Brevet FR2977678A1 — publié le 20130111

Procédé de diagnostic d'une batterie L'invention concerne un procédé de gestion d'une batterie, de tout accumulateur électrochimique, comprenant notamment la réalisation de son diagnostic. Elle concerne aussi un système de gestion de batterie mettant en oeuvre ce procédé de gestion de batterie. La gestion des batteries de l'état de la technique fait appel à un indicateur représentatif du vieillissement d'une batterie, souvent appelé par sa dénomination anglo-saxonne de « State Of Health » pour état de santé, ou plus simplement SOH. Cet indicateur est couramment utilisé dans le diagnostic d'une batterie. L'évaluation de cet indicateur est importante pour une bonne maîtrise du fonctionnement de la batterie, ainsi que pour gérer au mieux sa fin de vie. La solution la plus simple consiste à mesurer la capacité de la batterie à l'état initial puis de mesurer cette capacité périodiquement dans le temps. Le ratio de la capacité à un instant t sur la capacité initiale donne la valeur du SOH de la batterie à l'instant t. Le document US2010/0198536 propose une autre solution basée sur la mesure de la résistance interne de la batterie, qui évolue avec le vieillissement de la batterie. Cette approche reste toutefois limitée car la résistance interne des batteries est souvent très faible et non exploitable, notamment dans le cas des batteries à forte puissance. Ces approches nécessitent une estimation du SOH lors d'une opération de diagnostic spécifique durant laquelle la batterie n'est pas utilisée. Elles présentent donc l'inconvénient d'entraîner une immobilisation spécifique de la batterie. Le document US2009/0128097 propose une autre solution basée sur la mesure du temps de charge à courant constant d'une batterie, ce qui représente une solution de mesure de la charge de la batterie. Toutefois, pour appliquer cette solution, il faut que la batterie soit complètement déchargée pour pouvoir mesurer sa charge complète. Cette solution n'est donc pas toujours applicable. Par exemple, dans le cas d'une batterie de véhicule automobile, il n'est pas envisageable de vider totalement la batterie avant de la recharger, pour éviter les pannes. Par ailleurs, des décharges totales répétées peuvent provoquer un vieillissement prématuré de la batterie. Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution de gestion d'une batterie qui permet d'améliorer la réalisation du diagnostic de l'état de la batterie, et plus particulièrement le calcul de son état de santé SOH. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de diagnostic d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - première phase de charge de la batterie jusqu'à une tension maximale prédéfinie Umar atteinte à un premier instant t, ; - seconde phase de charge de la batterie à tension constante, et mesure d'un second instant t2 lorsque le courant aux bornes de la batterie descend sous une valeur seuil Iseut, ; - calcul de l'état de santé SOH de la batterie à partir de la durée mesurée entre les deux instants t, et t2. La première phase de charge de la batterie peut être une phase de charge à courant constant Ic, à partir de tout état de charge initial de la batterie.30 La valeur seuil de courant Iseuii peut être comprise entre la valeur du courant constant Ic de la première phase de charge de la batterie et le courant de fin de charge Imin de la batterie, et notamment inférieure ou égale à Ic/2. Le calcul de l'état de santé SOH de la batterie peut dépendre aussi de la durée initiale de référence entre les instants t, et t2 au cours d'une seconde phase de charge de la batterie à tension constante à un instant précédent de la vie de la batterie, comme dans un état neuf de la batterie. Le calcul de l'état de santé SOH de la batterie peut comprendre une étape de correction en fonction de la température de l'environnement de la batterie durant la phase de charge de la batterie et/ou du courant de charge de la première phase de charge de la batterie. Le procédé de diagnostic d'une batterie peut comprendre une mesure de la température au moins au premier instant t,, et/ou durant la première phase et/ou durant la seconde phase. 20 Le procédé de diagnostic d'une batterie peut comprendre une étape préalable de mesure du signe du courant aux bornes de la batterie pour en déduire si la batterie est en première phase de charge ou non, pour initier les étapes du procédé dès que la batterie est en première phase de charge. 25 Le procédé de diagnostic d'une batterie peut comprendre une étape de mesure de la tension aux bornes de la batterie durant la première phase de charge de la batterie, et/ou une étape de mesure du courant aux bornes de la batterie durant la seconde phase de charge de la batterie, et 10 15 une mesure du temps durant au moins la seconde phase de charge de la batterie. Le procédé de diagnostic d'une batterie peut comprendre une étape de mémorisation des mesures du temps, et/ou du courant, et/ou de la tension, et/ou de la température, et/ou d'une durée initiale de référence. L'invention porte aussi sur un dispositif de diagnostic d'une batterie, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé de diagnostic lors d'une phase de charge de la batterie tel que décrit précédemment. Le dispositif de diagnostic d'une batterie peut comprendre au moins un calculateur, une mémoire électronique, et au moins un capteur de mesure du courant et/ou de la tension aux bornes de la batterie. L'invention porte aussi sur un dispositif de charge d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de diagnostic d'une batterie qui met en oeuvre le procédé de diagnostic tel que décrit précédemment. 20 L'invention porte aussi sur un dispositif alimenté par une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de diagnostic de la batterie qui met en oeuvre le procédé de diagnostic tel que décrit précédemment. Enfin, l'invention porte aussi sur un support informatique lisible par une 25 unité de gestion, caractérisé en ce qu'il comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre du procédé de diagnostic d'une batterie tel que décrit précédemment.15 Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente l'évolution du courant et de la tension de charge en fonction du temps selon un algorithme de charge IU d'une batterie. La figure 2 représente un algorithme du procédé de charge et de 10 diagnostic selon un mode de réalisation de l'invention. Pour maîtriser le fonctionnement de tout appareil ou système intégrant au moins une batterie, il est essentiel de connaître et maîtriser les performances de cette batterie, pour notamment gérer ses phases de 15 charge et décharge et au final optimiser le fonctionnement de l'appareil ou du système. Pour cela, le constructeur d'une batterie préconise en général un régime de charge lent dans des conditions dites nominales, qui permet de charger 20 la batterie au maximum et sans la détériorer. Ce régime de charge est plus précisément défini par les conditions électriques, c'est-à-dire les valeurs de courant et de tension, qui sont appliquées aux bornes d'une batterie pendant une certaine durée pour la charger. Ces conditions électriques sont définies par un algorithme qui dépend de la technologie 25 électrochimique considérée. La figure 1 représente les conditions électriques préconisées pour charger de nombreuses batteries, comme par exemple les batteries basées sur une technologie lithium-ion de type LiFePO4. Les courbes 1, 2 30 représentent respectivement l'évolution du courant et de la tension de5 charge en fonction du temps. La charge ainsi illustrée, appelée IU, comprend une première phase entre les instants to et t1, durant laquelle le courant de charge Ic est constant alors que la tension augmente, et une seconde phase, souvent appelée par sa dénomination anglo-saxonne de « floating », qui débute à partir d'une certaine valeur seuil Umax de la tension, et durant laquelle la tension est maintenue constante à cette valeur de seuil Umax. Durant cette dernière phase, qui s'étend entre les instants t1 et t3, le courant tend vers une valeur nulle. En-dessous d'une certaine valeur Iman du courant, fixée par le constructeur, la charge de la batterie est considérée complète. La durée totale de charge est donc la somme des durées des deux phases, et correspond à la durée entre to et t3. Le procédé de diagnostic d'une batterie selon l'invention consiste à mesurer l'évolution d'une durée particulière dans le temps, qui évolue avec le vieillissement de la batterie, entre l'instant t1 et un instant t2 qui est défini par le passage sous un seuil prédéfini de courant Iseut, du courant lors de la seconde phase de charge à tension constante d'une batterie. Ce seuil de courant Iseut, peut prendre toute valeur prédéfinie entre le courant de charge Ic et le courant de fin de charge Iman, mais sera de préférence choisi assez éloigné du courant de charge, par exemple inférieur ou égal à Ic/2, pour avoir à mesurer une durée t2-t, significative. Cette approche présente l'avantage de donner un résultat de l'état de santé SOH de la batterie très proche de celui obtenu en mesurant les capacités de la batterie, sans nécessiter de phase spécifique de diagnostic puisqu'elle est réalisée de manière simultanée à une phase de charge de la batterie. De plus, elle est compatible avec toute charge initiale de la batterie, même non totalement déchargée, puisque la seconde phase de charge à tension constante de la batterie est indépendante de l'état de charge initial de la batterie. La figure 2 représente de manière détaillée un algorithme mis en oeuvre selon un mode de réalisation de l'invention. Il comprend une première étape E1 de mesure du courant aux bornes de la batterie. Si le courant est positif, alors cela signifie qu'une phase de charge est engagée (si on choisit une convention dite « récepteur » pour le signe du courant). Lorsque la phase de charge de la batterie est engagée, une étape E2 du procédé consiste à mesurer la tension aux bornes de la batterie et le temps, et à comparer la tension mesurée avec la tension maximale. Lorsque cette tension maximale est atteinte, une troisième étape E3 consiste à mesurer et mémoriser le temps, qui est égal au temps t, de fin de la première partie de la phase de charge à courant constant. De plus, la température T est aussi mesurée à l'instant t1. Cependant, la température sera avantageusement mesurée tout au long de la première charge (étape E2) afin de suivre la courbe de charge à courant constant et corriger si nécessaire la mesure de température réalisée à l'instant t1. Il sera aussi avantageux de suivre la température durant la seconde phase (étape E4) ou même sur toute la durée de la charge. Une quatrième étape E4 consiste alors en une mesure du temps t et du courant 1 et sa comparaison avec le courant seuil Iseo;,. Lorsque 1 atteint ce courant seuil Iseo;,, à un instant t2, une cinquième étape E5 de réalisation du diagnostic peut être engagée, dans laquelle le temps t2 est alors fixé et mémorisé à la dernière mesure du temps, avant de réaliser le calcul de l'état de santé SOH de la batterie à partir de la durée entre les instants t, et t2 mesurés durant cette seconde phase de charge de la batterie. Ce calcul du SOH comprend la comparaison de la durée [t, ; t2] avec une durée initiale de référence mémorisée. Pour cela, on utilise un abaque prédéfini dans une étape préalable, qui mémorise la valeur du SOH, obtenue par toute technique de l'état de la technique basée sur des décharges totales de la batterie par exemple, en fonction de la durée t2-t1. On remarque que cette étape préalable donne une relation sensiblement linéaire entre la valeur de SOH et la durée t2-t,, ce qui permet d'obtenir un calcul de SOH qui correspond sensiblement au rapport des durées t2-t, obtenues et de référence. Selon ce mode de réalisation, la valeur du SOH est aussi corrigée en fonction de la température T de l'environnement de la batterie et éventuellement de la valeur du courant de charge si elle diffère de la valeur Ic de référence. Les étapes précédentes sont répétées périodiquement au cours de la vie de la batterie, pour obtenir un calcul de son état de santé par exemple à chaque phase de charge de la batterie. Finalement, le concept de l'invention est adapté à tout accumulateur électrochimique, quelle que soit sa technologie électrochimique utilisée, comme au lithium, au nickel, ou au plomb.25 L'invention porte aussi sur un dispositif de charge de batterie qui met en oeuvre le procédé de diagnostic décrit ci-dessus. Pour cela, le dispositif de charge peut utiliser des moyens logiciels et/ou matériels (software et/ou hardware), comprenant par exemple une mémoire stockant la durée de référence et mémorisant les différentes mesures de tension, courant, température, temps, etc., décrites en référence avec l'algorithme de la figure 2. Il comprend aussi un calculateur pour mettre en oeuvre les comparaisons et calculs de l'algorithme décrit et un ou plusieurs capteurs pour mesurer les valeurs de tension, courant, température, etc. En variante, ces valeurs peuvent être estimées par des modèles de calcul. En variante, le dispositif de diagnostic qui met en oeuvre le diagnostic de la batterie peut être dissocié du dispositif de charge de la batterie, et appartenir par exemple au dispositif alimenté par la batterie, comme se trouver au sein d'un véhicule automobile.20 REVENDICATIONS1. Procédé de diagnostic d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - première phase de charge de la batterie jusqu'à une tension maximale prédéfinie Umar atteinte à un premier instant t, ; - seconde phase de charge de la batterie à tension constante, et mesure d'un second instant t2 lorsque le courant aux bornes de la batterie descend sous une valeur seuil Iseuii ; - calcul de l'état de santé SOH de la batterie à partir de la durée mesurée entre les deux instants t, et t2. 2. Procédé de diagnostic d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première phase de charge de la batterie est une phase de charge à courant constant Ic, à partir de tout état de charge initial de la batterie. 3. Procédé de diagnostic d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la valeur seuil de courant Iseuii est comprise entre la valeur du courant constant Ic de la première phase de charge de la batterie et le courant de fin de charge Imin de la batterie, et notamment inférieure ou égale à Id2. 4. Procédé de diagnostic d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul de l'état de santé SOH de la batterie dépend aussi de la durée initiale de référence entre les instants t, et t2 au cours d'une seconde phase de charge de la batterie à tension constante à un instant précédent de la vie de la batterie, comme dans un état neuf de la batterie.30 5. Procédé de diagnostic d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul de l'état de santé SOH de la batterie comprend une étape de correction en fonction de la température de l'environnement de la batterie durant la phase de charge de la batterie et/ou du courant de charge de la première phase de charge de la batterie. 6. Procédé de diagnostic d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une mesure de la température au moins au premier instant t,, et/ou durant la première phase et/ou durant la seconde phase. 7. Procédé de diagnostic d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de mesure du signe du courant aux bornes de la batterie pour en déduire si la batterie est en première phase de charge ou non, pour initier les étapes du procédé dès que la batterie est en première phase de charge. 8. Procédé de diagnostic d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mesure de la tension aux bornes de la batterie durant la première phase de charge de la batterie, et/ou une étape de mesure du courant aux bornes de la batterie durant la seconde phase de charge de la batterie, et une mesure du temps durant au moins la seconde phase de charge de la batterie. 9. Procédé de diagnostic d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mémorisation des mesures du temps, et/ou du courant, et/ou de la tension, et/ou de la température, et/ou d'une durée initiale de référence. 10. Dispositif de diagnostic d'une batterie, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé de diagnostic lors d'une phase de charge de la batterie selon l'une des revendications précédentes. 11. Dispositif de diagnostic d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un calculateur, une mémoire électronique, et au moins un capteur de mesure du courant et/ou de la tension aux bornes de la batterie. 12. Dispositif de charge d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de diagnostic d'une batterie qui met en oeuvre le procédé de diagnostic selon l'une des revendications 1 à 9. 13. Dispositif alimenté par une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de diagnostic de la batterie qui met en oeuvre le procédé de diagnostic selon l'une des revendications 1 à 9. 14. Support informatique lisible par une unité de gestion, caractérisé en ce qu'il comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre du procédé de diagnostic d'une batterie selon l'une des revendications 1 à 9.