Brevet FR2877730A1 — publié le 20060512

La présente invention concerne l'estimation de la puissance dissipée par une batterie ainsi que l'estimation de l'état de charge d'une batterie. Des dispositifs connus d'estimation de la puissance dissipée par une batterie comportent un capteur de tension pour mesurer la tension aux bornes de la batterie. Dans ces dispositifs connus, à partir de la tension mesurées, la puissance dissipée par la batterie est calculée à l'aide d'une formule empirique déterminée le plus souvent de façon expérimentale. Cette formule empirique dépend du type de batterie. Par exemple, les batteries NiMH (Nickel Métal Hydrure), les batteries au lithium, et les batteries au plomb correspondent à des formules empiriques totalement différentes. Il est donc nécessaire de déterminer cette formule empirique pour chaque type de batterie utilisée, ce qui n'est pas simple. L'invention vise à remédier à cet inconvénient en proposant un dispositif d'estimation de la puissance dissipée par une batterie plus simple à adapter à chaque type de batterie utilisée. L'invention a donc pour objet un dispositif d'estimation de la puissance dissipée par une batterie comportant. - un capteur de température de la batterie, - une entrée pour recevoir une estimation de l'état actuel de charge de la batterie, et - une unité d'évaluation de la puissance dissipée équipée. - d'un module de détermination de la tension d'équilibre thermodynamique de la batterie en fonction de l'estimation de l'état actuel de charge et de la température de la batterie, la tension d'équilibre thermodynamique étant la tension mesurée aux bornes d'une batterie dans un état d'équilibre thermodynamique, et - un module de calcul de la puissance dissipée à partir de la différence entre la tension d'équilibre thermodynamique déterminée et la tension mesurée aux bornes de la batterie. Quel que soit le type de batterie, celle-ci présente une tension d'équilibre thermodynamique déterminable. Par conséquent, le dispositif d'estimation ci-dessus est facilement adaptable à chaque type de batterie. Les modes de réalisation de ce dispositif peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - une mémoire contenant plusieurs valeurs d'état de charge et plusieurs valeurs de température de la batterie ainsi que la valeur correspondante de la tension d'équilibre thermodynamique pour chacune de ces valeurs d'état de charge et de température; - un capteur pour mesurer l'intensité du courant délivré par la batterie, et le module de calcul est apte à calculer la puissance dissipée à l'aide de la relation suivante. Pi = I (Eth-U) où . - Piest la puissance dissipée par la batterie, - I est l'intensité mesurée du courant délivré par la batterie, - Eth est la tension d'équilibre thermodynamique déterminée par le module de détermination, et - U est la tension mesurée aux bornes de la batterie. L'invention a également pour objet une unité d'évaluation de la puissance dissipée par une batterie adaptée pour être mise en oeuvre dans le dispositif d'estimation ci-dessus. L'invention a également pour objet un estimateur de l'état de charge d'une batterie, comportant; : - un dispositif d'estimation de la puissance dissipée par la batterie, et - un calculateur propre à calculer l'état actuel de charge de la batterie en fonction, en outre, de la puissance dissipée estimée par le dispositif d'estimation. Les modes de réalisation de l'estimateur peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le calculateur est apte à exprimer l'état de charge de la batterie par rapport à l'énergie nominale de cette batterie, et l'estimateur comporte un module de détermination de l'énergie nominale en fonction de la température mesurée et/ou d'un courant moyen de décharge de la batterie. L'invention a également pour objet un procédé d'estimation de la puissance dissipée par une batterie adapté pour être mis en uvre dans le dispositif d'estimation ci-dessus. 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 sur lesquels: - la figure 1 est une illustration schématique de l'architecture d'un estimateur de charge d'une batterie, - la figure 2 est un organigramme d'un procédé de construction d'une cartographie, utilisée dans l'estimateur de la figure 1, pour déterminer une tension d'équilibre thermodynamique, - la figure 3 est un organigramme de construction d'une cartographie, utilisée dans l'estimateur de la figure 1, pour déterminer l'énergie nominale de la batterie, et - la figure 4 est un organigramme d'un procédé d'estimation de l'état de charge d'une batterie. La figure 1 représente un véhicule automobile électrique ou hybride 2 équipé d'un moteur électrique 4 2877730 4 propre à entraîner en rotation des roues motrices 6 du véhicule. Le véhicule 2 comporte également une batterie électrique 10 comportant deux bornes de raccordement 12 et 14 connectées au moteur 4 pour l'alimenter en courant continu. Pour simplifier l'illustration, cette batterie 10 comporte uniquement deux électrodes, c'est-à-dire ici une anode 16 et une cathode 18 entre lesquelles se trouve un électrolyte 20. La batterie 10 est par exemple une batterie NiMH (Nickel Métal Hydrure). Le véhicule 2 comporte également un estimateur 24 de l'état de charge de la batterie 10. L'estimateur 24 comporte, par exemple, un écran 26 d'affichage de l'état actuel de charge de la batterie 10 placé dans l'habitacle du véhicule 2 de manière à ce que celui-ci puisse être consulté par le conducteur. L'estimateur 24 possède des moyens d'acquisition d'informations sur le fonctionnement de la batterie. Ces moyens d'acquisition comportent: - un capteur 30 de l'intensité du courant reçu par la batterie 10, - un capteur 32 de la tension entre les bornes 12 et 14, et - un capteur de température 34 propre à mesurer la 25 température de la batterie 10. A titre d'exemple, le capteur 34 est logé à l'intérieur de la batterie 10. Pour calculer l'état de charge de la batterie 10 à partir des informations mesurées par les capteurs 30, 32 et 34, l'estimateur 24 comporte deux unités d'évaluation 36 et 38 pour évaluer respectivement la puissance dissipée sous forme de chaleur par la batterie 10 et la puissance électrique reçue par cette même batterie. La réunion de l'unité d'évaluation 36 et des capteurs 30, 32 et 34 forme un dispositif d'estimation de la puissance dissipée par la batterie 10. L'unité 36 comporte trois entrées raccordées 5 respectivement aux capteurs 30, 32 et 34 pour recevoir les informations mesurées par ces capteurs. L'unité 36 comporte également une entrée 40 pour recevoir une estimation de l'état actuel de charge de la batterie 10. L'unité 36 comporte aussi: - une sortie raccordée à une entrée d'un calculateur 42 de l'état de charge de la batterie 10, et - un module 46 de détermination de la tension Eth d'équilibre thermodynamique de la batterie 10 en fonction de l'état de charge et de la température de cette batterie. Le module 46 est raccordé au capteur de température 34 et à l'entrée 40. Le module 46 est aussi raccordé à une mémoire 48 contenant une cartographie 50 de la tension d'équilibre thermodynamique en fonction de l'état de charge et de la température de la batterie 10. Cette cartographie 50 contient plusieurs valeurs d'état de charge et plusieurs valeurs de température pour la batterie 10 ainsi que les valeurs correspondantes de la tension Eth pour chacune de ces valeurs de température et d'état de charge. La construction de cette cartographie 50 sera décrite plus en détail en regard de la figure 2. Le module 46 comporte une sortie raccordée à l'entrée d'un module 54 de calcul de la puissance dissipée Pi par la batterie. Ce module 54 est apte à calculer la puissance dissipée à partir de la différence entre la tension Eth déterminée par le module 46 et la tension mesurée par le capteur 32. A cet effet, le module 54 est raccordé aux capteurs 30 et 32. Plus précisément, le module 54 calcule la puissance dissipée à l'aide de la relation suivante: Pj = I (Eth-U) (1) où : - Pj est la puissance dissipée par la batterie 10, - I est l'intensité du courant mesurée par le capteur 30, - U est la tension mesurée par le capteur 32, et - Eth est la tension d'équilibre thermodynamique 10 déterminée par le module 46. L'unité d'évaluation 38 est apte à évaluer la puissance électrique Pe reçue par la batterie 10 à l'aide de la relation suivante. Pe = U.I (2) où U et I sont respectivement la tension et l'intensité mesurées par les capteurs 30 et 32. L'estimateur 24 comporte également un module 56 de détermination de l'énergie nominale Enom de la batterie 10. L'énergie nominale Enom correspond à l'énergie maximale qui peut être stockée dans la batterie 10. Ici, le module 56 est adapté pour déterminer cette énergie nominale Enom à partir de. - la température mesurée par le capteur 34, - l'intensité Idch d'un courant moyen de décharge de 25 la batterie 10, et - une cartographie 58 enregistrée dans une mémoire 60. Le module de détermination 56 comporte un sous-module 62 de calcul du courant Idch en moyennant l'intensité mesurée par le capteur 30 depuis la dernière charge complète de la batterie 10. La cartographie 58 contient plusieurs valeurs pour l'intensité du courant Idch et pour la température ainsi que les valeurs correspondantes de l'énergie nominale Enom pour chacune de ces valeurs de courant et de température. La construction de cette cartographie 58 sera décrite plus en détail en regard de la figure 3. Une sortie du module 56 est raccordée à une entrée du 5 calculateur 42. Le calculateur 42 est apte à calculer l'état actuel de charge de la batterie 10 en fonction, notamment, de la puissance dissipée Pj évaluée par l'unité 36 et à exprimer cet état actuel de charge par rapport à l'énergie nominale Enom Plus précisément, le calculateur 42 calcule l'état actuel de charge SOC(t) à l'aide de la relation suivante: SOC(t) =/SOCo 0(PE-P1)dtxlOO (3) nom / où : - SOC(t) est l'estimation de l'état de charge de la batterie 10 à l'instant actuel t, exprimée en pourcentage (100% correspondant à une batterie pleinement chargée et 0% correspondant à une batterie complètement déchargée), - SOC est l'état de charge initial de la batterie à l'instant to, - Enom est l'énergie nominale de la batterie 10 lorsque celle-ci est pleinement chargée. L'instant to correspond à l'instant auquel le calculateur 42 commence à calculer l'estimation de l'état 25 de charge de la batterie 10. Le calculateur 42 est apte à transmettre au dispositif d'affichage 26 la valeur calculée de SOC(t) pour affichage de celle-ci. Pour cela, le calculateur 42 comporte une sortie 66 pour délivrer l'état actuel de charge calculé au dispositif d'affichage 26. Cette sortie 66 est aussi raccordée à l'entrée 40 de l'unité d'évaluation 36. Les unités d'évaluation 36 et 38, le module de détermination 56 et le calculateur 42 sont, par exemple, 2877730 8 réalisés à l'aide d'un calculateur électronique programmable conventionnel apte à exécuter des instructions enregistrées sur un support d'enregistrement d'informations. A cet effet, l'estimateur 24 est associé à un support d'enregistrement d'informations 68 contenant des instructions pour l'exécution du procédé de la figure 4 lorsque ces instructions sont exécutées par le calculateur électronique. Le procédé de construction de la cartographie 50 va 10 maintenant être décrit en regard de la figure 2. La batterie 10 est placée dans une enceinte thermique régulée permettant de maintenir à une température constante l'air ambiant dans lequel est placé la batterie. La température constante de l'air ambiant est réglable. Initialement, lors d'une étape 80, la batterie 10 est amenée et maintenue à une température T1 en réglant la température de l'enceinte thermique. Ensuite, la batterie est complètement chargée, lors d'une étape 82, pour atteindre l'énergie nominale EnomÉ Puis, lors d'une étape 84, la tension Eth correspondant à différents états de charge de la batterie et à la température T1 est déterminée. Plus précisément, lors de l'étape 84, la batterie 10 est déchargée, lors d'une opération 86, de x% par rapport à l'énergie nominale Enom. Par exemple, x% est un palier correspondant à 10% de l'énergie nominale Enom de la batterie. Ensuite, lors d'une opération 88, on attend que la batterie 10 atteigne son équilibre thermodynamique. La batterie 10 atteint son équilibre thermodynamique lorsque l'intensité du courant entre ses bornes est nulle et lorsque aucun dégagement de chaleur ne peut être mesuré. Typiquement, ceci prend plusieurs heures. Lorsque la batterie a atteint son équilibre thermodynamique, la tension entre ses bornes est mesurée lors d'une opération 90. La tension mesurée correspond à la tension d'équilibre thermodynamique Eth. Ensuite, les opérations 86, 88 et 90 sont réitérées de manière à mesurer la tension Eth pour un autre état de 5 charge de la batterie. Lorsque à l'issue de l'opération 86, la batterie est complètement déchargée, les mesures réalisées sont enregistrées, lors d'une étape 92, en associant celles-ci à la température T1. Ensuite, la température de l'enceinte dans laquelle est placée la batterie 10 est modifiée lors d'une étape 94 puis les étapes 80 à 92 sont réitérées. Ainsi, la tension Eth a été mesurée pour différents états de charge et différentes températures lorsque la batterie se décharge. Certaines batteries présentent une différence entre la valeur de la tension Eth mesurée pour un état de charge donné obtenu en déchargeant la batterie et: la valeur de la tension Eth correspondant au même état de charge de la batterie mais obtenu en chargeant la batterie. Pour tenir compte de cet hystérésis dans l'évolution de la tension Eth, les mesures précédentes réalisées en déchargeant la batterie sont de nouveau réalisées mais cette fois ci en chargeant la batterie. Plus précisément, une fois que l'ensemble des mesures souhaitées a été réalisé, la batterie est complètement déchargée, lors d'une étape 100, et une nouvelle température est fixée, lors d'une étape 102, pour l'enceinte dans laquelle est placée la batterie. Ensuite, lors d'une étape 104, la tension Eth correspondant à différents états de charge est mesurée. Plus précisément, lors d'une opération 108, la charge de la batterie est augmentée d'un palier, tel que, par exemple, un palier de 10%. Puis, il est procédé à des opérations 110 2877730 10 et 112 qui sont respectivement identiques aux opérations 88 et 90. Ainsi, l'évolution de la tension Eu1 en fonction de l'état de charge de la batterie est mesuré cette fois ci en augmentant la charge de la batterie. Ces opérations 108 à 112 sont réitérées pour différents états de charge de la batterie. L'étape 104 est suivie d'une étape 114 et d'une étape 116 respectivement identiques aux étapes 92 et 94 10 précédentes. Enfin, une fois que l'évolution de la tension Eth a été mesurée en chargeant puis en déchargeant la batterie, une moyenne entre les deux évolutions est établie puis mémorisée en tant que cartographie 50 dans la mémoire 48, lors d'une étape 118. La construction de la cartographie 58 va maintenant être décrite en regard de la figure 3. Initialement, lors d'une étape 130, la batterie est complètement chargée dans une enceinte maintenue à une 20 température régulée T1. Ensuite, la batterie est déchargée, lors d'une étape 132, à l'aide d'un courant de décharge constant Idch jusqu'à ce que la batterie soit complètement déchargée. Le fait que la batterie soit complètement déchargée peut être détecté en mesurant la tension entre les bornes de la batterie. En parallèle, lors d'une étape 134, un intégrateur intègre le produit de la tension mesurée entre les bornes de la batterie et de l'intensité mesurée du courant délivrée par la batterie. Le résultat de l'intégration réalisée lors de l'étape 134 sur la totalité de la durée de décharge de la batterie est mémorisé lors d'une étape 136. La valeur ainsi mémorisée correspond à l'énergie nominale Enom de la batterie à la température T1 obtenue avec un courant de décharge Iaoh. Ensuite, les étapes 130 à 136 sont réitérées pour une valeur de courant de décharge Idoh différent. Lorsque les opérations 130 à 136 ont été réitérées pour plusieurs valeurs du courant de décharge Iaoh, lors d'une étape 138, la température T1 est modifiée, puis les opérations 130 à 136 sont réitérées dans les nouvelles conditions de température. Ainsi, à l'issue de ce procédé, une cartographie contenant plusieurs valeurs de courant de décharge Iaoh et de température ainsi que les valeurs correspondantes de l'énergie nominale Enom est obtenue. Cette cartographie est enregistrée en tant que cartographie 58 dans la mémoire 60. Le fonctionnement de l'estimateur 24 va maintenant être décrit en regard de la figure 4. Initialement, les capteurs 30, 32 et 34 mesurent respectivement, l'intensité I, la tension U et la température T, lors d'une étape 150. L'unité d'évaluation 36 acquiert les valeurs mesurées, lors d'une étape 152, ainsi que l'état actuel de charge SOC(t) calculé par le calculateur 42. Ensuite, lors d'une étape 154, le module 46 détermine la tension Eth à partir de l'état de charge SOC(t) et de la température acquise, et en utilisant la cartographie 50. Si les valeurs de température ou d'état de charge contenues dans la cartographie 50 ne correspondent pas exactement à celles acquises, le module 46 détermine la tension Eth, par exemple, à l'aide d'une interpolation linéaire entre les valeurs mémorisées dans la cartographie 50. La puissance dissipée Pi est alors calculée, lors d'une étape 156, par le module 54. Parallèlement aux étapes 152 à 156, le module 38 calcule, lors d'une étape 160, la puissance électrique Pe reçue par la batterie 10 pendant le même laps de temps. Egalement en parallèle des étapes 152 à 156, le module 56 détermine, lors d'une étape 162, la valeur de l'énergie nominale Enom à partir de la température mesurée, de la moyenne du courant de décharge Idch calculée par le sous-module 62 et de la cartographie 58. Si la valeur du courant Idch ou si la température mesurée ne correspond pas à une valeur contenue dans la cartographie 58, l'énergie nominale Enom est calculée par interpolation linéaire entre les valeurs contenues dans la cartographie 58. Une fois les étapes 152 à 162 réalisées, le calculateur 42 calcule, lors d'une étape 166, l'état actuel 15 de charge SOC(t) à l'aide de la relation (3). L'état de charge calculé est alors transmis, lors d'une étape 168, à la fois au dispositif d'affichage 26 et à l'entrée 40. Le dispositif d'affichage 26 affiche, lors d'une étape 170, l'état actuel de charge SOC(t). La tension Eth est proche de la tension théorique qui serait mesurée aux bornes de la batterie 10 si celle-ci était parfaite. Une batterie parfaite est une batterie qui ne dissipe pas d'énergie sous forme d'effet joule ou sous forme d'effet entropique. Dés lors, la relation (1) peut être comprise comme étant la différence entre l'énergie que fournirait la batterie 10 si celle-ci était parfaite et l'énergie qu'elle fournit réellement. Cette différence entre la puissance théorique fournie par la batterie parfaite et la puissance réellement fournie est due à la puissance dissipée par la batterie. Dés lors, la relation (1) permet d'évaluer la puissance dissipée par la batterie 10. Cette relation (1) est indépendante du type de batterie, de sorte que pour adapter l'estimateur 24 à un nouveau type de batterie, il est uniquement nécessaire de modifier la cartographie 50 et la cartographie 58. La simplicité de la relation (1) permet de construire un dispositif d'estimation de la puissance dissipée de la batterie 10 et un estimateur 24 simples à mettre en oeuvre et donc peu coûteux à construire. D'autre part, la relation (1) est applicable quel que soit l'état de charge de la batterie. Ainsi, la puissance dissipée par la batterie peut être estimée avec précision sur l'ensemble de la plage de fonctionnement de cette batterie. L'estimateur 24 et le dispositif d'estimation de la puissance dissipée sont également particulièrement simples à mettre en uvre à cause du fait que la tension Eth est simple à mesurer de sorte qu'il est aisé d'établir la cartographie 50. De nombreux autres modes de réalisation de l'estimateur 24 et du dispositif d'estimation de la puissance dissipée sont possibles. Par exemple, les mémoires 48, 60 et 68 sont combinées pour former une seule mémoire. La précision de l'estimateur 24 est, ici, accrue grâce à la détermination dynamique de l'énergie nominale Enom par le module 56. En variante, l'énergie nominale Enom est une constante préenregistrée indépendante de:a température et du courant de décharge Idch. Dans cette variante, le module 56 et la mémoire 60 peuvent être supprimés. En variante également, le module 56 est remplacé par un module de détermination de l'énergie nominale Enom uniquement en fonction de la température mesurée par le capteur 30. Enfin, le dispositif d'estimation de la puissance dissipée décrit ici peut être utilisé pour d'autres applications que l'estimation de l'état de charge courant d'une batterie. Par exemple, ce dispositif d'estimation est utilisé, en variante, dans un système de commande du chargement d'une batterie. Ce qui a été décrit ci-dessus s'applique à tous types de batterie électrique et pas seulement aux batteries de véhicules électriques automobiles. Par exemple, cela s'applique également à la batterie d'un véhicule automobile à moteur à combustion ou d'un téléphone mobile. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'estimation de la puissance dissipée par une batterie, ce dispositif comportant un capteur (32) de tension pour mesurer la tension aux bornes de la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte: - un capteur (34) de température de la batterie, - une entrée (40) pour recevoir une estimation de 10 l'état actuel de charge de la batterie, et - une unité (36) d'évaluation de la puissance dissipée équipée: - d'un module (46) de détermination de la tension d'équilibre thermodynamique de la batterie en fonction de l'estimation de l'état actuel de charge et de la température de la batterie, la tension d'équilibre thermodynamique étant la tension mesurée aux bornes d'une batterie dans un état d'équilibre thermodynamique, et - une module (54) de calcul de la puissance dissipée à partir de la différence entre la tension d'équilibre thermodynamique déterminée et la tension mesurée aux bornes de la batterie. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire (50) contenant plusieurs valeurs d'état de charge et plusieurs valeurs de température de la batterie ainsi que la valeur correspondante de la tension d'équilibre thermodynamique pour chacune de ces valeurs d'état de charge et de température. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur (30) pour mesurer l'intensité du courant délivré par la batterie, et en ce que le module de calcul est apte à calculer la puissance dissipée à l'aide de la relation suivante: Pi = I (Eth-U) où : Piest la puissance dissipée par la batterie, - I est l'intensité mesurée du courant délivré par 5 la batterie, - Eth est la tension d'équilibre thermodynamique déterminée par le module de détermination, et - U est la tension mesurée aux bornes de la batterie. 4. Unité d'évaluation de la puissance dissipée par une batterie adaptée pour être mise en uvre dans un dispositif d'estimation conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte le module (46) de détermination de la tension d'équilibre thermodynamique de la batterie et le module (54) de calcul de la puissance dissipée. 5. Estimateur de l'état de charge d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif d'estimation de la puissance 20 dissipée par la batterie conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, et - un calculateur (42) propre à calculer l'état actuel de charge de la batterie en fonction, en outre, de la puissance dissipée estimée par le dispositif d'estimation. 6. Estimateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le calculateur est apte à exprimer l'état de charge de la batterie par rapport à l'énergie nominale de cette batterie, et en ce que l'estimateur comporte un module (56) de détermination de l'énergie nominale en fonction de la température mesurée et/ou d'un courant moyen de décharge de la batterie. 7. Procédé d'estimation de la puissance dissipée par une batterie adapté pour être mis en uvre dans un dispositif d'estimation de la puissance dissipée conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape (154) de détermination de la tension d'équilibre thermodynamique de la batterie en fonction de l'estimation de l'état actuel de charge et de la température de la batterie, et une étape de calcul de la puissance dissipée à partir de la différence entre la tension d'équilibre thermodynamique déterminée et la tension mesurée aux bornes de la batterie.