Brevet FR2968769A1 — publié le 20120615

PROCEDE DE DETERMINATION DE L'ETAT DE SANTE D'UNE BATTERIE POUR L'ALIMENTATION D'UN VEHICULE ELECTRIQUE [0001 L'invention se situe dans le domaine des véhicules électriques et des véhicules hybrides. Elle concerne un procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie pour l'alimentation d'une chaîne de traction d'un tel véhicule. [0002] Les véhicules automobiles dont la motorisation fait appel entièrement ou en partie à l'énergie électrique nécessitent l'utilisation d'une batterie de stockage d'énergie électrique. Ces véhicules concernent essentiellement les véhicules électriques et les véhicules hybrides comportant un ou plusieurs moteurs électriques. De la même manière que pour les véhicules comportant un moteur à combustion interne, un véhicule à motorisation électrique doit permettre à son conducteur de connaître l'autonomie restante, c'est-à-dire l'énergie résiduelle de la batterie. Cette énergie résiduelle est désignée sous le terme "état de charge" ou, selon l'expression anglo-saxonne, "State of Charge" (SOC). L'état de charge est généralement exprimé en pourcentage. Il correspond par exemple au rapport de l'énergie résiduelle de la batterie par rapport à l'énergie pouvant potentiellement être stockée. Il résulte par exemple d'une mesure de la tension aux bornes de la batterie en circuit ouvert et d'une mesure de sa température. Par ailleurs, au cours des différents cycles de charge et de décharge de la batterie, ses performances se dégradent. Le vieillissement de la batterie se traduit par une perte de sa capacité de stockage et une diminution de la puissance maximale qu'elle peut fournir. Afin de quantifier la capacité de stockage d'une batterie, on définit un indicateur appelé "état de santé" ou, selon l'expression anglo-saxonne "State OF Health". L'état de santé d'une batterie est généralement exprimé par un pourcentage. Il est représentatif de la capacité de stockage de la batterie et de la puissance maximale qu'elle peut délivrer par rapport à sa capacité de stockage et à sa puissance maximale en début de vie. De façon courante, l'état de santé d'une batterie neuve est égal à 100%, l'état de santé d'une batterie en fin de vie, égale à 0%. On admet que la batterie est en fin de vie quand par exemple, sa capacité est réduite de 30% par rapport à sa valeur initiale ou que sa puissance maximale est réduite de 30% par rapport à sa valeur initiale. L'état de santé d'une batterie permet d'optimiser la gestion de son utilisation. En particulier, la connaissance de l'état de santé d'une batterie permet d'estimer plus finement son état de charge et ainsi de réduire les marges de sécurité par rapport à la plage d'état de charge autorisée en fonctionnement. La plage d'état de charge autorisée étant plus élevée, l'autonomie du véhicule s'en trouve augmentée.. De plus, la connaissance de l'état de santé d'une batterie permet d'estimer sa durée de vie restante. Cette information peut être nécessaire en cas de revente du véhicule automobile, pour le remplacement de la batterie et pour déterminer si la batterie peut être utilisée dans une application autre que le domaine automobile, moins exigeante en performances. Il existe donc un besoin de déterminer précisément l'état de santé d'une batterie. [0003 Il est difficile de déterminer l'état de santé d'une batterie, notamment la puissance maximale qu'elle peut fournir. La puissance maximale peut néanmoins être estimée à partir de la résistance interne de la batterie. En effet, la diminution de la puissance maximale est essentiellement liée à l'augmentation de la résistance interne de la batterie. L'état de santé d'une batterie peut donc être estimé à partir de sa résistance interne. Cependant, pour un même état de santé de la batterie, la mesure de la résistance interne est susceptible de varier en fonction des conditions de mesure. Elle peut notamment varier en fonction de l'intensité du courant appliqué pour la mesure, de la durée pendant laquelle le courant est appliqué, de la température de la batterie et de son état de charge. Par conséquent, pour déterminer une évolution précise de la résistance interne, les mesures de résistance interne doivent être faites à chaque fois dans des conditions identiques. La demande de brevet FR 2 826 457 décrit un procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie à partir de sa résistance interne. La résistance interne est déterminée en mode de roulage ou en mode de parcage (ou mode stationné) du véhicule, à partir d'une impulsion de courant appelée sur la batterie. La résistance interne est alors définie comme étant le rapport de la variation de tension générée par l'impulsion sur la variation d'intensité du courant lors de l'impulsion. En mode de roulage, il n'est pas aisé de reproduire les mêmes conditions que celles dans lesquelles la résistance interne a été déterminée en début de vie de la batterie. Il est bien entendu possible de forcer une impulsion de courant donnée à un instant où l'état de charge de la batterie correspond à un état de charge de référence. Néanmoins, cette détermination forcée ne peut se faire que sur une durée limitée afin de ne pas perturber la conduite du véhicule. En outre, il est difficile de contrôler la température de la batterie. En mode de parcage, il est plus aisé de reproduire des conditions identiques pour déterminer la résistance interne. [0004 Un but de l'invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités en permettant de déterminer précisément l'état de santé de la batterie en perturbant le moins possible son utilisation normale. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie de stockage d'énergie électrique pour l'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile, en mode de recharge, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une étape de détermination d'une température et d'un état de charge de la batterie, - une étape de chargement de la batterie avec un profil de courant d'intensité et de durée prédéterminées, - une étape de détermination de la résistance interne ou de l'impédance de la batterie à partir du profil de courant et de valeurs de tensions aux bornes de la batterie en réponse au profil de courant, - une étape de détermination de l'état de santé de la batterie à partir de sa résistance interne ou de son impédance, de sa température et de son état de charge déterminés lors des étapes correspondantes, et d'une table d'estimation donnant une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de sa résistance interne ou de son impédance, de sa température et de son état de charge, l'étape de détermination de la température et de l'état de charge de la batterie, et l'étape de chargement de la batterie avec le profil de courant étant réalisées au cours d'un chargement de la batterie. [0005] Selon une première forme de réalisation, le procédé comporte en outre une étape d'interruption du chargement de la batterie, l'étape de chargement de la batterie avec le profil de courant étant réalisée après une durée prédéterminée suivant l'interruption du chargement de la batterie, le profil de courant prenant la forme d'un créneau de courant d'intensité et de durée prédéterminées, la résistance interne de la batterie étant déterminée comme étant le rapport d'une variation de tension aux bornes de la batterie due au créneau de courant sur l'intensité du créneau de courant. [0006] La table d'estimation peut donner une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de sa résistance interne, de sa température, de son état de charge, et de l'intensité et la durée du créneau de courant. [0007] Selon une deuxième forme de réalisation, le procédé comporte en outre une étape d'interruption du chargement de la batterie, l'étape de chargement de la batterie avec le profil de courant étant réalisée après une durée prédéterminée suivant l'interruption du chargement de la batterie, le profil de courant prenant la forme d'une sinusoïde de fréquence, de durée et d'intensité efficace prédéterminées, l'impédance de la batterie étant déterminée comme étant le rapport d'une valeur efficace d'une tension aux bornes de la batterie pendant l'étape de chargement de la batterie avec le profil de courant sur l'intensité efficace de la sinusoïde. [0008] La table d'estimation peut donner une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de son impédance, de sa température, de son état de charge, et de l'intensité efficace et de la fréquence de la sinusoïde. [0009] Selon une troisième forme de réalisation, le profil de courant prend la forme d'un créneau de courant d'intensité et de durée prédéterminées, la résistance interne de la batterie étant déterminée comme étant le rapport de la différence de tension aux bornes de la batterie entre un premier instant correspondant à la fin du créneau de courant et un deuxième instant à la fin d'une durée prédéterminée à partir du premier instant, sur l'intensité du créneau de courant. [0010] L'intensité du créneau de courant est avantageusement sensiblement égale à l'intensité du courant circulant déjà dans la batterie pour la charger. [0011] La table d'estimation peut donner une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de sa résistance interne, de sa température, de son état de charge, de l'intensité du créneau de courant et de la durée prédéterminée séparant les premier et deuxième instants. [0012] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard de dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente, par un schéma, un exemple de circuit de puissance et de circuit de commande d'une chaîne de traction électrique d'un véhicule automobile à laquelle s'applique l'invention ; - les figures 2 et 3 illustrent un premier mode de réalisation du procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie ; - les figures 4 et 5 illustrent un deuxième mode de réalisation du procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie. [0013] Pour la suite de la description, on appelle état de charge d'une batterie de stockage d'énergie électrique, un rapport de la capacité ou de l'énergie pouvant être restituée par la batterie à un instant donné sur la capacité ou l'énergie pouvant être potentiellement stockée dans cette batterie. Par ailleurs, on appelle état de santé d'une batterie, la notion liée à la perte de capacité par rapport à sa capacité initiale ou la notion liée à la perte de puissance par rapport à sa puissance initiale. On peut définir un état de santé de 100% lorsque la batterie est neuve et un état de santé de 0%, soit sa fin de vie, lorsque la batterie a perdu par exemple 30% de sa capacité ou 30% de sa puissance par rapport à l'état neuf. [0014] La figure 1 représente schématiquement le circuit de puissance et le circuit de commande d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile. Un moteur électrique 1 est alimenté par une batterie de stockage d'énergie électrique 2 par l'intermédiaire d'un onduleur 3. Un superviseur de batterie 4 commande l'onduleur 3 afin de contrôler le signal électrique alimentant le moteur électrique 1. Un système de gestion de la batterie 5 permet de gérer la recharge de la batterie 2 et de déterminer son état de santé. Il permet notamment de commander la recharge de la batterie 2 soit à partir d'un réseau de distribution d'énergie électrique 6, soit à partir d'un chargeur embarqué 7. Il comporte un capteur de température, un capteur de la tension aux bornes de la batterie 2, un capteur du courant circulant depuis ou vers la batterie 2, et un microcontrôleur. Le microcontrôleur comporte par exemple un convertisseur analogique-numérique, un processeur, une horloge et une mémoire. Les signaux provenant des différents capteurs de température, de courant et de tension sont convertis par le convertisseur analogique-numérique avant d'être traités par le processeur en fonction d'un programme de détermination de l'état de santé de la batterie stocké dans la mémoire du microcontrôleur. [0015] En mode de roulage, l'intensité du courant et la température de la batterie fluctuent en fonction des sollicitations du moteur électrique. La température de la batterie varie également en fonction de la température de l'environnement où évolue le véhicule automobile. En revanche, pendant une recharge de la batterie, les conditions de mesure de sa résistance interne sont facilement reproductibles. En effet, la recharge est effectuée avec un courant continu pendant plusieurs heures et la température de la batterie reste quasiment constante. L'invention exploite ces conditions particulières pour estimer la résistance interne de la batterie, et en déduire l'état de santé de la batterie en fonction de certaines conditions de mesure. [0016] Les figures 2 et 3 illustrent un premier mode de réalisation du procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie. La figure 2 représente des étapes possibles du procédé et la figure 3 représente, par un graphique, le profil de courant appliqué pour ce mode de réalisation. Sur ce graphique, l'axe des abscisses représente le temps et l'axe des ordonnées l'intensité du courant. Dans une première étape 21, la batterie 2 est chargée pendant une durée prédéterminée depuis un instant t1 jusqu'à un instant t2. Dans une deuxième étape 22, la charge de la batterie 2 est interrompue à partir de l'instant t2 de manière à ce qu'aucun courant ne traverse la batterie 2 pendant une durée prédéterminée Dst. Cette durée De permet de s'assurer que la tension aux bornes de la batterie 2 est bien revenue à un état proche de son état d'équilibre thermodynamique U1. Dans une troisième étape 23, la température et l'état de charge de la batterie 2 sont déterminés à un instant t3. Dans une quatrième étape 24, le système de gestion de la batterie 5 commande la charge de la batterie 2 avec un profil de courant prenant soit la forme d'un créneau de courant (ou impulsion) d'intensité (12) donnée, comme représenté sur la figure 3, soit la forme d'une sinusoïde de fréquence et d'amplitude données. Le profil de courant est appliqué pendant une durée ts, entre l'instant t3 et un instant t4 où le courant s'annule. Dans une cinquième étape 25, le système de gestion de la batterie 5 détermine soit la valeur de la résistance interne de la batterie 2, soit son impédance. La résistance interne est déterminée comme étant le rapport de la différence entre la tension U2 déterminée à l'instant t4 et la tension U1 déterminée à l'instant t3 sur l'intensité 12 du créneau de courant appliqué entre les instants t3 et t4 (R = (U2 - U1)/12). [0017] L'impédance de la batterie 2 est déterminée comme étant le rapport de la valeur efficace de la tension entre les instants t3 et t4 sur l'intensité efficace du courant entre les instants t3 et t4. L'état de santé de la batterie peut être déterminé à n'importe quel instant après l'instant t4. Il est déterminé dans une étape 26 à partir de la température, de l'état de charge et de la résistance interne ou de l'impédance de la batterie 2, et d'une table d'estimation donnant une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de la température, de l'état de charge et de la résistance interne ou de l'impédance de la batterie. Selon une forme particulière de réalisation, l'état de santé de la batterie est également déterminé en fonction de l'intensité du courant appliqué pendant l'étape 24 et de la durée ts. Pour la détermination de l'impédance de la batterie, il peut également être tenu compte de la fréquence de la sinusoïde. La table d'estimation est alors construite en fonction de ces variables d'entrée. Cependant, afin de ne pas complexifier la table d'estimation, l'intensité du courant, la durée ts et, le cas échéant, la fréquence de la sinusoïde, peuvent être identiques pour chaque étape 24. La durée Dst de stabilisation de la tension aux bornes de la batterie 2 est à définir en fonction de la précision sur la détermination de l'état de santé recherchée. La durée ts du profil de courant appliqué pour la détermination de la résistance interne de la batterie est par exemple de l'ordre de la seconde ou de quelques secondes. Ces durées peuvent être gérées par l'horloge du microcontrôleur. L'étape 23 de détermination de la température et de l'état de charge de la batterie 2 n'est pas nécessairement réalisée à l'instant t3 à partir duquel est appliqué le profil de courant. L'étape 23 peut être réalisée à tout instant avant, pendant ou après l'étape 24 d'application d'un profil de courant, pour autant que la température et l'état de charge de la batterie déterminés à cet instant correspondent sensiblement à la température et à l'état de charge de la batterie au moment de la détermination de la résistance interne ou de l'impédance. La charge de la batterie 2 peut être poursuivie dans une étape 27, à partir d'un instant t5 suivant l'instant t4. [0018] Les figures 4 et 5 illustrent un deuxième mode de réalisation du procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie. La figure 4 représente des étapes possibles du procédé et la figure 5 représente, par un graphique analogue à celui de la figure 3, le profil de courant appliqué pour ce mode de réalisation. Dans une première étape 21, la batterie 2 est chargée pendant une durée prédéterminée entre les instants t1 et t2. Dans une deuxième étape 42, la température et l'état de charge de la batterie 2 sont déterminés à l'instant t2. Dans une troisième étape 43, le système de gestion de la batterie 5 commande la charge de la batterie 2 avec un profil de courant prenant la forme d'un créneau de courant d'intensité 151 donnée. Le créneau de courant est appliqué pendant une durée prédéterminée, entre l'instant t3 et un instant t53 où le courant s'annule (1 = 0). Selon une forme particulière de réalisation, l'intensité 151 du courant appliqué entre les instants t3 et t53 est égale à celle appliquée pendant la charge de la batterie 2. Toujours selon une forme particulière de réalisation, les instants t2 et t3 sont confondus. A l'instant t53 où le courant s'annule, la tension aux bornes de la batterie est mesurée. Cette tension est notée U51. La tension est à nouveau mesurée à un instant t54 suivant l'instant t53. La tension à l'instant t54 est notée U52. Les instants t53 et t54 sont par exemple séparés par la durée ts. Dans une quatrième étape 44, le système de gestion de la batterie 5 détermine la valeur de la résistance interne de la batterie. La résistance interne est déterminée comme étant le rapport de la différence de tension aux bornes de la batterie 2 entre les instant t53 et t54 (U51-U52) sur l'intensité 151 du courant appliqué entre les instants t3 et t53. Dans une étape 45, réalisée à n'importe quel instant suivant l'instant t54, l'état de santé de la batterie est déterminé à partir de la température, de l'état de charge et de la résistance interne de la batterie 2, et d'une table d'estimation donnant une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de sa température, de son état de charge et de sa résistance interne. Selon une forme particulière de réalisation, l'état de santé de la batterie est également déterminé en fonction de l'intensité 151 du courant appliqué pendant l'étape 43 et de la durée ts. La table d'estimation est alors construite en fonction de ces variables d'entrée. Cependant, afin de ne pas complexifier la table d'estimation, l'amplitude 151 du courant et la durée ts peuvent être identiques pour chaque étape 43. L'étape 42 de détermination de la température et de l'état de charge de la batterie n'est pas nécessairement réalisée à l'instant t2, c'est-à-dire à la fin de l'étape 21 de chargement de la batterie. Elle peut notamment être réalisée à l'instant t3 à partir duquel est appliqué le profil de courant. L'étape 42 peut être réalisée à tout instant avant, pendant ou après l'étape 43 d'application d'un profil de courant, pour autant que la température et l'état de charge de la batterie déterminés à cet instant correspondent sensiblement à la température et à l'état de charge de la batterie au moment de la détermination de la résistance interne. La charge de la batterie 2 peut être poursuivie dans une étape 27, à partir d'un instant t5 suivant l'instant t54. L'avantage du deuxième mode de réalisation par rapport au premier est qu'il ne nécessite pas d'étape de stabilisation de la tension pendant la durée De présentée sur la figure 3. [0019] Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, la table d'estimation peut être stockée dans la mémoire du microcontrôleur ou, plus généralement, dans une mémoire du système de gestion de la batterie 5. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie de stockage d'énergie électrique (2) pour l'alimentation d'une chaîne de traction électrique ou hybride d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une étape (23, 42) de détermination d'une température et d'un état de charge de la batterie (2), - une étape (24, 43) de chargement de la batterie (2) avec un profil de courant d'intensité et de durée prédéterminées, - une étape (25, 44) de détermination de la résistance interne ou de l'impédance de la batterie (2) à partir du profil de courant et de valeurs de tensions aux bornes de la batterie (2) en réponse au profil de courant, - une étape (26, 45) de détermination de l'état de santé de la batterie (2) à partir de sa résistance interne ou de son impédance, de sa température et de son état de charge déterminés lors des étapes (23, 25, 42, 44) correspondantes, et d'une table d'estimation donnant une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de sa résistance interne ou de son impédance, de sa température et de son état de charge, l'étape (23, 42) de détermination de la température et de l'état de charge de la batterie, et l'étape (23, 43) de chargement de la batterie (2) avec un profil de courant étant réalisées au cours d'un chargement de la batterie (2). 2. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre une étape (22) d'interruption du chargement de la batterie (2), l'étape (24) de chargement de la batterie (2) avec le profil de courant étant réalisée après une durée prédéterminée (Dst) suivant l'interruption du chargement de la batterie (2), le profil de courant prenant la forme d'un créneau de courant d'intensité (12) et de durée (ts) prédéterminées, la résistance interne de la batterie (2) étant déterminée comme étant le rapport d'une variation de tension (U2 - U,) aux bornes de la batterie (2) due au créneau de courant sur l'intensité (12) du créneau de courant. 30 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la table d'estimation donne une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de sa résistance interne, de sa température, de son état de charge, et de l'intensité (12) et la durée (ts) du créneau de courant. 4. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre une étape (22) d'interruption du chargement de la batterie (2), l'étape (24) de chargement de la batterie (2) avec le profil de courant étant réalisée après une durée prédéterminée (Dst) suivant l'interruption du chargement de la batterie (2), le profil de courant prenant la forme d'une sinusoïde de fréquence, de durée et d'intensité efficace prédéterminées, l'impédance de la batterie (2) étant déterminée comme étant le rapport d'une valeur efficace d'une tension aux bornes de la batterie (2) pendant l'étape (24) de chargement de la batterie (2) avec le profil de courant sur l'intensité efficace de la sinusoïde. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la table d'estimation donne une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de son impédance, de sa température, de son état de charge, et de l'intensité efficace et de la fréquence de la sinusoïde. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la durée prédéterminée (Dst) séparant l'interruption du chargement de la batterie (2) de l'étape (24) de chargement de la batterie (2) avec le profil de courant étant de durée suffisante pour que la tension de la batterie soit sensiblement stabilisée. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le profil de courant prend la forme d'un créneau de courant d'intensité (151) et de durée prédéterminées, , la résistance interne de la batterie (2) étant déterminée comme étant le rapport de la différence de tension aux bornes de la batterie (2) entre un premier instant (t53) correspondant à la fin du créneau de courant et un deuxième instant (t54) à la fin d'une durée prédéterminée (ts) à partir du premier instant (t53), sur l'intensité (151) du créneau de courant. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'intensité (151) du créneau de courant est sensiblement égale à l'intensité du courant circulant déjà dans la batterie (2) pour la charger. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, dans lequel la table d'estimation donne une estimation de l'état de santé de la batterie en fonction de sa résistance interne, de sa température, de son état de charge, de l'intensité (151) du créneau de courant et de la durée prédéterminée (ts) séparant les premier et deuxième instants (t53, t54).