Brevet FR2907272A1 — publié le 20080418

Procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable 5 Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable. État de la technique Les accumulateurs électrochimiques, ou batteries rechargeables, sont utilisés dans de nombreuses applications mobiles, du type électroniques 15 portables, véhicules thermiques, électriques ou hybrides, etc..., ou de nombreuses applications stationnaires, du type relais de télécommunication, production d'électricité à partir de sources d'énergie intermittentes, telles que l'éolien ou le photovoltaïque, etc..., assurant dans chacun des cas un élément aussi primordial que fragile. 20 Afin d'optimiser leur durée de vie au sein de ces différentes applications, il est généralement de rigueur de protéger les batteries rechargeables contre toute décharge profonde, la plupart du temps synonyme de dégradation prématurée, voir dans certains cas d'impossibilité de recharge. Aussi, dans 25 toutes les applications dans lesquelles les batteries rechargeables sont susceptibles d'atteindre des états de décharge profonds, des seuils bas de tension LVD ( Low Voltage Disconnect en anglais) sont utilisés pour stopper la décharge. 30 À titre d'exemple, comme représenté sur le graphique de la figure 1, illustrant la tension en fonction de la quantité déchargée de la batterie, pour trois 10 2907272 2 décharges réalisées à trois régimes de courant différents, à savoir 0,5A (courbe avec les triangles), 5A (courbe avec les carrés) et 10A (courbe avec les ronds), la tension diminue de manière classique pour atteindre la valeur de 10,8V, correspondant au seuil bas de tension LVD décrit ci-dessus, valeur à laquelle la décharge doit être stoppée. Une fois ce seuil de tension atteint, la batterie est donc déconnectée. Toutefois, il est à noter que la tension de la batterie ainsi déconnectée augmente alors aussitôt, en raison de l'annulation des surtensions imposées io par le courant. Si aucune précaution n'est prise, la décharge peut donc être à nouveau autorisée avant d'être immédiatement interrompue, la reprise de la décharge signifiant une nouvelle atteinte du seuil bas de tension. Pour éviter ce type de micro-décharges à des faibles états de charge, tout aussi néfastes pour la batterie que pour l'électronique assurant la déconnexion et 15 la reconnexion de la batterie, un nouveau seuil de tension de reconnexion LVR ( Low Voltage Reconnect en anglais) est alors utilisé. Pour autant, la reprise de la décharge sur ce nouveau critère en tension ne permet pas d'assurer que la batterie ait été rechargée entre temps pour permettre une nouvelle décharge, de sorte que ce procédé ne fait en fin de compte 20 qu'estomper l'effet néfaste des micro-décharges sans l'éviter totalement. Par ailleurs, un ajustement optimal de ces seuils de tension est très délicat. Si ces seuils de tension tiennent compte en effet de la technologie de la batterie ou encore du dimensionnement du système, ils sont néanmoins 25 maintenus constants durant toute la durée de fonctionnement de la batterie. Or, la tension d'une batterie dépend à la fois de sa technologie, mais également de ses conditions de fonctionnement, à savoir le courant de charge ou de décharge, la période de relaxation, la température, et pour finir de son état de santé, ou état d'usure. 30 2907272 3 Dans le cas d'une batterie pouvant comporter une mise en série d'éléments, une inhomogénéité entre les éléments peut elle-même avoir une incidence sur la tension mesurée aux bornes de la batterie complète. En d'autres termes, il n'existe pas de relation directe, ou du moins qu'une relation 5 approximative, entre la tension d'une batterie et son état de charge. Les critères en tension utilisés à l'heure actuelle ne sont donc pas en mesure d'apprécier pleinement la profondeur de décharge des batteries rechargeables en intégrant l'ensemble des contributions décrites ci-dessus. Selon les conditions de fonctionnement ou de vieillissement, ces seuils de io tension tendent donc à ne pas être idéaux, et peuvent même dans certains cas conduire à une dégradation prématurée de la batterie. En outre, les valeurs des seuils de coupure pour différents régimes de décharge sont déterminées lors du développement d'une nouvelle série de batteries par des mesures très empiriques, nombreuses, longues et donc coûteuses. 15 Une structure de commande classique dune batterie 1 est représentée schématiquement sur la figure 2. De manière classique, une batterie 1 alimente une charge 2, par l'intermédiaire, par exemple, d'une source d'énergie 3. Les cycles de charge et de décharge de la batterie 1 sont gérés 20 par un régulateur 4, reliés aux bornes de la batterie 1 et mesurant, par exemple, la tension aux bornes de la batterie 1. Le régulateur 4 commande, selon S1, la charge de la batterie 1 par l'intermédiaire d'un premier interrupteur 5, destiné notamment à déconnecter la batterie après décharge, et commande, selon S2, la source d'énergie 3 par l'intermédiaire d'un second 25 interrupteur 6. Pour se prémunir contre de tels dommages décrits ci-dessus, les seuils de tension utilisés pour stopper la décharge sont très largement surévalués au sein d'un tel régulateur décrit ci-dessus, de manière à s'assurer de ne jamais descendre en dessous du seuil d'état de charge réellement critique. 30 2907272 4 À titre d'exemple, dans le cas des batteries plomb-acide utilisées dans les systèmes photovoltaïques, le seuil bas en tension de ces batteries est généralement voisin de 1.9V/élément (soit 11.4V pour une batterie de 6 éléments), quelles que soient les conditions d'usure ou de fonctionnement 5 des batteries. Or, les batteries plomb-acide pourraient la plupart du temps être utilisées jusqu'à un seuil proche de 1. 8V/élément (soit 10.8V pour une batterie de 6 éléments), sans aucune conséquence néfaste pour leur utilisation. II en résulte un manque d'énergie de stockage, pouvant atteindre près de 10 % de la capacité de la batterie. La gestion de la fin de décharge de telles batteries rechargeables n'est donc pas optimale. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à réaliser un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable, qui soit efficace, simple à réaliser, à partir de l'exploitation d'une donnée spécifique aux mesures d'impédance complexe, et qui permette un diagnostic de l'état des batteries, tout en prenant en compte l'impact des conditions d'utilisation passées et en cours et l'état de santé des batteries, et qui permette d'éviter toutes reconnexions intempestives des batteries pleinement déchargées. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte la détermination de la fréquence de transition de la batterie et la détermination d'un critère de fin de décharge de la batterie fonction de ladite fréquence de transition. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la fréquence de transition est déterminée périodiquement pendant l'utilisation de la batterie, la décharge étant interrompue par des moyens de régulation en fonction de ladite fréquence de transition. 2907272 5 Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit critère de fin de décharge est déterminé à partir de mesures de la fréquence de transition réalisées pendant une phase de calibration. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, ledit critère de fin de décharge est réajusté à partir de mesures de la fréquence de transition réalisées pendant une phase de maintenance. 10 Selon des développements de l'invention, ledit critère de fin de décharge est représentatif d'un brusque changement de pente de la fréquence de transition en cours de décharge, d'une valeur maximale prédéterminée de la fréquence de transition ou d'une valeur maximale prédéterminée de la pente de la fréquence de transition. 15 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 20 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est un graphique représentant la quantité déchargée d'une 25 batterie en fonction de la tension, respectivement à trois régimes de courant différents (0,5A, 5A et 10A), selon l'art antérieur. La figure 2 représente schématiquement une structure classique de commande d'une batterie rechargeable selon l'art antérieur. La figure 3 représente, sous forme d'organigramme, un mode particulier de 30 réalisation d'un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable selon l'invention. 5 2907272 6 La figure 4 illustre l'identification de la fréquence de transition FHF dans un diagramme de Nyquist, selon l'art antérieur. La figure 5 est un graphique représentant l'état de charge SOC d'une batterie en fonction de la fréquence de transition FHF, respectivement aux trois 5 régimes de courant différents selon la figure 1. La figure 6 est un graphique illustrant la pente de la fréquence de transition en fonction de la tension, respectivement à deux régimes de courant différents (0,5A et 5A), selon l'invention. 10 Description d'un mode préférentiel de l'invention En référence à la figure 3, le procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable selon l'invention peut être réalisé par une structure de 15 commande classique, comme représenté sur la figure 2, avec un régulateur permettant de gérer la charge et la décharge de la batterie, par exemple, par commande sur des interrupteurs. Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 3, le procédé 20 de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable consiste dans une première étape F1 à déterminer la fréquence de transition FHF de la batterie. À titre d'exemple, la détermination de la fréquence de transition FHF peut être 25 réalisée par dichotomie. En considérant, par exemple, une batterie plomb-acide, avec une fréquence de transition FHF dans une gamme de fréquences de 3300HZ à 100Hz, et en considérant la partie imaginaire de l'impédance mesurée à la fréquence f, notée Im(Z(f)), et en considérant s le signe de cette grandeur, nous pouvons alors écrire : si s f et si s z 0, 30 alors FHF s f. 2907272 7 Le principe de la dichotomie consiste alors à réaliser une première mesure, par exemple, à f1 = 1700 Hz, correspondant au point central de la gamme de fréquences mentionnée ci-dessus. Suivant le signe de Im(Z(f1)) et la relation ci-dessus, une nouvelle mesure sera ensuite réalisée, par exemple, à f2 = 5 2500 Hz, si s était inférieur à 0, ou à f2' = 900 Hz, si s était supérieur à 0. Suivant le signe de Im(Z(f2)), ou respectivement Im(Z(f2')), une nouvelle mesure sera ensuite réalisée, par exemple, à f3 = 2900 Hz, si s était inférieur à 0, ou à f3' = 2100 Hz, si s était supérieur à 0, ou respectivement à f3 = 1300 Hz, si s était inférieur à 0, ou à f3' = 500 Hz, si s était supérieur à 0, et 10 ainsi de suite. D'une façon générale, chaque nouvelle mesure peut finalement être définie par la relation : fn+1 = fn + x si s 0, avec x = I fn - fä_,j12. À partir de la gamme 3300 Hz - 100 Hz, sept mesures 15 suffisent alors pour obtenir FHF à 25 Hz, ce qui traduit une précision tout à fait raisonnable et suffisante. Par ailleurs, une estimation du temps de détermination de la fréquence de transition FHF par cette méthode peut être obtenue en considérant la 20 réalisation de ces sept mesures successives, toutes réalisées à des fréquences supérieures à 100 Hz. En considérant que les mesures sont par ailleurs réalisées sur cinq périodes pour chaque fréquence étudiée, la réalisation de trente-cinq mesures est alors suffisante et largement inférieure à une demi-seconde, à savoir 0,35s si toutes les mesures sont faites à 100 25 Hz. Cette méthode par dichotomie permet donc d'assurer un suivi de la fréquence de transition FHF à chaque seconde, ou sur un pas de temps plus long. Dans le domaine des mesures d'impédance, il était déjà connu de déterminer 30 la fréquence de transition FHF. Comme représenté sur la figure 4, illustrant l'identification de la fréquence de transition FHF dans un diagramme de 2907272 8 Nyquist, la fréquence de transition FHF correspond classiquement à la fréquence à laquelle l'impédance complexe de la batterie passe d'un comportement inductif à un comportement résistif, soit encore la fréquence à laquelle la partie imaginaire de l'impédance complexe s'annule. Il s'agit d'un 5 paramètre d'impédance mesuré dans les hautes fréquences, de façon continue au cours du fonctionnement de la batterie, qu'elle soit au repos ou en fonctionnement, de façon totalement non-intrusive. Cependant, tous les appareils actuels connus de mesure d'impédance 10 n'exploitent pas cette valeur de la fréquence de transition FHF, mais exploitent les valeurs d'impédance mesurées à diverses fréquences pour le diagnostic d'état de santé des batteries. C'est le cas notamment du document US 2003/204328, qui décrit un appareil utilisant une méthode de détermination de l'état de santé d'une batterie par la mesure de valeurs d'impédance à 15 diverses fréquences. Plusieurs publications récentes, notamment l'article Monitoring state-of-charge of Ni-MH and Ni-Cd batteries using impedance spectroscopy de A.Hammouche et al. (Journal of Power Sources, vol-127, 2004, pp.105-11) et l'article Impedance measurements on lead-acid batteries for state-of-charge, state-of-health and cranking capability 20 prognosis in electric and hybrid electric vehicles de H. Blanke et al. (Journal of Power Sources, vol-144, 2005, pp.418-425), ainsi que le document WO 2005/031380, montrent également la possibilité de suivre l'état de charge des batteries nickel-cadmium, ou encore des batteries plomb-acide, à partir de cette fréquence de transition FHF. À titre d'exemple, 25 comme représenté sur la figure 5, il est ainsi possible de déterminer la fréquence de transition FHF en fonction de l'état de charge SOC ( State On Charge en anglais) de la batterie, pour les trois mêmes régimes de courant différents de la figure 1, à savoir 0,5A, 5A et 10A. 30 Toutefois, aucun document ou aucun appareil connu ne fait allusion à l'utilisation possible de la fréquence de transition FHF dans le cadre d'un 2907272 9 système de régulation, ni dans la gestion de la fin de décharge des batteries à partir de ce critère. Le procédé selon l'invention se propose quant à lui d'utiliser cette fréquence de transition FHF, afin de gérer la fin de décharge d'une batterie rechargeable, la fréquence de transition FHF étant reliée à l'état 5 de la matière active et étant utilisable pour stopper la décharge en fonction de l'état réel de la matière active. Sur la figure 3, après l'étape F1 de détermination de la fréquence de transition FHF, le procédé de gestion comporte la détermination, dans une 10 deuxième étape F2, de la pente de la fréquence de transition FHF. La pente est déterminée par la dérivée de la fréquence de transition dFHF/dt. La dérivée de la fréquence de transition dFHF/dt peut notamment être déterminée à partir du graphique de la figure 5. En effet, celui-ci illustre la 15 fréquence de transition FHF en fonction de l'état de charge SOC, lors d'une décharge à courant I constant. Or, l'état de charge SOC est proportionnel au courant I multiplié par le temps t. Sur la figure 5, le courant I étant constant, l'état de charge SOC est proportionnel au temps t. Ainsi, la dérivée de chacune des trois courbes représentées sur la figure 5 correspond donc, à 20 une constante près qui est le courant I de décharge, à la pente de la fréquence de transition dFHF/dt. Puis, dans une troisième étape F3, le procédé de gestion consiste à comparer la pente calculée au préalable avec une valeur prédéterminée 25 maximale Pmax, représentative du critère de fin de décharge de la batterie à partir duquel il faut déconnecter la batterie. Si la valeur calculée de la pente est inférieure à la valeur prédéterminée maximale Pmax, le procédé de gestion se reboucle alors avant l'étape F1 de détermination de la fréquence de transition FHF. Si la valeur calculée de la pente est supérieure à la valeur 30 maximale prédéterminée Pmax, le procédé de gestion passe alors à l'étape suivante F4, à savoir l'interruption de la décharge de la batterie, par 2907272 10 l'intermédiaire du régulateur (figure 2). La valeur maximale prédéterminée Pmax définit ainsi le critère de fin de décharge, qui est fonction de la fréquence de transition, à partir duquel la batterie doit être déconnectée. 5 À titre d'exemple, en considérant le graphique représenté sur la figure 6, qui illustre la valeur de la pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF en fonction de la tension U, à deux régimes de courant différents, à savoir 0,5A (courbe avec des ronds) et 5A (courbe avec des croix), il ressort que l'utilisation de la pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF peut s'avérer 10 tout à fait probante dans le but de conserver la fiabilité de la consigne de fin de décharge durant le vieillissement de la batterie. En effet, dans le cas des applications photovoltaïques, il est courant de stopper la décharge sur une consigne d'arrêt en tension fixe, de l'ordre de 15 11,5V, quelles que soient les conditions de la décharge. À titre d'exemple, un arrêt de la décharge sur un seuil de 11,5V à 5A (traits en pointillés sur la figure 6), qui correspond à une pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF de l'ordre de 0.015, conduit pour conserver la même valeur de pente dFHF/dt de la fréquence de transition FHF à stopper la décharge à un seuil de 20 l'ordre de 11,25V à 0,5A. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la fréquence de transition est déterminée (F1), par exemple, périodiquement pendant l'utilisation de la batterie en fonctionnement, la décharge étant alors interrompue (F4) par le 25 régulateur (figure 2) en fonction de la fréquence de transition calculée (F1). Dans une autre variante de réalisation non représentée, le critère de fin de décharge appliqué au procédé de gestion peut être déterminé à partir de mesures de la fréquence de transition FHF réalisées pendant une phase de 30 calibration de la batterie. Le critère de fin de décharge correspondant à la calibration est alors rentré dans le régulateur (figure 2). Le procédé consiste 2907272 11 alors, comme précédemment, à déterminer la fréquence de transition FHF (F1) et, par exemple, la pente (F2), la batterie étant déconnectée (F4) quand le critère de fin de décharge calculé pendant la calibration est atteint (F3) pendant le fonctionnement de la batterie. 5 Dans une autre variante de réalisation non représentée, le critère de fin de décharge peut également être réajusté à partir de mesures de la fréquence de transition FHF réalisées pendant une phase de maintenance de la batterie. Comme précédemment, le calcul de la fréquence de transition FHF et du 10 critère de fin de décharge correspondant se fait alors pendant cette phase de maintenance et la batterie est déconnectée quand le critère de fin de charge est atteint pendant le fonctionnement de la batterie. Par ailleurs, que se soit pendant une phase de calibration ou pendant une 15 phase de maintenance, le critère de fin de décharge calculé en fonction de la fréquence de transition FHF et permettant la déconnexion de la batterie est, de préférence, constitué par la tension aux bornes de la batterie mesurée par le régulateur (figure 2), définissant ainsi une consigne d'arrêt en tension fixe (figure 6). 20 Dans une autre variante de réalisation non représentée d'un procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable, le critère de fin de décharge de la batterie peut être représentatif d'un brusque changement de pente de la fréquence de transition FHF en cours de décharge. Le brusque 25 changement de pente est défini par la dérivée seconde de la fréquence de transition dFHF2/dt2 et le procédé de gestion consiste alors à utiliser cette valeur calculée de la dérivée seconde, comme valeur représentative du critère de fin de décharge, la batterie étant déconnecté par l'intermédiaire du régulateur (figure 2) quand ce critère là est atteint. 30 2907272 12 Dans une autre variante de réalisation, le critère de fin de décharge de la batterie peut être représentatif d'une valeur maximale prédéterminée de la fréquence de transition FHF. Comme précédemment, le procédé de gestion consiste alors à déterminer la fréquence de transition FHF et à comparer la 5 valeur obtenue avec la valeur maximale prédéterminée. Si cette valeur calculée est inférieure à la valeur maximale prédéterminée, alors le procédé se reboucle avant l'étape de détermination F1 de la fréquence de transition FHF et une nouvelle fréquence de transition FHF est mesurée. Si la valeur calculée est supérieure à la valeur maximale prédéterminée, alors le critère 10 de fin de décharge a été atteint et le régulateur interrompt la décharge en déconnectant la batterie. Quel que soit le mode de réalisation décrit ci-dessus, un tel procédé de gestion est donc très efficace et simple à réaliser, tout en permettant un 15 diagnostic de l'état de décharge des batteries et en prenant en compte l'impact des conditions d'utilisation passées et en cours et l'état de santé des batteries. Un tel procédé permet également d'éviter toutes reconnexions intempestives des batteries pleinement déchargées. La gestion de la décharge d'une batterie est donc optimale et le fonctionnement de la batterie 20 rechargeable, ainsi que sa durée de vie, sont donc optimisés. L'invention s'applique notamment, grâce à l'utilisation d'un tel critère de fin de décharge selon les différents modes de réalisation du procédé de gestion décrits ci-dessus, à la détermination et au développement d'une nouvelle 25 série de produits, à la détermination aisée et peu coûteuse des seuils de fin de décharge et à son indication aux utilisateurs, et ce pour tous les régimes de décharge. L'invention s'applique également à l'utilisation directe dans un régulateur 30 d'un tel nouveau critère de fin de décharge, pour l'ajustement de la fin de décharge de la batterie, de façon à ce que la fin de décharge prenne en 2907272 13 compte l'état de la batterie en matière de vieillissement ou d'utilisation passée. L'invention s'applique encore à l'utilisation, dans un système comportant une 5 batterie et son régulateur, du nouveau critère de fin de décharge, de manière à recalibrer les seuils dudit régulateur lors des opérations de maintenance. L'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits ci-dessus. Le terme batterie utilisé dans la description ci-dessus englobe 10 notamment aussi bien les batteries rechargeables que les accumulateurs électrochimiques rechargeables. Le procédé de gestion décrit ci-dessus s'applique notamment à tout type de batteries rechargeables. D'une manière générale, tous les types de charge ou de décharge peuvent 15 être utilisés, en tenant compte du type de batterie et/ou du type d'application dans laquelle cette batterie est utilisée. Revendications 1. Procédé de gestion de la fin de décharge d'une batterie rechargeable, caractérisé en ce qu'il comporte la détermination (F1) de la fréquence de transition (FHF) de la batterie et la détermination d'un critère de fin de décharge (F2, F3) de la batterie fonction de ladite fréquence de transition (FHF). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de transition (FHF) est déterminée périodiquement pendant l'utilisation de la batterie, la décharge étant interrompue (F4) par des moyens de régulation en fonction de ladite fréquence de transition (FHF). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est déterminé à partir de mesures (F1) de la fréquence de transition (FHF) réalisées pendant une phase de calibration. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est réajusté à partir de mesures (F1) de la fréquence de transition (FHF) réalisées pendant une phase de maintenance. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est constitué par la tension aux bornes de la batterie. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est représentatif d'un brusque changement de pente de la fréquence de transition (FHF) en cours de décharge. 14 2907272 15 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est représentatif d'une valeur maximale prédéterminée de la fréquence de transition (FHF). 5 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit critère de fin de décharge (F2, F3) est représentatif d'une valeur maximale prédéterminée (Pmax) de la pente de la fréquence de transition (FHF) 10