Brevet FR2989840A1 — publié le 20131025

B11-5170FR 1 Dispositif de charge d'une batterie d'un véhicule automobile à traction électrique comprenant des moyens de diagnostic embarqués. L'invention concerne un dispositif de charge de batterie haute tension, notamment d'un véhicule automobile à traction électrique, à partir d'un réseau d'alimentation électrique, et plus particulièrement le diagnostic de l'état de vieillissement de la batterie. Les caractéristiques intrinsèques d'une batterie d'un véhicule automobile à traction électrique évoluent au cours de sa vie entraînant notamment une détérioration de ses performances. En particulier, sa capacité diminue au cours du temps ce qui se traduit par une perte d' autonomie, et sa résistance interne augmente entraînant une diminution de la puissance délivrable par celle-ci. Un diagnostic de l'état de vieillissement d'une batterie d'un véhicule automobile à traction électrique permet d'évaluer l'état de santé générale de la source d'énergie principale et ainsi de connaître les performances de la source d'alimentation. Actuellement, une méthode de détermination de l'état de santé d'une batterie d'un véhicule automobile consiste à réaliser une étude fréquentielle par spectroscopie d'impédance. La spectroscopie d'impédance est communément utilisée pour caractériser les propriétés dynamiques des matériaux. Elle consiste à imposer un courant sinusoïdal à une fréquence donnée, et d'observer la réponse en tension de la batterie. Pour des faibles amplitudes de courant, la tension de la batterie et elle aussi une sinusoïde déphasée par rapport au courant d'un facteur dépendant de la fréquence imposée. Pour chaque fréquence, sont déduits le module et la phase de l'impédance de la batterie. La spectroscopie d'impédance n'est généralement réalisable qu'en laboratoire à l'aide d'un générateur fréquentiel. Pour réaliser un diagnostic de l'état de vieillissement de la batterie, à l'aide d'un système embarqué à bord d'un véhicule automobile, il est connu d'utiliser des méthodes évaluant le vieillissement à partir de modèles établis sur des essais de vieillissement. Ces modèles dépendent du temps, de la température, de la sollicitation de la batterie, et d'autres paramètres encore. Cette estimation du vieillissement n'est pas aussi fiable qu'une méthode par spectroscopie d'impédance car elle n'est pas ajustée avec des mesures précises du vieillissement de la batterie. Ce problème est actuellement résolu par des modèles de vieillissement corrigés par une estimation de la résistance interne. La demande de brevet FR 2 920 884 décrit un procédé utilisant un onduleur pour réaliser l'estimation de l'état de santé d'une batterie. Le procédé consiste à piloter l'onduleur afin d'envoyer un échelon de courant à la batterie et de mesurer les variations de tension associées pour évaluer la résistance interne de la batterie. Une cartographie permet à partir de cette valeur de résistance d'estimer l'état de santé de la batterie. Cependant, pour réaliser ce procédé, il est nécessaire de préalablement détecter un état stable de la batterie, c'est-à-dire un moment où le véhicule est au repos comme, par exemple, un véhicule n'ayant pas été chargé ou bien un véhicule utilisé depuis quelques minutes déjà. Dans une telle configuration, la batterie continue d'imposer le courant au système et les variations de courant introduites sont par conséquent limitées en termes par exemple de puissance, mais également de niveaux de charge de la batterie auxquels le diagnostic peut être fait. De plus, la seule estimation de la résistance interne ne permet pas de déterminer l'impédance totale des éléments de stockage électrochimiques de la batterie entrainant de ce fait une perte de précision du diagnostic. L'invention se propose de pallier ces inconvénients et d'améliorer la précision de l'estimation de l'état de vieillissement de la batterie par des moyens embarqués de diagnostic. Selon un aspect de l'invention, il est proposé dans un mode de réalisation, un dispositif de charge d'une batterie d'un véhicule automobile à traction électrique à partir d'un réseau d'alimentation, comprenant un étage élévateur de tension destiné à être raccordé à la batterie d'une part et au réseau d'alimentation d'autre part via un étage abaisseur de tension, et des moyens de commande apte à imposer des rapports cycliques de hachage à l'étage abaisseur de tension et à l'étage élévateur de tension. Selon une caractéristique générale, le dispositif comprend des moyens de diagnostic embarqués sur le véhicule automobile aptes à déterminer l'état de vieillissement de la batterie lors d'une charge de la batterie. Déterminer l'état de vieillissement de la batterie alors que la batterie est en charge plutôt que durant une période de repos du véhicule permet de choisir l'état de charge auquel le diagnostic est opéré, et ainsi d'observer le comportement de la batterie pour différents niveaux de charge. En effet, selon le niveau de charge des cellules d'une batterie le comportement dynamique des cellules électrochimiques varie. De préférence, les moyens de diagnostic comprennent des moyens de modulation aptes à moduler la commande des rapports cycliques de hachage de manière à délivrer à la batterie un courant comprenant une harmonique à une fréquence de diagnostic. Les moyens de modulation permettent par ailleurs de commander les modulations de courant imposées à la batterie via l'étage élévateur de tension embarqué dans le véhicule, et ainsi permettre de réaliser une spectroscopie d'impédance sans sortir la batterie du véhicule automobile. En commandant ainsi les rapports cycliques de hachage de l'étage élévateur de tension, il est possible d'introduire une composante fréquentielle à une fréquence particulière afin de mesurer la tension en réponse aux bornes des cellules de la batterie, et d'estimer ainsi l'impédance totale de la batterie et des cellules pour le diagnostic de l'état de vieillissement de la batterie et des cellules. Toutes les cellules assemblées en série au sein du pack batterie sont traversées par le même courant, en l'occurrence le courant délivré par le chargeur. La détermination de l'impédance peut donc être mise en oeuvre pour toute les cellules (ou assemblage parallèle de cellules) dont la tension est acquise. De préférence, les moyens de diagnostic comprennent des moyens de mesure de la tension aux bornes de la batterie et/ou des cellules, des moyens de mesure du courant de charge délivré à la batterie, et des moyens de traitement aptes à déterminer un modèle de réponse dynamique de la batterie à partir des valeurs de module et de phase de l'impédance de la batterie déterminées à partir des mesures de tension aux bornes de la batterie et des mesures de courant pour différentes valeurs de fréquence de diagnostic. Le modèle de réponse dynamique de la batterie et/ou des cellules est/sont réalisé/es à partir de l'analyse de l'impédance de la batterie et/ou des cellules, sur une plage fréquentielle donnée. Les paramètres du modèle de réponse dynamique de la batterie et/ou des cellules sont obtenus par un processus d'identification à partir des données fréquentielles. Le processus d'identification peut par exemple être une méthode par moindre carrés (dénommée en anglais «Weighted Complex Nonlinear Least Squares »). Avantageusement, les moyens de diagnostic peuvent comprendre des moyens de comparaison aptes à comparer le modèle de réponse dynamique déterminé à un modèle de référence pour déterminer l'état de vieillissement de la batterie. Le réseau d'alimentation couplé au dispositif de charge peut avantageusement être un réseau d'alimentation triphasé ou continu. Le réseau d'alimentation ne peut pas être un réseau monophasé car il y a une perte de commandabilité lorsque la tension avoisine zéro qui empêche d'envoyer des courants à des fréquences souhaitées pour une large gamme de fréquence. Selon un autre aspect, il est proposé, dans un mode de mise en oeuvre, un procédé de charge de la batterie d'un véhicule automobile à partir d'un réseau d'alimentation, comprenant une commande des rapports cycliques de hachage d'un étage abaisseur de tension couplé au réseau d'alimentation et d'un étage élévateur de tension couplé à la batterie d'une part et à l'étage abaisseur de tension d'autre part, dans lequel on détermine l'état de vieillissement de la batterie lors de la charge de ladite batterie. De préférence, on génère tout d'abord un courant de charge de la batterie comprenant une composante fréquentielle à une fréquence de diagnostic à partir d'une modulation de la commande des rapports cycliques de hachage de l'étage élévateur de tension. Avantageusement, on mesure ensuite la tension aux bornes des cellules de la batterie, on mesure le courant de charge délivré à la batterie, et on détermine un modèle de réponse dynamique de la batterie à partir des valeurs de module et de phase de l'impédance des cellules de la batterie déterminée à partir des mesures de tension à leurs bornes et des mesures du courant pour différentes valeurs de fréquence de diagnostic. On compare enfin le modèle de réponse dynamique à un modèle de référence et on détermine l'état de vieillissement de la batterie. D' autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation et d'un mode de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 présente de manière schématique un dispositif de charge comprenant des moyens de diagnostic embarqués à bord d'un véhicule automobile selon un mode de réalisation ; - la figure 2 présente un organigramme d'un procédé de charge comprenant un diagnostic de l'état de vieillissement de la batterie selon un mode de mise en oeuvre. Sur la figure 1, est présenté de manière schématique un dispositif 1 de charge d'une batterie 2 d'un véhicule automobile à traction électrique à partir d'un réseau d'alimentation 3 triphasé ou continu, selon un mode de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, le dispositif de charge a été représenté pour une charge à partir d'un réseau d'alimentation 3 triphasé. Le dispositif de charge 1 comprend un étage de filtrage 4 permettant de filtrer le courant du réseau d'alimentation 3 prélevé par le dispositif 1 via les bornes 8, un étage abaisseur de tension 5 couplé à la sortie de l'étage de filtrage 4, ainsi qu'un étage élévateur de tension 6 couplé à l'étage abaisseur de tension 5 via une machine électrique 7 symbolisée sur la figure par une résistance Rd disposée en série avec une bobine d'induction Ld. Les moyens de filtrage 4 comprennent un filtre 4a de compatibilité électromagnétique (CEM), ainsi qu'un ensemble capacitif 4b. Le filtre 4a CEM est, par exemple, un filtre à inductances L et à capacités de mode commun, comprenant également des résistances R, et permettant de filtrer les impulsions de courant générées par les transistors ou interrupteurs des étages abaisseur de tension 5 et élévateur de tension 6 du dispositif 1. Les moyens de filtrage 4 permettent de filtrer le courant ainsi absorbé de sorte que le courant satisfasse aux contraintes de raccordement au réseau imposées par les exploitants de réseaux, en termes d'harmoniques ainsi que celles du domaine automobile. L'ensemble capacitif 4b comprend des capacités C couplées entre les trois phases du réseau d'alimentation 3 triphasé. Les capacités de l'ensemble capacitif 4b peuvent être couplées, comme représenté sur la figure, selon une disposition dite « en étoile » de manière à avoir deux capacités couplées entre chaque phase ou bien selon une disposition dite « en triangle », c'est-à-dire en disposant les capacités entre chaque phase et le neutre à la sortie des moyens de filtrage 4a CEM. On diminue ainsi la valeur de courant qui les traverse. L'étage abaisseur de tension 5 comprend trois branches parallèles 5a, Sb et 5c portant chacune deux interrupteurs Si, S2 ou S3 commandés par une unité de commande 9. Les extrémités communes des branches 5a, Sb et 5c constituent deux bornes de sortie 51 et 52 de l'étage abaisseur de tension 5. L'une des bornes 51 est reliée à la borne « - » de la batterie 2 ainsi qu'à une première entrée 10 de l'étage élévateur de tension 6. L'autre borne 52 est connectée à une première borne 71 de la machine électrique 7 dont l'autre borne 72 est connectée à une seconde entrée 11 de l'étage élévateur de tension 6. L'étage élévateur de tension 6 comprend deux interrupteurs S4 et S5 pilotables par l'unité de commande 9 de manière indépendante. Ces deux interrupteurs S4 et S5 sont situés sur une branche reliant la première entrée 10 de l'étage élévateur de tension 6 et la borne « + » de la batterie 2. La seconde entrée 11 de l'étage élévateur de tension 6, à laquelle est connectée la machine électrique 7, est connectée entre les deux interrupteurs S4 et S5, l'interrupteur S3 étant couplé entre la seconde entrée 11 et la borne « + » de la batterie 2, et l'interrupteur S5 étant couplé entre la première entrée 10 et la seconde entrée 11. L'unité de commande 9 permet de commander les rapports cycliques de hachage des interrupteurs Si à S3 de l'étage abaisseur de tension 5 d'une part, et les interrupteurs S4 et S5 de l'étage élévateur de tension 6. L'étage abaisseur de tension 5 est responsable de la régulation de la puissance qui rentre dans le dispositif, ainsi que de la régulation du facteur de puissance (la phasage du courant à la tension). L'étage élévateur de tension 6 a comme rôle de garder le courant neutre le plus constant possible. Les sorties de la régulation sont des rapports cycliques de hachage des interrupteurs Si à S3 qui peuvent être des transistors bipolaires à grille isolé (IGBT en anglais pour Insulated Gate Bipolar Transistor). Ce rapport cyclique est appliqué au travers d'une modulation de largeur d'impulsion (PWM en anglais pour Pulse Width Modulation) pour des IGBT qui commutent, par exemple à 10kHz (d'autres fréquences peuvent être utilisées). Si un rapport de 30% est envoyé, par exemple, sur la période de 100 1.1S, l'IGBT restera fermé 1.1S et ouvert 70 1.1S. L'unité de commande 9 permet ainsi de réguler le courant envoyé à la batterie 2 qui sera relativement constant. Le dispositif 1 de charge comprend également des moyens de 30 diagnostic 12 embarqués sur le véhicule automobile et aptes à déterminer l'état de vieillissement de la batterie 2 lors d'une charge de celle-ci. Les moyens de diagnostic 12 comprennent des moyens de modulation 13 couplés à l'unité de commande 9. Les moyens de modulation 13 délivrent un signal de modulation à l'unité de commande 9 de manière à modifier la commande des rapports cycliques de hachage de l'étage élévateur de tension 6 et ainsi délivrer à la batterie 2 un courant Ibatt comprenant une harmonique à une fréquence de diagnostic (par exemple 1Hz ou 1 kHz). Pour réaliser la spectroscopie d'impédance, les moyens de diagnostic 12 comprennent des moyens de mesure 14 des tensions Vceh des cellules de la batterie 2, des moyens de mesure 15 du courant de charge délivré à la batterie, et des moyens de traitement 16 déterminant le module et la phase de l'impédance des cellules pour chaque mesure de tension. Les moyens de traitement 15 permettent également de déterminer un modèle de réponse dynamique de la batterie et/ou des cellules 2 à partir des valeurs de module et de phase de l'impédance de la batterie et/ou des cellules 2 déterminées pour différentes valeurs de fréquence de diagnostic. Le modèle de réponse dynamique de la batterie et/ou des cellules 2 est réalisé à partir de l'analyse de l'impédance de la batterie 2, sur une plage fréquentielle donnée. Les paramètres du modèle de réponse dynamique de la batterie 2, c'est-à-dire du modèle de la dynamique des cellules électrochimiques, sont obtenus par un processus d'identification à partir des donnes fréquentielles. Les moyens de diagnostic 12 comprennent également des moyens de comparaison 17 aptes à comparer le modèle de réponse dynamique déterminé à un modèle de référence représentatif de la dynamique des cellules de la batterie en début de vie pour déterminer l'état de vieillissement de la batterie et aptes à mettre à jour le modèle de référence à partir du modèle de réponse dynamique déterminé. Le modèle de réponse dynamique déterminé au modèle identifié par spectroscopie d'impédance au moyen du dispositif 1. En comparant le modèle de réponse dynamique déterminé pour un instant donné de la vie de la batterie, au modèle représentatif de la dynamique des cellules de la batterie en début de vie, on déduit l'état de vieillissement de la batterie audit instant donné de la vie de la batterie. De plus, ces paramètres identifiés permettent de mettre à jour le modèle utilisé par le système de gestion de la batterie en remplaçant les anciennes valeurs des paramètres du modèle utilisé par le système de gestion de la batterie par les nouveaux paramètres identifiés. La figure 2 présente un organigramme d'un procédé de charge comprenant un diagnostic de l'état de vieillissement de la batterie 2 selon un mode de mise en oeuvre. Dans une première étape 210, on couple le dispositif 1 de charge de la batterie 2 à un réseau d'alimentation 3 triphasé ou continu, de manière à charger la batterie 2. Déterminer l'état de vieillissement de la batterie 2 alors que la batterie 2 est en charge permet de réaliser le diagnostic pour des états de charge différents, et ainsi d'observer le comportement dynamique des cellules électrochimiques pour différents niveaux de charge. Dans une étape suivante 220, on module les rapports cycliques de hachage de l'étage élévateur de tension 6 de manière à délivrer un courant de charge 'bau à la batterie 2 comprenant une composante fréquentielle à une fréquence donnée. On peut utiliser le dispositif 1 de charge illustré sur la figure 1, embarqué dans le véhicule automobile, pour émettre les harmoniques de courant. Dans une étape 230, on mesure les tensions Vceu aux bornes des cellules de la batterie 2 en réponse au courant délivré comprenant la composante fréquentielle, et on mesure le courant de charge délivré han à la batterie 2. Dans une étape 240, on détermine à partir de la mesure de tension et de la mesure de courant pour la fréquence donnée, le module et la phase de l'impédance de la batterie 2. Dans une étape 250, on détermine un modèle de réponse dynamique de la batterie 2 à partir des valeurs de module et de phase de l'impédance de la batterie pour différentes valeurs de fréquence de diagnostic en répétant les étapes 220 à 240. Le diagnostic étant réalisé lors de la charge de la batterie 2, il existe une composante continue dans la mesure de courant. L'influence de cette composante continue est corrigée lors de la détermination du modèle de réponse dynamique de la batterie 2. On détermine, dans une étape 260, l'état de vieillissement de la batterie 2 à partir d'une comparaison du modèle de réponse dynamique déterminé à un modèle de référence. Enfin, dans une étape 270, on met à jour le modèle de référence à partir du modèle dynamique déterminé. Bien qu'il implique la génération de perturbations dans le courant de charge de la batterie 2, le diagnostic de l'état de vieillissement de la batterie 2 n'a que peu d'influence sur la charge. Le rendement n'est dégradé que pendant une courte période. L'invention permet ainsi de fournir un système de diagnostic de l'état de vieillissement de la batterie 2 d'un véhicule automobile améliorant la précision de l'estimation de l'état de vieillissement. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de charge d'une batterie (2) d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique à partir d'un réseau d'alimentation (3), comprenant un étage élévateur de tension (6) destiné à être raccordé à la batterie (2) d'une part et au réseau d'alimentation (3) d'autre part via un étage abaisseur de tension (5), et des moyens de commande (9) aptes à imposer des rapports cycliques de hachage à l'étage abaisseur de tension (5) et à l'étage élévateur de tension (6), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de diagnostic (12) aptes à déterminer l'état de vieillissement de la batterie (2) lors d'une charge de la batterie (2). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de diagnostic (12) comprennent des moyens de modulation (13) aptes à moduler la commande des rapports cycliques de hachage de manière à délivrer à la batterie (2) un courant (Ibatt) comprenant une harmonique à une fréquence de diagnostic. 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens de diagnostic (12) comprennent des moyens de mesure (14) de la tension (Vbatt) aux bornes de la batterie (2), des moyens de mesure (15) du courant de charge délivré à la batterie (2), et des moyens de traitement (16) aptes à déterminer un modèle de réponse dynamique de la batterie (2) à partir des valeurs de module et de phase de l'impédance de la batterie (2) déterminées à partir des mesures de tension aux bornes de la batterie (2) et des mesures de courant pour différentes valeurs de fréquence de diagnostic. 4. Dispositif (1) selon la revendication 3, dans lequel les moyens de diagnostic (12) comprennent des moyens de comparaison (17) aptes à comparer le modèle de réponse dynamique à un modèle de référence pour déterminer l'état de vieillissement de la batterie (2). 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le réseau d'alimentation (3) est un réseau d'alimentation triphasé ou continu. 6. Procédé de charge d'une batterie (2) d'un véhicule automobile à partir d'un réseau d'alimentation (3), comprenant une commande des rapports cycliques de hachage d'un étage abaisseur de tension (5) couplé au réseau d'alimentation (3) et d'un étage élévateur de tension (6) couplé à la batterie (2) d'une part et à l'étage abaisseur de tension (5) d'autre part, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de détermination l'état de vieillissement de la batterie (2) lors de la charge de ladite batterie (2). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, pour déterminer l'état de vieillissement, un courant de charge (Ibatt) de la batterie (2) comprenant une composante fréquentielle à une fréquence de diagnostic est généré à partir d'une modulation de la commande des rapports cycliques de hachage de l'étage élévateur de tension (6). 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel, pour déterminer l'état de vieillissement, les tensions (Vceii) aux bornes des cellules de la batterie (2) et le courant (Ibatt) de charge délivré à la batterie sont mesurés, et un modèle de réponse dynamique de la batterie (2) est déterminé à partir des valeurs de module et de phase de l'impédance des cellules de la batterie (2) déterminées à partir des mesures de tension (Vbatt) et de courant (hait) pour différentes valeurs de fréquence de diagnostic. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel, pour déterminer l'état de vieillissement, le modèle de réponse dynamique est comparé à un modèle de référence. 10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le réseau d'alimentation (3) est un réseau d'alimentation triphasé ou continu.