulage du véhicule ou en mode de parcage de celui-ci. Ces caractéristiques peuvent être mesurées aussi bien lors de la charge que lors de la décharge de la batterie. En mode de roulage, on ne peut évaluer que l'évolution des caractéristiques de puissance maximale Pmax (t) et de résistance interne Ri (t) d'une batterie totale ou partielle comme cela est illustré sur les figures 3 à 6. Les valeurs de courant, de tension et de température sont alors enregistrées à chaque fois que les conditions des procédures de détermination de la puissance et de la résistance interne sont remplies au cours du roulage du véhicule. Une détermination forcée de ces caractéristiques, c'est-à-dire à partir d'une stratégie de loi de commande, peut également être mise en oeuvre. La fluctuation du courant en utilisation normale étant rapide, les plages de courant où l'intensité est constante et en plus maximale, sont généralement d'une durée inférieure à la seconde. Par conséquent, on ne peut pas avoir accès à une puissance et à une résistance interne sur une durée relativement longue. Toutefois, il peut apparaître au cours du roulage du véhicule des pla- ges plus ou moins longues à courant maximal constant, d'une durée supérieure à la seconde mais avec une fréquence plus faible. Par conséquent, la probabilité de se trouver dans des conditions de roulage conformes aux procédures de détermination est très faible. Ces conditions sont par exemple une intensité de courant qui reste à 1 1 des niveaux 11 et It, comme cela est illustré sur les figures mentionnées précé- demment, pendant des durées conformes à la procédure de mesure de la résistance interne et un niveau Imt pendant la durée t conforme à la procédure de mesure de la puissance maximale à t secondes, et éventuellement que la température soit la plus proche possible de celle qui a permis de déterminer la valeur initiale de la caractéristique. Dans le cas d'un véhicule hybride, au cours du roulage, une solution est de commander à la batterie de débiter un courant Imt pendant au moins t secondes, par une loi de commande spécifique lorsque la batterie se trouve dans les conditions optimales et éventuellement à une certaine température. Les valeurs de la tension et de l'intensité du courant sont alors enregistrées après une durée de t secondes. La valeur Pmax (t) est ensuite déterminée. Bien évidemment, cet ordre de commande n'est pas prioritaire et doit s'effacer devant les ordres de commande du superviseur qui assurent une conduite du véhicule en toute sécurité. Bien que cette loi de commande s'écarte peut être d'une gestion optimisée de la contribution mécanique et électrique et donc de la consommation en énergie du véhicule, il convient de mentionner que cette loi de commande spécifique est ordonnée à une fréquence très faible, par exemple tous les x milliers de kilomètres et ne dure au maximum que quelques dizaines de secondes. On peut également envisager de déterminer la résistance interne Ri (t) de la même façon, en forçant le régime de la batterie à des courants It et i1 pen- dant des durées conformes à la procédure illustrée de détermination de la résistance. En fonction des valeurs de courant et de tension relevées, il est alors possible de déterminer la valeur de la résistance interne. Ces mesures en conditions dites forcées peuvent être réalisées de fa- çon transparente pour le conducteur du véhicule ou consécutivement à une action volontaire de celui-ci. Ces caractéristiques peuvent être mesurées aussi bien en charge qu'en décharge de la batterie. L'évaluation de ces caractéristiques en mode de parcage nécessite d'amener la batterie à un état pleinement chargé, par exemple en la rechargeant avec le moteur thermique dans une chaîne hybride ou par un chargeur extérieur, pour permettre d'effectuer ensuite une décharge complète de celle-ci. Cette décharge peut être réalisée à différentes valeurs de courant. Cette décharge peut être réalisée en déchargeant la batterie dans une résistance ou toute autre charge formée par exemple par un consommateur du véhicule, dimensionnée de manière à ce que le courant de décharge ait la valeur souhaitée ou sur un banc spécifique. Pour permettre la détermination de l'évolution de la puissance et de la résistance interne de la batterie, il faut amener celle-ci à un ou plusieurs états de charge particuliers, c'est-à-dire les mêmes que ceux pour lesquels ces caractéristiques ont été calculées lors de la mise en service de la batterie et qui servent de référence. Une fois l'état de charge désiré atteint, on décharge alors la batterie en suivant les procédures d'évaluation de la puissance maximale et de la résistance interne décrites précédemment sans oublier de relever les températures. Par ailleurs, en ce qui concerne l'évaluation de la puissance et de la résistance interne, l'impulsion de décharge peut être obtenue de plusieurs autres manières. C'est ainsi par exemple que l'on peut activer certains consommateurs tels que par exemple les moyens de dégivrage, les phares du véhicule, etc..., pour atteindre la valeur de courant nécessaire à la détermination de la résistance interne et éventuellement de la puissance maximale. Une autre solution consiste à créer des pertes suffisantes par un onduleur embarqué à bord du véhicule, toujours afin d'obtenir les valeurs de courant pour la détermination de la résistance interne et éventuellement de la puissance maximale. Cette détermination de la résistance interne ou de la puissance peut être réalisée aussi bien en charge qu'en décharge. L'impulsion en charge peut être obtenue par un chargeur connecté à la batterie ou toute autre source d'énergie telle que par exemple une autre batterie, une supercapacité, etc... On peut même envisager de créer une impulsion à partir de la batterie de démarrage du moteur du véhicule. Ces différentes stratégies sont mises en oeuvre par le superviseur de gestion de cette batterie. Ce dernier gère l'état de charge et la thermique de la batterie en veillant à ce que la température et l'état de charge restent compris dans les limites permises par le fournisseur de cette batterie. Ceci est possible en utilisant les informations délivrées par les capteurs de tension, de courant et de température associés à la batterie. On conçoit alors qu'une telle structure permet d'avoir à tout moment un diagnostic de l'état de santé de la batterie. Comme cela a été indiqué précédemment, cet état de santé peut être relevé par exemple à travers une prise de diagnostic du véhicule qui permet alors d'avoir accès aux valeurs de la ou des caractéristiques du dernier contrôle effectué sur la batterie et éventuellement de tous ceux effectués au cours de la vie de celle-ci, dans la mesure où ces valeurs sont stockées dans les moyens de stockage 6. On peut alors estimer et évaluer l'état d'une batterie lors par exemple de la revente d'un véhicule entre particuliers ou lors de la reprise d'un véhicule dans le réseau du constructeur. Un suivi statistique des batteries du parc automobile du constructeur peut alors établi. Cette information peut ou non être accessible aux utilisateurs. La ou les caractéristiques utilisées peuvent être : - l'énergie E restituée par la batterie au cours d'une décharge selon un profil dynamique et/ou à courant constant, - la capacité C restituée par la batterie au cours d'une décharge selon un profil dynamique et/ou à courant constant, - la puissance maximale Pmax (t) (Fig. 3) pour un état de charge et une température donnés. Cette puissance est mesurée lors d'une impulsion de décharge ou de charge de la batterie, d'une durée de t secondes à un courant d'intensité Imt, c'est-à-dire d'intensité maximale que peut supporter la batterie à cet état de charge. La puissance maximale au bout de t secondes, à savoir Pmax (t), est le produit de l'intensité du courant et de la tension mesurée au bout de t secondes aux bornes de la batterie. Ainsi par exemple, la durée de l'impulsion peut être de 10 secondes, et/ou - la résistance interne après t secondes Ri (t) de la batterie pour un état de charge et une température donnés. Généralement, la résistance interne est mesurée lors d'une impulsion de décharge (Figs. 4 et 5) ou de charge de la batterie (Fig. 6), d'une durée de t secondes à un courant d'intensité It. L'intensité n'est pas nécessairement au niveau maximum que peut supporter la batterie à cet état de charge et pendant cette durée. Cette impulsion est précédée d'un pas à faible intensité ou à intensité nulle. La résistance interne après t (s) est le rapport de la différence de tension sur la différence d'intensité entre le point à t secondes (Ut/lt) sur l'impulsion à forte intensité et le point de fin de pas à faible intensité (U1/11). REVENDICATIONS 1. Système d'évaluation de la durée de vie d'une batterie de stockage d'énergie électrique d'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile, comportant des moyens (6) de stockage de la valeur initiale d'au moins une caractéristique de cette batterie (1) à différents états de charge et de température de celle-ci et de son évolution en fonction de la capacité déchargée (Ah, C) et/ou de l'énergie électrique déchargée (Wh, J) et de la température de celle-ci, relevée lors la mise en service de cette batterie et des moyens de traitement d'informations pour déterminer une durée de vie estimée de la batterie à partir de cette valeur, caractérisé en ce que ces moyens de traitement d'informations (3) sont associés à des moyens de détermination (3) de valeurs correspondantes de cette caractéristique, au cours de l'utilisation de la batterie (1), pour permettre de suivre l'évolution de cette valeur et donc de la durée de vie de la batterie en fonction des conditions d'utilisation de celle-ci. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique de la batterie est l'énergie restituée par celle-ci au cours d'une décharge selon un profil dynamique et/ou à courant constant. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique de la batterie est la capacité restituée par celle-ci au cours d'une décharge selon un profil dynamique et/ou à courant constant. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique de la batterie est sa puissance maximale pour un état de charge et une température donnés. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique de la batterie est sa résistance interne après une période de temps prédéterminée, pour un état de charge et une température donnés. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement d'informations (3) sont raccordés à des moyens (4,5) de mesure de la tension aux bornes de la batterie (1), du courant dans celle-ci et de la température de celle-ci. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détermination (3) des valeurs correspondantes au cours de l'utilisation de la batterie (1) sont déclenchés lors de pha- ses prédéterminées de fonctionnement de celle-ci en cours de roulage du véhicule. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de détermination (3) des valeurs correspondantes sont déclenchés en mode de parcage du véhicule, les moyens de traitement d'informations (3) pilotant alors des moyens de charge (2) aux bornes de la batterie (1) pour permettre cette détermination.