Brevet FR2938658A1 — publié le 20100521

Procédé pour déterminer l'état de santé d'une source électrochimique pour la traction électrique de véhicules La présente invention se rapporte à un procédé pour évaluer une durée de vie restante d'une source électrochimique d'énergie, ladite source étant destinée par exemple à la traction électrique. Cette invention concerne notamment le domaine de l'automobile. La présente invention concerne plus précisément le domaine des véhicules comportant un moyen de traction électrique. Il peut s'agir de véhicules électriques ou encore de véhicules hybrides, c'est-à-dire de véhicules faisant appel à plusieurs sources d'énergie distinctes pour se déplacer. La présente invention peut concerner tous les types de stockage électrochimique d'énergie. La source d'énergie peut notamment être une batterie d'accumulateurs, par exemple de type Lithium-ion, Ni-MH ou Ni-Zn. La source peut également être un supercondensateur, notamment un supercondensateur à double couche électrochimique. Le contexte énergétique actuel a favorisé l'essor industriel des véhicules électriques et hybrides. La source électrochimique d'énergie, comme la batterie ou le supercondensateur, représente un élément coûteux de ce type de véhicule. L'un des défis technologiques actuels est de fournir une source électrochimique d'énergie ayant une durée de vie proche de celle d'un véhicule, soit entre dix et quinze ans environ. Or, la source électrochimique est soumise à un phénomène de vieillissement. Le vieillissement d'une source électrochimique d'énergie se traduit notamment par une perte de capacité par rapport à une valeur initiale. La quantité d'énergie que l'on peut stocker dans la batterie est de moins en moins importante. Le vieillissement se traduit également par une augmentation de la résistance interne, qui correspond à une perte de puissance disponible. Des procédés connus d'estimation du vieillissement portent sur l'évolution de la perte de capacité ou de l'augmentation de la résistance interne. La demande de brevet FR 2 826 457 au nom de la Demanderesse décrit notamment un système d'évaluation de la durée de vie d'une batterie, basé sur une mesure de la résistance interne de la batterie en fonctionnement. Cependant, un tel système est techniquement difficile à appliquer à certains dispositifs, notamment à ceux comportant une batterie couplée à un supercondensateur. Le vieillissement subi par une source électrochimique d'énergie est de deux types. D'une part, le vieillissement lié à son utilisation ; d'autre part, le vieillissement calendaire, qui correspond aux périodes hors utilisation. Le vieillissement calendaire est un élément important, la plupart des véhicules passant près de 95% de leur durée de vie en mode parking. Les deux paramètres principaux du vieillissement calendaire des sources électrochimiques d'énergie sont la température et l'état de charge. Plus la température de stockage ou d'utilisation est basse, plus longue est la durée de vie de la source. Plus l'état de charge auquel est stockée la batterie est faible, plus longue est la durée de vie de la batterie. Le terme d' � état de charge � concerne plus précisément les batteries. Dans le cas de supercondensateurs, on parlera de � tension de travail �. Plus la tension de travail du supercondensateur est faible, plus longue est sa durée de vie. En outre, il est possible de faire une analogie entre le vieillissement en cyclage, c'est-à-dire en utilisation, et le vieillissement calendaire, c'est-à-dire hors utilisation. En effet, on peut considérer que la contribution principale du vieillissement en cyclage provient de l'élévation de la température de la source électrochimique, produite par le courant qui traverse ladite source. La présente invention a donc pour objet un procédé d'estimation du vieillissement global d'une source électrochimique d'énergie, en assimilant le vieillissement en cyclage à du vieillissement calendaire. Cette estimation s'effectue à partir de paramètres comme l'état de charge ou la tension de travail, et la température. Ce procédé peut être basé sur des données correspondant au vieillissement calendaire d'une telle source dans différentes conditions d'état de charge ou de tension de travail, et de température. Ces données peuvent être obtenues par des essais préliminaires sur une telle source, stockée en mode parking dans différentes conditions de température et d'état de charge ou de tension de travail. Un tel procédé est notamment facile à appliquer aux batteries couplées à des supercondensateurs, contrairement à certaines méthodes citées précédemment. Ce procédé d'estimation peut permettre d'évaluer la durée de vie restante de ladite source électrochimique d'énergie, par exemple lorsque le véhicule se trouve sur le marché de l'occasion. Ce procédé permettrait en outre de recaler l'état de charge d'une batterie en fonction de sa capacité réelle, qui diminue par rapport à sa capacité initiale au cours de la durée de vie du véhicule. Un estimateur d'état de charge précis est en effet nécessaire pour la mise en place d'un système de contrôle/commande batterie et chaîne de traction efficace afin d'optimiser le fonctionnement de la batterie et préserver sa durée de vie restante. La présente invention se rapporte donc à un procédé d'évaluation d'une durée de vie restante d'une source électrochimique d'énergie pour la traction électrique, comportant les étapes suivantes : - mesure d'une température de la source électrochimique à un instant t;, - mesure ou détermination d'un état de charge ou d'une tension de travail de la source électrochimique au même instant t;, - détermination d'une durée de vie calendaire de la source électrochimique, estimée dans les conditions mesurées, - calcul d'un état de santé de la source électrochimique à un instant t;, en fonction de la durée de vie calendaire estimée dans les conditions mesurées. La présente invention se rapporte également à un procédé comportant en outre une étape de calcul d'une estimation de la durée de vie restante, à l'instant t;, de ladite source électrochimique d'énergie, en fonction de l'état de santé de ladite source et d'une durée de vie de référence, estimée dans des conditions de référence. L'état de santé est une valeur permettant également d'estimer la capacité réelle de la source à l'instant t;. La présente invention se rapporte également à un dispositif de gestion d'une source électrochimique d'énergie pour la traction électrique, comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit ci-dessus. La présente invention se rapporte enfin à un véhicule équipé d'un tel dispositif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ceux-ci sont donnés à titre 5 indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1: une représentation schématique d'un dispositif comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé selon une forme de l'invention - Figure 2 : variations d'un coefficient d'endommagement d'une 10 batterie en fonction de la température, pour différents états de charge. La figure 1 représente un dispositif comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé selon une forme de l'invention. Le dispositif 1 comporte 15 notamment un système 2 de gestion de batterie, ou BMS (Battery Management System). Le BMS 2 est relié à une batterie 3. Par l'intermédiaire d'une interface 12, le BMS 2 est notamment relié à des moyens 4 de mesure de la température de la batterie 3, à des moyens 5 de mesure de courant transitant dans la batterie 3 et à des moyens 6 de mesure 20 d'une tension aux bornes de la batterie 3. La température mesurée par les moyens 4, l'intensité mesurée par les moyens 5 et la tension mesurée par les moyens 6 permettent notamment à un module 7 du BMS de calculer un état de charge de la batterie 3. De tels moyens 4, 5 et 6 de mesure sont présents dans des systèmes 25 connus de l'état de la technique. De même, des systèmes équivalents connus, comprenant un supercondensateur, sont équipés de moyens pour mesurer une tension de travail. A un instant t;, le BMS 2 mémorise un couple de valeurs (SOC;, T;), représentant respectivement l'état de charge (State Of Charge) et la 30 température de la batterie 3 à l'instant t;. Dans un dispositif selon l'invention comprenant un supercondensateur, la valeur SOC; représente une tension de travail dudit supercondensateur. Le BMS 2 comprend un module 8, relié à une mémoire 9 de données. La mémoire 9 de données mémorise des valeurs Xi de durée de vie 35 calendaire de batteries similaires à la batterie 3, dans différentes conditions (SOC;, Ti) d'état de charge et de température. Ces valeurs sont notamment obtenues par mesures lors d'essais sur banc de batteries similaires à la batterie 3. A partir de ces valeurs Xi et du couple (SOC;, Ti), le module 8 peut estimer une durée de vie calendaire X;, correspondant au couple (SOC;, T;). Cette estimation X; peut s'effectuer par interpolation, à partir des valeurs Xi mémorisées dans la mémoire 9. A partir de l'estimation X;, le module 8 peut calculer un état de santé SOH(t;) (State Of Health) de la batterie 3 à l'instant t;. Cet état de santé peut s'exprimer en pourcentages, en considérant qu'à un instant initial to, où la batterie 3 est considérée comme neuve, l'état de santé SOH(to) est égal à 100%. Dans ce cas, plus la batterie 3 vieillit, plus SOH(t) est faible. Cette valeur SOH(t;) permet de calculer une estimation X(t;) de la durée de vie restante de la batterie 3 à l'instant t;. Par l'intermédiaire d'une interface 13, les valeurs SOH(t;) et/ou X(t;) peuvent être communiquées par le BMS 2 à un superviseur 10 de la batterie 3. A tout moment, l'une ou l'autre de ces valeurs peut être accessible à un utilisateur par l'intermédiaire d'une prise diagnostic 11. Le calcul de l'état de santé SOH(t;) s'effectue en tenant compte de l'estimation X; de la durée de vie calendaire de la batterie 3, dans les conditions (SOC;, Ti) mesurées à l'instant t;. Préférentiellement, le calcul de l'état de santé s'effectue par itérations. SOH(t;) s'obtient en tenant compte d'une valeur SOH(t;_1), t;_1 correspondant à un instant précédent de mesure de la température et de l'état de charge de la batterie 3. Selon une forme préférentielle de l'invention, l'état de santé SOH(t;) se calcule par la formule (I) suivante : (I) : SOH(t;) = SOH(t;_1) ù (At/X;)*A telle que r i = t; ù t;_1 et A est choisi parmi les valeurs 1 et 100. Par exemple, lorsque SOH(t;_,) et SOH(t;) sont exprimés en 30 pourcentages, on choisit A = 100. Lorsque SOH(t;_,) et SOH(t;) sont exprimés en valeur absolue, on choisit A = 1. Si l'état de santé SOH(t;) est calculé selon la formule (I), une estimation X(t;) de la durée de vie restante de la batterie 3 à l'instant t; peut s'obtenir en fonction d'une durée de vie calendaire Xref de référence, dans des conditions 35 (SOCref, Tref) de référence. Les valeurs (SOCref, Tref, Xref) sont également stockées dans la mémoire 9. On peut notamment calculer X(tf) par la formule (II) suivante : (II) : X(ti) = Xref*SOH(ti)/A telle que A a la valeur choisie à la formule (I). Selon une variante de l'invention, le procédé comprend une étape de détermination d'un coefficient d'endommagement 4. Ce coefficient d'endommagement est notamment obtenu par une comparaison entre la durée de vie calendaire X; de la batterie 3, estimée dans les conditions (SOC;, Ti) mesurées à t;, et la durée de vie calendaire Xref de référence, dans les conditions (SOCref, Tref) de référence. Par exemple, on peut considérer que J; est égal à Xref/Xi. Le calcul de l'état de santé SOH(t;) s'effectue alors par la formule (l') suivante : (l') : SOH(ti) = SOH(t1) - ai*(At/Xref)*A telle que $ = t; ù t;_, et A est choisi parmi les valeurs 1 et 100. Comme décrit précédemment, le choix de la valeur de A dépend du choix d'exprimer SOH(t,) et SOH(t;_1) en pourcentages ou en valeur absolue. Une estimation X(t;) de la durée de vie restante de la batterie 3 à l'instant t; peut alors être obtenue en fonction de Xref et de SOH(t;), selon la formule (Il) ci-dessus. Selon une forme de l'invention, le BMS 2 mémorise les couples de valeurs (SOC;, Ti) à une fréquence d'acquisition f1, de période ra. La période r peut être constante. Elle peut également être variable selon le mode de fonctionnement de la batterie 3. On peut par exemple prévoir un r de l'ordre de la minute lorsque le véhicule est en mode roulage et un t de l'ordre de l'heure lorsque le véhicule est en mode parking. On peut également prévoir un ra qui croît progressivement entre la mise en mode parking du véhicule et le retour de la batterie à une température ambiante. Ainsi, la variation de température lors du refroidissement de la batterie est prise en compte pour évaluer l'état de santé de ladite batterie. II est possible de calculer un état de santé SOH(t;) pour chaque mémorisation d'un couple (SOC;, Ti) à un instant t;. D'autres modes de calcul sont également possibles. Par exemple, on peut considérer que le BMS 2 mémorise les couples de valeurs (SOCk, Tk) à une fréquence d'acquisition f1, de période Comme décrit précédemment, le choix de la valeur de A dépend du choix d'exprimer SOH(ti) et SOH(ti_t) en pourcentages ou en valeur absolue. Une estimation X(ti) de la durée de vie restante de la batterie 3 à l'instant ti peut s'obtenir en fonction de SOH(ti), par la formule (II) indiquée précédemment. Préférentiellement, après le calcul de SOH(ti) pour une tranche temporelle Gt = ti - t;_,, les valeurs (SOCS, Ti) mesurées pendant a sont supprimées d'une mémoire du BMS 2 afin de ne pas surcharger inutilement ladite mémoire. Un dispositif selon l'invention peut comporter plusieurs sources 3 électrochimiques d'énergie. Préférentiellement, chaque source 3 est munie de moyens (4, 5, 6) de mesure de la température et de détermination de l'état de charge ou de la tension de travail. Selon une forme de l'invention, un état de santé SOH peut être calculé pour chacune des sources 3 par le BMS 2. Selon une autre forme de l'invention, un seul état de santé SOH est calculé pour l'ensemble des sources 3. Cet état de santé est par exemple calculé en fonction d'un état de charge moyen et d'une température moyenne de l'ensemble des sources 3. Au lieu d'une température moyenne, on peut également considérer la valeur maximale des températures mesurées dans chaque source 3. De même, on peut considérer l'état de charge maximal ou la tension de travail maximale dans l'ensemble des sources 3. La figure 2 représente les variations des coefficients d'endommagement .J d'une batterie 3 en fonction de la température T, pour différents états de charge SOC. Ces coefficients ont été calculés à partir de valeurs d'une durée de vie calendaire d'un certain type de batterie 3, en fonction des variables (SOC, T). Ces durées de vie calendaire ont été estimées par des mesures, lors d'essais sur banc de batteries similaires à la batterie 3. Elles sont répertoriées dans le tableau 1. Les coefficients correspondants sont répertoriés dans le tableau 2. Avant d'effectuer les mesures de durée de vie calendaire d'une source électrochimique d'énergie, il convient de se fixer un critère de fin de vie. On peut notamment considérer que la fin de vie d'une source électrochimique d'énergie correspond à une perte de capacité d'un pourcentage défini, par rapport à une capacité initiale. Par exemple, une perte de capacité de 30% peut être admise comme critère de fin de vie. On peut également considérer que la fin de vie d'une source électrochimique d'énergie correspond à une augmentation de résistance interne d'un pourcentage défini, par rapport à une résistance interne initiale. On peut par exemple prendre en compte une augmentation de résistance interne qui correspond à une perte de 30% de la puissance disponible. La valeur de cette augmentation varie selon la technologie de la source électrochimique d'énergie. L'état de santé SOH d'une source électrochimique d'énergie peut donc être déterminé selon un critère de capacité ou selon un critère de résistance interne. Selon une forme de l'invention, l'un de ces deux critères est choisi pour déterminer l'état de santé. Selon une autre forme de l'invention, au moins deux critères de fin de 35 vie sont considérés. Par exemple, deux états de santé SOHcapacité et SOHrésistance sont déterminés. Dans ce cas, il est possible de rendre ces deux valeurs accessibles par l'intermédiaire de la prise diagnostic 11. II est également possible de déterminer un état de santé global, par exemple la valeur minimale ou maximale du couple (SOHcapacité, SOHrésistance) ou encore une moyenne de ces deux valeurs. Préférentiellement, pour une application sur un véhicule électrique, l'état de santé est déterminé au moins en fonction de la perte de capacité. En effet, l'un des facteurs les plus importants est l'autonomie du véhicule, donc la quantité d'énergie stockable dans la source électrochimique. Préférentiellement, pour une application sur un véhicule hybride, l'état de santé est déterminé au moins en fonction de l'augmentation de la résistance interne. En effet, l'un des facteurs les plus importants est la puissance disponible dans la source électrochimique d'énergie. Il existe également des véhicules dits hybrides branchés ou VH-plug-in. Ce sont des véhicules hybrides pouvant se recharger sur le réseau électrique. Pour ce type de véhicules, on recherche à la fois de l'autonomie et de la puissance disponible. II est donc intéressant de déterminer un état de santé tenant compte à la fois de la perte de capacité et de l'augmentation de la résistance interne. Le tableau 1 présente des valeurs de durée de vie calendaire d'un type connu de batterie 3. Ces valeurs ont été estimées par des mesures effectuées lors d'un essai sur banc. Selon cette forme de l'invention, les durées de vie calendaires ont été évaluées en considérant que le critère de fin de vie est une perte de capacité de 30% par rapport à la valeur initiale. Le couple de valeurs (SOCref, Tref) de référence a été choisi tel que SOCref = 50% et Tref = 25 °C. La durée de vie calendaire Xref de référence, estimée à partir des valeurs (SOCrer, Tref), est de 19,5 ans. Une série d'essais réalisés sous différentes conditions (SOCS, Ti) a conduit aux autres valeurs Xi répertoriées dans le tableau 1. Pour chaque couple (SOC;, Ti), on peut alors calculer un coefficient d'endommagement .-l; = Xfef/X;. Ces valeurs sont répertoriées dans le tableau 2. Un coefficient .-J peut être supérieur à 1, lorsque les conditions (SOCS, Ti) correspondantes sont plus endommageantes que les conditions (SOCref, 35 Tref) de référence. Inversement, un coefficient .J; peut être inférieur à 1, lorsque les conditions (SOC;, Ti) correspondantes sont moins endommageantes que les conditions (SOCref, Tref) de référence. En général, plus l'état de charge est faible, plus le coefficient 5 d'endommagement est faible. De même, plus la température est basse, plus le coefficient d'endommagement est faible. Le tableau 2 permet d'obtenir les courbes représentées à la figure 2. Lesdites courbes constituent une interpolation de coefficients d'endommagement en fonction de la température, pour un état de charge 10 donné. De telles courbes peuvent être mémorisées dans la mémoire 9 du dispositif représenté à la figure 1. Le module 8 du BMS 2 peut utiliser ces courbes pour calculer un coefficient d'endommagement .1; correspondant à des valeurs (SOC;, Ti) mesurées sur la batterie 3. D'autres modes de calcul des coefficients d'endommagement .J; 15 peuvent être utilisés par le module 8. Par exemple, soient deux couples de valeurs ((SOC;, Ti), (SOCk, Tk)), tels que SOC; = SOCk, et dont les coefficients d'endommagement .J; et .~k ont été évalués lors d'essais sur banc. Ces valeurs sont mémorisées dans la mémoire 9 de données. Pour calculer le coefficient d'endommagement .4; d'un couple (SOC;, Ti) mesuré 20 sur la batterie 3, tel que SOC; = SOC;, et Ti s Ti Tk, le module 8 peut par exemple prendre la valeur la plus élevée du couple (.J;, .Jk). II peut également prendre la valeur la moins élevée dudit couple, ou en calculer une moyenne pondérée. Le même raisonnement est applicable à la variable état de charge. 25 Afin de disposer de courbes d'interpolation fiables, il est préférable d'effectuer un nombre suffisant de mesures lors d'essais sur banc, dans les gammes de température et d'état de charge / tension de travail, susceptibles de correspondre aux conditions de la batterie ou du supercondensateur. II est par exemple avantageux d'estimer des durées de vie et/ou des 30 coefficients d'endommagement pour des états de charges répartis sur une plage [0, 100%] à des intervalles de 10% maximum, ainsi que pour des températures réparties sur une plage [10 °C, 60 °C] à des intervalles de 10 °C maximum. Le calcul du coefficient ..; permet au module 8 de calculer un état de 35 santé SOH(t;) et/ou une estimation X(t;) de la durée de vie restante de la source 3 électrochimique d'énergie, par exemple d'après les formules (I) et (II) détaillées ci-dessus. Ces valeurs peuvent être transmises par le BMS 2 au superviseur 10 et rendues accessibles à un utilisateur par la prise diagnostic 11.5 REVENDICATIONS1.- Procédé d'évaluation de la durée de vie restante d'une source (3) électrochimique d'énergie pour la traction électrique, comportant les étapes suivantes : - mesure d'une température (Ti) de la source électrochimique à un instant (t;), - mesure ou détermination d'un état de charge ou d'une tension de travail (SOC;) de la source électrochimique au même instant (t;), - détermination d'une durée de vie (Xi) hors utilisation de la source électrochimique, estimée dans les conditions (SOC;, Ti), - calcul d'un état de santé (SOH(t;)) de la source électrochimique à un instant (t;), en fonction de la durée de vie (X;) hors utilisation de la source électrochimique, estimée dans les conditions (SOC;, Ti). 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'état de santé (SOH(t;)) est calculé selon la formule (I) suivante : (I) : SOH(t;) = SOH(t;_1) û (At/X;)*A telle que t = t; û t;_1 et A est choisi parmi les valeurs 1 et 100. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de détermination d'un coefficient d'endommagement .4; = Xref/Xi, Xref étant une durée de vie hors utilisation de référence de la source électrochimique estimée dans des conditions (SOCref, Tref) de référence, l'état de santé (SOH(t;)) étant calculé selon la formule (l') suivante : (I') : SOH(t;) = SOH(t;_1) û a;*(At/Xref)*A telle que st = t; û t;_1 et A est choisi parmi les valeurs 1 et 100. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce en ce qu'il comporte en outre une étape de détermination d'un coefficient d'endommagement .4; = Xref/Xi, Xref étant une durée de vie hors utilisation de référence de la source électrochimique estimée dans des conditions (SOCref, Tref) de référence, l'état de santé (SOH(t;)) étant calculé selon la formule (I") suivante : (1") : SOH(ti) = SOH(ti_I) û oao't *(A'tIXref)*Atelle que A est choisi parmi les valeurs 1 et 100 et .J est une moyenne pondérée de coefficients d'endommagements (.00 déterminés en fonction de couples de valeurs (SOCi, Ti) mesurés au cours d'une période Gt = t; û t;_1 5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de calcul d'une estimation X(t;) de la durée de vie restante de la source (3) à l'instant t;, en fonction de l'état de santé SOH(t;) et d'une durée de vie (Xref) hors utilisation de référence de la source électrochimique, estimée dans des conditions (SOCref, Tref) de référence. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le calcul de l'estimation X(t;) de la durée de vie restante de la source (3) à l'instant t; est effectué selon la formule (II) suivante : (II) : X(t;) = Xfef *SOH(t;)/A telle que A a la valeur choisie pour le calcul de SOH(t;). 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un critère de fin de vie de la source (3) électrochimique, pour estimer les durées de vie (Xi, Xfef) hors utilisation, est choisi parmi une perte de capacité d'un pourcentage défini par rapport à une capacité initiale, et une augmentation de résistance interne d'un pourcentage défini par rapport à une résistance interne initiale. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il prend en compte 25 au moins deux critères de fin de vie, comprenant une perte de capacité et une augmentation de résistance interne. 9.- Dispositif de gestion d'une source électrochimique d'énergie pour la traction électrique, comportant des moyens de mise en oeuvre d'un procédé 30 selon l'une des revendications précédentes. 10 - Véhicule équipé d'un dispositif selon la revendication 9.