Brevet FR2952187A1 — publié le 20110506

PROCEDE DE DETECTION DU DESEQUILIBRE ELECTRIQUE ENTRE LES ELEMENTS D'UNE BATTERIE La présente invention se rapporte au domaine des batteries embarquées à bord de véhicules automobiles utilisant un mode de propulsion électrique. La présente invention s'applique aux véhicules hybrides ou intégralement électriques. L'invention est plus particulièrement adaptée aux batteries composées de plusieurs éléments, modules ou cellules. Un des paramètres très importants d'une batterie destinée à un véhicule automobile est sa durée de vie. On sait que les caractéristiques physiques d'une batterie évoluent au cours du temps. En particulier, son aptitude à accumuler et délivrer des charges électriques diminue irrémédiablement jusqu'à entraîner une baisse notable des performances du véhicule, le rendant finalement inutilisable. Lorsqu'une batterie est constituée de plusieurs éléments, communément appelés « cellules », ce qui est le cas de la quasi-totalité des batteries équipant les véhicules électriques, l'un des paramètres influant sur la performance est le déséquilibre des charges / tensions entre les différents modules ou cellules constituant la batterie. La détection d'un déséquilibre entre cellules/modules d'une batterie permet de procéder à l'équilibrage de cette dernière, d'utiliser efficacement la batterie et d'éviter l'accélération de son vieillissement. En effet, la puissance ou l'énergie que peut délivrer une batterie est fonction de l'état d'équilibre entre ces éléments et des conditions de fonctionnement. Ainsi, pour chaque cellule ou module, sa capacité varie avec la température et l'usage. Quand il existe des différences de capacité entre les cellules/modules d'une même batterie, elle est dite déséquilibrée. Sachant que c'est la cellule la plus faible qui conditionne la capacité totale de la batterie, on comprend donc qu'un fort déséquilibre affecte considérablement les performances d'une batterie. Le meilleur indicateur de la capacité individuelle des cellules ou des modules est la tension individuelle de ces éléments. Actuellement, le déséquilibre d'une batterie n'est pas détecté lors du fonctionnement des véhicules. Les procédures d'équilibrage de batterie, lorsqu'elles sont prévues, sont généralement effectuées lors des recharges complètes de cette dernière. Pourtant, connaître l'état d'équilibre de la batterie d'un véhicule en marche présente un grand intérêt : sa détection permanente ou à intervalles réguliers permettrait en effet d'en informer l'utilisateur et/ou le calculateur véhicule dans le but de mettre en oeuvre des procédures adéquates aux moments opportuns (par exemple lors de recharge, lors d'un arrêt prolongé,...). A cette fin, il est nécessaire de disposer d'un indicateur fiable pour détecter le déséquilibre d'une batterie. On connaît du document FR 2 776 139 un calcul permettant de rétablir l'équilibre d'une batterie composée d'une pluralité de cellules. La méthode de calcul divulguée par ce document consiste simplement, à un instant donné, à comparer la tension moyenne des cellules à la tension réelle de chaque cellule. Ainsi, les inégalités de tension entre les cellules peuvent être éliminées en déchargeant celles ayant une tension supérieure à la tension moyenne. Cette méthode de calcul présente l'inconvénient d'être relativement imprécise si l'on souhaite exploiter l'information sur l'équilibre de la batterie sans systématiquement rééquilibrer la batterie, par exemple pour en informer le conducteur. En effet, en comparant simplement la tension individuelle d'une cellule à la tension moyenne de l'ensemble des cellules, on n'obtient pas d'information sur l'état de déséquilibre général de la batterie. L'objet de l'invention est de proposer une méthode pour détecter l'état de déséquilibre d'une batterie composée de plusieurs modules/cellules qui puisse fournir une estimation fiable et précise de l'état d'équilibre général de la batterie. Ainsi, l'invention concerne un procédé de détection du déséquilibre électrique entre les éléments, ou cellules, d'une batterie, la batterie comprenant une pluralité de cellules rechargeables connectées en série, comprenant les étapes suivantes : - mesure, répétée m fois sur une durée prédéterminée, de la tension individuelle U; de chaque cellule i ; - calcul de la tension moyenne Uimoy individuelle de chaque cellule i, cette tension étant définie par la formule : Umoy = 1 .LU.(J) m ; - calcul d'une tension moyenne Umoy globale à partir des tensions moyennes de l'ensemble des n cellules de la batterie, cette tension moyenne Umoy étant égale à : Umoy =ù L Uimoy E (Ji (/ ) n n.m - calcul d'une dispersion moyenne A de la tension des cellules de la batterie ; - comparaison de la dispersion moyenne A à un seuil de déséquilibre V prédéterminé. Dans une réalisation, la dispersion moyenne A est égale à l'écart maximal des tensions moyennes des cellules, et définie par la formule : A = Max(Umoy ùUmoy) = MaxUmoy ùMinUmoy Dans une réalisation, la dispersion moyenne A est égale à deux fois l'écart type des tensions moyennes de chaque cellule, et définie par la formule suivante : 2 (un,' oy ù Umoy n Dans une réalisation, le seuil de déséquilibre est préalablement cartographié. Dans une réalisation, le seuil de déséquilibre V est préalablement cartographié en fonction de l'état de charge de la batterie et de la tension 20 d'équilibrage de la batterie. Dans une réalisation, lors de la phase de cartographie préalable, le seuil de déséquilibre N' est calculé selon une méthode identique à celle du calcul de la dispersion moyenne A des tensions des cellules. Dans une réalisation, la comparaison des valeurs de la dispersion 25 moyenne A de la tension des cellules et du seuil de déséquilibre N' est obtenue par calcul du rapport égal à A/Y . Dans une réalisation, l'état de la batterie est dit : - équilibré si le rapport A/Y est inférieur à 1 ; - proche du déséquilibre si le rapport A/Y est compris entre 1 et 1+c, c 30 étant un paramètre prédéfini représentant l'écart maximal de déséquilibre autorisé ; - déséquilibré si le rapport A/Y est supérieur à 1+c. Dans une réalisation, l'information sur l'état de déséquilibre de la batterie est transmise au conducteur et/ou au calculateur du véhicule. L'invention concerne également un véhicule à propulsion électrique intégrale ou hybride, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, description faite en référence aux figures annexées, figures parmi lesquelles : - la figure 1 montre un exemple de mesure de la tension individuelle d'une cellule, mesure réalisée conformément à l'invention ; - les figures 2, 3 et 4 montrent un exemple de la cartographie utilisée dans le cadre de l'invention pour déterminer l'état d'équilibre d'une batterie. Pour mettre en oeuvre l'invention, on utilise, de préférence, les phases pendant lesquelles le courant appliqué à la batterie est nul, pour évaluer l'état de déséquilibre entre les modules ou les cellules. Pour chaque cellule, comme montré sur la figure 1, la tension moyenne est calculée sur une période de mesure après un temps de relaxation ou de stabilisation de la mesure. Ce temps de relaxation est variable selon la technologie de batterie utilisée (de plusieurs secondes à plusieurs dizaines de secondes). On notera, pour une cellule i, la moyenne de la tension sur la fenêtre de mesure : Uimoy . Cette tension moyenne est définie par la formule suivante : (Ji" = 1 (Ji" .LUi(/) m Où m représente le nombre d'acquisitions durant la période de mesures et Ui(i) est l'acquisition de tension de la cellule i à l'instant j. A partir des mesures des moyennes des cellules, on calcule une tension moyenne globale : Umoy 1 1 E U moy E Ui (/ ) n n.m Où n est le nombre des cellules et m est le nombre des mesures effectuées dans la fenêtre de temps allouée (période de mesure). 30 Les calculs des moyennes des cellules serviront pour calculer une dispersion moyenne sur l'ensemble des cellules/modules de la batterie : A= Max(Umoy ù Umoy) = MaxUmoy ù Min Umoy A : Écart maximal des moyennes des cellules. Une deuxième définition peut-être donnée à cet écart A . En effet, la dispersion moyenne des tensions de cellules peut-être assimilée à deux fois l'écart type de toutes les acquisitions de tension de cellules : T rz z v m,ùun,,) n Cette grandeur o sera comparée à un seuil de déséquilibre dépendant de l'état de charge de la batterie. On notera Y le seuil de déséquilibre, cartographié préalablement. Cette grandeur N' dépend à priori de deux paramètres : l'état de charge de la batterie et la tension d'équilibrage de la batterie. Trois cas de figure se présentent : 1. Cas 1 : L'équilibrage de la batterie a été effectué à forte charge (état de charge d'équilibrage, ou « SOC(Uéqui) », proche de 100%). Dans ce cas le déséquilibrage entre les cellules/modules de la batterie est normalement plus accentué à faible SOC (cf. Figure 2). 2. Cas 2: l'équilibrage de la batterie a été effectué à faible charge (SOC(Uéqui) faible, par exemple environ 20%). Dans ce cas le déséquilibrage entre les cellules/modules de la batterie est normalement plus accentué à fort SOC (cf. Figure 3). 3. Cas 3: l'équilibrage de la batterie a été effectué à une charge intermédiaire. Dans ce cas le déséquilibrage entre les cellules/modules de la batterie s'accentue aux deux extrêmes de l'état de charge de la batterie (cf. Figure 4). A noter que la frontière entre les zones d'équilibre et de déséquilibre n'est pas forcément franche. Les deux zones peuvent être superposées dans une zone d'alerte permettant la transition entre les deux états de la batterie. Une fois toutes les valeurs définies ci-dessus calculées, le test de détermination du déséquilibre d'une batterie consiste à calculer le rapport suivant, qui permet de déterminer l'état d'équilibre : 1: "Batterie équilibrée" s est l'écart maximal permis de déséquilibre. Cette information sur l'état d'équilibre électrique de la batterie est ensuite transmise d'une part à l'utilisateur, qui pourra ainsi déclencher la procédure adéquate, et d'autre part au calculateur véhicule, qui pourra faire évoluer certains paramètres en fonction du déséquilibre de la batterie afin de préserver sa durée de vie. On notera que la cartographie du seuil de déséquilibre N' doit être effectuée en respectant le même temps de stabilisation ou relaxation retenu pour le calcul deA. Pour cartographier N' il suffit de partir du point d'équilibrage de la batterie avec un écart correspondant au déséquilibre, puis mesurer l'évolution de ce déséquilibre à différents niveaux de SOC. La même méthode de calcul de A sera utilisée pour le calcul de N' . La définition adoptée de A conditionnera la méthode expérimentale pour cartographier le seuil N L'invention permet donc d'obtenir un état précis et fiable de l'état d'équilibre de la batterie. Exploitée par le conducteur ou directement par le calculateur batterie du véhicule, l'invention permet donc de : • Préserver la durée de vie de batterie • Exploiter une phase de vie du véhicule offrant une grande flexibilité en temps • Diminuer le coût à l'usage de la batterie en préservant sa durée de vie En outre, l'invention s'avère très facile à mettre en oeuvre sur les véhicules existants ou non étant donné qu'il suffit d'implémenter dans le calculateur batterie du véhicule un programme mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. La connaissance de l'état d'équilibre de la batterie est une information essentielle pour une utilisation optimale de cette dernière. Cette invention pourra toujours être appliquée à un véhicule électrique ou hybride pour disposer d'un indicateur de déséquilibre de la batterie. Cependant, cette fonction pourra être intégrée dans le calculateur batterie et dans ce cas la fonction peut disparaître du périmètre véhicule. [1;1 + E 1: Alerte "Risque batterie déséquilibrée" 1 + s : "Batterie déséquilibrée" REVENDICATIONS1. Procédé de détection du déséquilibre électrique entre les éléments, ou cellules, d'une batterie, la batterie comprenant une pluralité de cellules rechargeables connectées en série, comprenant les étapes suivantes : - mesure, répétée m fois sur une durée prédéterminée, de la tension individuelle U; de chaque cellule i ; - calcul de la tension moyenne Umoy individuelle de chaque cellule i, cette tension étant définie par la formule Umoy = 1 .LU.(/) m ; - calcul d'une tension moyenne Umoy globale à partir des tensions moyennes de l'ensemble des n cellules de la batterie, cette tension moyenne Umoy étant égale à : Umoy = ù = L U moy Ui (/ ) n nm Z, - calcul d'une dispersion moyenne A de la tension des cellules de la batterie , - comparaison de la dispersion moyenne A à un seuil de déséquilibre V prédéterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la dispersion moyenne A est égale à l'écart maximal des tensions moyennes des cellules, et définie par la formule : A = Max(Umoy û Umoy) = MaxUmoy ûMinUmoy 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la dispersion moyenne A est égale à deux fois l'écart type des tensions moyennes de chaque cellule, et définie par la formule suivante : 2 (un,' oy ù Umoy n 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le seuil de déséquilibre est préalablement cartographié. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le seuil de déséquilibre N' est préalablement cartographié en fonction de l'état de charge de la batterie et de la tension d'équilibrage de la batterie. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel, lors de la phase de cartographie préalable, le seuil de déséquilibre N' est calculé selon une méthode identique à celle du calcul de la dispersion moyenne A des tensions des cellules. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la comparaison des valeurs de la dispersion moyenne A de la tension des cellules et du seuil de déséquilibre N' est obtenue par calcul du rapport égal à 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'état de la batterie est dit : - équilibré si le rapport A/W est inférieur à 1 ; - proche du déséquilibre si le rapport A/W est compris entre 1 et 1+c, c étant un paramètre prédéfini représentant l'écart maximal de déséquilibre autorisé ; - déséquilibré si le rapport A/W est supérieur à 1+c. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'information sur l'état de déséquilibre de la batterie est transmise au conducteur et/ou au calculateur du véhicule. 10. Véhicule à propulsion électrique intégrale ou hybride, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes.