Brevet FR2917840A1 — publié le 20081226

Procédé de détermination de l'état de charge d'une batterie de type plomb-acide liquide . L'invention concerne un procédé de détermination de 5 l'état de charge d'une batterie de type plomb liquide, telle qu'une batterie de véhicule automobile. La connaissance ou l'évaluation de l'état de charge de la batterie permet d'optimiser l'utilisation qui est faite, d'indiquer à un utilisateur du véhicule ou à un 10 opérateur de maintenance que la batterie doit être changée, lorsque son état de charge est trop faible. Cette connaissance est également applicable pour répondre à des besoins de diagnostic de l'état de fonctionnement d'une batterie. 15 On entend ici par état de charge de la batterie, la quantité d'énergie effectivement disponible dans la batterie, même après une perte de capacité de cette batterie. Cet état de charge correspond notamment à l'état de 20 fonctionnement de la batterie qui est le rapport de la quantité d'énergie effectivement disponible dans la batterie sur la capacité nominale de cette batterie, c'est à dire la capacité d'énergie pouvant être stockée dans cette batterie lorsqu'elle est neuve, ce rapport étant 25 généralement exprimé en pourcentage. D'une manière générale, les moyens de stockage d'énergie électrique, tels que les batteries, ont une importance croissante dans les véhicules automobiles. Ils participent notamment au fonctionnement des moyens de 30 motorisation thermique, hybride ou électrique du véhicule. Il est ainsi nécessaire de connaître leur état de charge pour des questions de sécurité puisqu'ils peuvent alimenter en énergie électrique des dispositifs de commande de systèmes de freinages ou bien de direction 35 assistée. Il existe différentes méthodes de détermination de l'état de charge d'une batterie qui appartiennent à trois classes distinctes. La première classe comprend des méthodes dont la mise en oeuvre affecte le fonctionnement de la batterie. Il s'agit par exemple des méthodes nécessitant de décharger complètement la batterie pour déterminer sa capacité. La seconde classe comprend des méthodes qui déterminent la capacité par une séquence de tests longue et/ou complexe. Par exemple, il est connu de déterminer la capacité de charge de la batterie en identifiant des caractéristiques fréquentielles de son impédance interne. Ces secondes méthodes impliquent des processus de traitement de données coûteux en moyens de calcul de sorte qu'il est difficile de les mettre en oeuvre sans un microprocesseur embarqué à forte capacité de calcul. La troisième classe comprend les méthodes simples consistant par exemple à se baser sur la variation de la tension à vide de la batterie au repos. Cette dernière méthode est la plus courante, mais au cours de l'utilisation de la batterie son état évolue, de sorte que la tension à vide mesurée ne reflète plus l'état de charge effectif de manière fiable. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un procédé de détermination de l'état de charge de la batterie qui soit fiable et précis tout en étant simple à mettre en oeuvre. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination de l'état de charge d'une batterie de type plomb-acide liquide, dans lequel on mesure la tension à vide de la batterie, dans lequel on évalue le volume d'eau qui a été perdu par électrolyse durant la vie de la batterie, et dans lequel l'état de charge est déterminé avec une relation ou d'une table de données donnant l'état de charge en fonction de la tension à vide (E) et du volume d'eau qui a été perdu. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel le volume d'eau perdu par électrolyse est évalué à partir de la masse de la batterie lorsqu'elle a été mise en service et de la masse de la batterie lors de la détermination de son état de charge. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la masse de la batterie lors de la détermination de son état de charge est évaluée en utilisant un capteur du poids de la batterie. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel l'évaluation du volume d'eau qui a été électrolysé est effectuée en comptabilisant les quantités d'énergie électrique injectée dans la batterie et prélevée à la batterie depuis sa mise en service, et en multipliant la différence de ces quantités par un coefficient prédéterminé. L'invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel on utilise une table de données représentative de plusieurs courbes liant chacune l'état de charge à la tension à vide pour une valeur de volume d'eau perdu donnée. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence aux figures annexées. La figure 1 est un graphe comprenant une courbe représentative de la tension à vide d'une batterie de type plomb-acide liquide en fonction de la densité de son électrolyte ; La figure 2 est un graphe comprenant deux courbes donnant chacune la tension à vide de la batterie en fonction de son état de charge respectivement pour une batterie neuve et pour une batterie usagée. L'idée à la base de l'invention est de déterminer l'état de charge de la batterie en prenant en compte l'impact sur la valeur de la tension à vide de cette batterie, de la perte d'eau au cours du vieillissement de la batterie. Cette perte de l'eau qui est présente dans l'électrolyte est due à l'électrolyse de l'eau qui a lieu durant la charge, et elle se traduit notamment par une modification de la densité de l'électrolyte. Il apparaît que tant l'état de charge effectif de la batterie que sa tension à vide varient de façon quasi-linéaire avec la densité de l'électrolyte, la tension à vide étant fortement conditionnée par cette densité. Comme le montre la courbe Cl de la figure 1, la tension à vide, notée E(V), est d'autant plus élevée que la densité de l'électrolyte est importante. Cette densité notée d est le poids volumique de l'électrolyte à l'instant considéré, elle vaut environ 1,3 kg/L pour une batterie 12V neuve chargée. De manière analogue, la courbe C2 de la figure 2 qui donne la tension à vide E(V) en fonction de l'état de charge, noté SOF, pour une batterie neuve, diffère de la courbe C3 qui donne la même relation pour une batterie usagée, c'est-à-dire ayant une densité d'électrolyte différente. Comme le montre la courbe de la figure 2, pour une tension à vide de 12,5 volt, l'état de charge estimé vaut soit 60% soit 80% selon que l'on prend comme référence la courbe C2 ou la courbe C3. Il s'avère qu'au cours de la vie de la batterie, une partie de l'énergie utilisée pour recharger cette batterie est en fait consommée par la réaction d'électrolyse de l'eau, ce qui entraîne une diminution de la quantité d'eau dans l'électrolyte, et donc une augmentation de la densité d de l'électrolyte. Pour un même état de charge de la batterie, avec deux valeurs de densité différentes, c'est à dire par exemple avec une batterie neuve et une batterie usagée, la tension à vide E(V) est différente. Une amélioration de la précision de l'évaluation de l'état de charge peut donc être obtenue en déterminant le volume d'eau perdue par électrolyse pour ré-estimer la densité de l'électrolyte et prendre en compte cette densité dans l'évaluation. Ceci peut être effectué soit par mesure de la variation de masse de la batterie, puisque la densité de l'eau électrolysée vaut un, de sorte que le volume d'eau perdue correspond directement à la masse d'eau perdue. Mais le volume d'eau électrolysée peut aussi être estimé à partir d'une mesure de la différence entre l'énergie électrique chargée et déchargée durant l'ensemble de la vie de la batterie, exprimée en Ampère-heure. L'électrolyse est un processus électrochimique irréversible mettant en jeu deux électrons par mole de H2O. Le volume Ve1ec d'eau perdue, exprimé en millilitres, est obtenu par la relation ci-dessous, dans laquelle ZAhchargé et ZAhdéchargé désignent respectivement la somme de l'énergie chargée et déchargée par la batterie pendant l'ensemble de sa durée de vie, c'est-à-dire depuis sa mise en service . ~7~ ~~77~ll 3600 Velec (ml) = (E tillchargé ù tidéchargé) x x 18 (2 x 96500) D'une manière générale, l'état de charge d'une batterie dépend d'un ensemble de variables et de paramètres détaillés ci-après, incluant en particulier la concentration en acide, la tension à vide et la capacité nominale de la batterie, qui est la capacité de la batterie neuve chargée. La concentration en acide, notée [H2SO4] peut quant à elle être exprimée en fonction de la molalité de l'acide sulfurique, notée m, qui est la quantité de moles d'acide par kilogramme d'électrolyte, selon la relation suivante qui est valable lorsque la molalité m est comprise entre 0 et 16 : [H2SO4 ]t = 0,0029318 + 0,99559 m - 0,036403 m2 + 0,00067914 m3 (1) La tension à vide E(V), à 25 C, pour une batterie de 12V, est liée à la molalité m par la relation suivante : E(V) = 6 x 103 (1922,8 + 147,519 (log m)+ 63,552 (log m)2 + 73,772 (log m)3 + 33,612 (log m)4 ) 2 ) La capacité disponible dans l'électrolyte d'une batterie neuve, notée QEi est donnée par la relation suivante, dans laquelle Vi, Pi et di désignent respectivement le volume d'électrolyte initial, le pourcentage massique de l'électrolyte initial, et la densité de l'électrolyte initial, à savoir lorsque la batterie est neuve : QEi =26,8x[H2SO41 xJ =26,80x (lOxP xd'.) xV (3) i 98,08 La relation entre la densité di et le pourcentage massique Pi est donnée par exemple par des tables faisant partie de données du constructeur de la batterie. Il est à noter que les relations ci-dessus correspondent à une température de 25 C, mais qu'elles peuvent aussi être établies pour d'autres températures. Comme indiqué plus haut, le volume d'eau électrolysée Veiec peut être déterminé soit à partir de la différence entre de l'énergie électrique chargée et déchargée dans la batterie, soit à partir du poids de la batterie à l'instant considéré, ce qui est résumé dans les relations ci-dessous . V. (L) =1000 x Ahen ) 3600 p elec argé ù Ahdéchargé X X 1 0 (2 x 96500) Velee (L) AM(kg) i Le volume effectif d'électrolyte à un instant 30 considéré, noté Vt, est Vt = Vi ùVelee , et la capacité (4) (5) disponible, notée QEt, dans l'électrolyte d'une batterie usagée vaut : Q Et = 26,8x[H2SO4]t xVt . Après une décharge partielle de la batterie, on a QEt =(~ ` Cet état de charge correspond ainsi à un taux de charge de la batterie, à un instant donné, exprimé par rapport à la capacité nominale. SOF= 1 (Q nom ù Q dch ) 1 (Q nom ù QEi ùQ ) E t Q nom Q nom SOF = 1 (Qnom ùQEi -26,8x[H2SO4]t xVt) Q nom SOF= 1 Q nom ùQEi -26,8x[HZSO4]t x\vi - vélec // (Q nom (6) Ainsi, l'état de charge SOF peut être déterminé en 25 tenant compte de la perte d'eau par électrolyse, à partir de cette dernière relation. Dans ce cas, la capacité nominale Qnom utilisée est une donnée constructeur, la capacité disponible dans l'électrolyte initial QEi est déterminée à partir des 30 valeurs di et Vi qui sont également des données constructeur, en utilisant la relation (3). La molalité m est calculée avec la relation (2), en utilisant une mesure de la tension à vide E(V) pour déterminer la concentration [H2SO4]t en fonction de la molalité m en utilisant la relation (1). Le volume d'eau perdu par électrolyse est quant à lui déterminé soit à partir du bilan de l'énergie chargée et déchargée par la batterie durant sa vie, avec la relation (4), soit en déterminant la perte de masse de la batterie, comme indiqué en (5). Comme on le comprend, cette dernière équation (6) permet de connaître l'état de charge de la batterie, à partir uniquement de données initiales constantes Qnom, , QEi , d'une évaluation du volume d'eau Veiec perdu par électrolyse, et d'une mesure de la tension à vide E(V). Il est également possible de déterminer l'état de charge SOF graphiquement, ou à partir d'une table de données. Ceci revient à choisir préalablement plusieurs valeurs de volume d'eau Velecr à tracer ou mémoriser un abaque ou une courbe liant la tension à vide E(V) à l'état de charge SOF pour chaque volume d'eau Veiec• Il suffit alors d'évaluer le volume d'eau perdue Velecr de mesurer la tension à vide E (V) , et d'en déduire le SOF, comme illustré sur la figure 2, c'est-à-dire en se référant à la courbe correspondant au volume Veiec• L'invention permet donc de déterminer l'état de charge de la batterie, en prenant en compte la perte d'eau due à l'électrolyse de l'eau se produisant durant la charge de la batterie à partir des données d'entrée et d'une mesure de la tension à vide. Ces données d'entrée qui sont des constantes sont la capacité nominale de la batterie, la densité massique initiale de l'électrolyte, le volume de l'électrolyte. Ainsi, pour une batterie dont la capacité nominale est 60 Ah, pour laquelle la densité d'électrolyte initial di est 1,28 avec un volume initial d'électrolyte de 0,57 L, la capacité maximale de l'électrolyte QEi, à l'état intitial, c'est à dire lorsque la batterie est neuve, déterminé à partir de la relation (3) est 75,4 Ah. Dans le cas d'une batterie usagée dont le cumul de l'énergie chargée et déchargée valent respectivement 4129Ah et 3859Ah, et pour laquelle le volume d'eau électrolysée Vé1ec déterminé avec la relation (4) vaut 0,0906 L, le volume d'électrolyte restant Vt est 0,57-0,0906, soit 0,4794 L. Ainsi, l'invention peut être utilisée dans les systèmes disposant d'un capteur de courant et utilisant une mesure de la tension à vide de la batterie pour recaler la valeur du SOC (solution la plus courante). Il est envisageable de mesurer la perte d'eau grâce à un capteur de masse placé sous la batterie, ce qui permet de s'affranchir du capteur de courant. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de l'état de charge (SOF) d'une batterie de type plomb-acide liquide, dans lequel on mesure la tension à vide (E(V)) de la batterie, dans lequel on évalue le volume d'eau (Ve1ec) qui a été perdu par électrolyse durant la vie de la batterie, et dans lequel l'état de charge (SOF) est déterminé avec une relation ou d'une table de données donnant l'état de charge (SOF) en fonction de la tension à vide (E(V)) et du volume d'eau (Ve1ec) qui a été perdu. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le volume d'eau (Ve1ec) perdu par électrolyse est évalué à partir de la masse de la batterie lorsqu'elle a été mise en service et de la masse de la batterie lors de la détermination de son état de charge (SOF). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la masse de la batterie lors de la détermination de son état de charge (SOF) est évaluée en utilisant un capteur du poids de la batterie. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'évaluation du volume d'eau (Ve1ec) qui a été électrolysé est effectuée en comptabilisant les quantités d'énergie électrique injectée (ZAhchargé) dans la batterie et prélevée (ZAhdéchargé) à la batterie depuis sa mise en service, et en multipliant la différence de ces quantités par un coefficient prédéterminé. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on utilise une table de données représentative de plusieurs courbes liant chacune l'état de charge (SOF) à la tension à vide (E(V)) pour une valeur de volume d'eau perdu (Ve1ec) donnée.