Brevet FR3013151A1 — publié le 20150515

Procédé de gestion de la puissance disponible d'une batterie DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de gestion de la puissance disponible d'une batterie. Plus particulièrement, il s'agit d'un procédé de gestion de la puissance disponible d'une batterie de traction pour véhicule électrique. L'invention concerne également un dispositif de gestion de la puissance disponible d'une batterie, une batterie, une batterie de traction pour véhicule électrique et un véhicule électrique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive avec les batteries de traction pour véhicule électrique et les véhicules électriques. Cette invention peut s'appliquer quel que soit le type de batterie (LMO, LFP, NMC, mélanges, LTO, etc.) et s'étend de manière non exclusive aux batteries de véhicules électriques, de véhicules hybrides classiques, ou de véhicules hybrides « plug-in » selon la terminologie anglo-saxonne dont les batteries peuvent être chargées par branchement à une source d'énergie extérieure. Etat de la technique Il est connu qu'une batterie fournit de la puissance et de l'énergie à l'équipement électrique qui lui est associé. En fonction de son état de charge, de sa température, de son vieillissement, les performances de la batterie peuvent varier fortement pendant son utilisation. Classiquement, un calculateur intégré et dédié à cette batterie, agissant notamment comme dispositif de gestion la puissance disponible de la batterie, contrôle ces informations. Dans ce contexte, la principale fonction du dispositif de gestion de la puissance disponible de la batterie, est de transmettre à d'autres calculateurs des informations sur l'état de la batterie afin de permettre une utilisation de la batterie au maximum de ses capacités, tout en restant dans sa plage de fonctionnement nominale. Généralement, le dispositif de gestion de la puissance disponible de la batterie va mesurer et/ou calculer, à chaque instant : - la température en différents points de la batterie, - le courant et la tension totale de la 20 batterie, - la tension de chaque cellule de la batterie, - l'état de charge de la batterie, - l'état de santé de la batterie, - l'énergie disponible restante en décharge, la 25 puissance disponible en décharge, - la puissance disponible en freinage récupératif (dans le cas d'une batterie de traction). Dans le cas des batteries équipant des véhicules électriques ou des véhicules hybrides, le dispositif de 30 gestion de la puissance disponible de la batterie calcule également la puissance disponible en charge. Toute batterie se dégrade au cours du temps, c'est-à-dire que sa capacité totale diminue régulièrement au cours du temps, principalement pour deux raisons : - la dégradation calendaire liée au temps 5 d'utilisation de la batterie aux différents états de charge de la batterie (entre 0 et 100%) et aux températures à laquelle elle a été soumise, - la dégradation liée au cyclage de la batterie (c'est-à-dire l'enchaînement de cycles de charges et de 10 cycles de décharge), liée à l'énergie déjà déchargée par la batterie. De manière générale, la dégradation est d'autant plus importante que la température de la batterie est élevée, comme illustré par la figure 2. 15 Il est connu qu'une température élevée pour une batterie est un problème pour deux raisons. D'abord, à très haute température, des mécanismes de dégradation irréversibles peuvent apparaître aboutissant un incident thermique (dégradation de l'interphase solide- 20 électrolyte, fusion du séparateur, etc.). Enfin, la perte de capacité naturelle des cellules de la batterie augmente avec la température de manière analogue à la vitesse d'une réaction chimique qui augmente avec la température suivant la loi d'Arrhenius (voir figure 1). 25 Une haute température peut donc aboutir à une dégradation de la batterie et une perte d'autonomie prématurée dans le cas où cette batterie est une batterie de traction équipant un véhicule électrique ou hybride. Dans tous les cas, la diminution progressive de la capacité de la 30 batterie est inévitable. L'enjeu consiste donc à limiter la vitesse de dégradation de la batterie, et en particulier de sa capacité, en faisant en sorte que la batterie passe le moins de temps possible dans ces conditions de dégradation accélérées. Ainsi, dans le domaine, on connaît des procédés de gestion de la puissance disponible d'une batterie. Ces 5 procédés comportent les étapes suivantes : a) mesurer une température en un point de la batterie (plus précisément en un point de la batterie connu de l'homme du métier pour être un point chaud) b) réduire la puissance de la batterie dès que 10 la température en un point de la batterie est supérieure à une température seuil. Un tel exemple est divulgué dans CA2564608. Ce document décrit une logique d'arrêt de la charge et/ou de la décharge dès que la température en un point de la 15 batterie dépasse une température seuil. Cette température seuil ne varie pas en fonction de l'état de charge de la batterie ; une seule valeur de température seuil est déterminée. Il a été constaté que l'invention décrite dans 20 CA2564608 présente des inconvénients majeurs. D'abord, il n'y a qu'une température seuil, quel que soit l'état de charge la batterie, ce qui oblige à adopter une température seuil dans laquelle la situation est la plus défavorable, à savoir choisir la température seuil la 25 plus basse quel que soit l'état de charge de la batterie. Dans certaines situations, la puissance de la batterie est réduite alors que la température seuil n'a pas été atteinte. La batterie n'est donc pas encore dégradée. Il en résulte une réduction inutile de la puissance de la 30 batterie pouvant être perçue négativement par un client. A titre d'exemple, le conducteur d'un véhicule électrique a une puissance de traction moindre. Enfin, lorsque la température de la batterie dépasse la température seuil, la puissance de la batterie devient nulle ce qui peut être très gênant pour l'équipement électrique qui lui est associé. Dans le cas d'un véhicule électrique, cela se traduit par l'arrêt de la motorisation du véhicule. Objet de l'invention Au cours de sa vie, la batterie peut être confrontée des conditions d'utilisation très différentes, par exemple relatives à la température ambiante (climat, saisons, parking extérieur ou intérieur), à la performance du système de refroidissement, ou au profil de puissance subi par la batterie (décharge et charge) causant une montée en température par effet Joule. Dans ce contexte, un problème ici posé est d'optimiser la puissance disponible de la batterie tout en empêchant la batterie de subir des conditions de dégradation accélérées, lors de son fonctionnement. En particulier, un des objectifs ici visé est d'optimiser la puissance disponible de la batterie en considérant des paramètres tels que la température de batterie et la température seuil dégradant la batterie - la batterie pouvant être en décharge, charge ou freinage récupératif. Un premier objet de la présente invention est qu'une première température seuil varie en fonction de l'état de charge de la batterie. Avantageusement, cela permet d'utiliser la batterie à un niveau de puissance maximale sur une plage de température plus élevée. En effet, la réduction de la puissance de la batterie pourra avoir lieu plus tard, par exemple lors de la décharge de la batterie. Finalement, il y a moins de situations dans lesquelles la puissance de la batterie nécessiterait d'être réduite. A cause de l'effet Joule, la température de la batterie va augmenter au fur et à mesure de la décharge correspondant à une diminution de l'état de charge de la batterie. Comme on peut le voir sur la figure 7, lors de la diminution de l'état de charge de la batterie, la première température seuil Ti augmente ; la première température seuil T1 correspondant à une température à laquelle la batterie peut se dégrader. Il est donc permis de monter la batterie en température ce qui peut permettre dans certaines situations de ne pas dépasser la première température et de ne pas réduire la puissance de la batterie. Dans un deuxième mode de réalisation, durant l'étape où la puissance de la batterie est réduite dès que la température en un point de la batterie est supérieure à la première température seuil, la puissance de la batterie diminue progressivement lors d'une montée en température entre ladite première température et une deuxième température seuil au-dessus de laquelle la puissance de la batterie devient nulle et au-dessus de laquelle la batterie est dégradée. La réduction progressive de la puissance de la batterie entre les première et deuxième températures seuil permet de réduire la puissance de la batterie au strict nécessaire afin que l'équipement électrique qui lui est associée puisse continuer à fonctionner. Favorablement cela permet d'utiliser la batterie à un niveau de puissance maximale sur une plage de température plus élevée. Selon un autre mode de réalisation, la puissance de la batterie diminue linéairement lors de la montée en température entre ladite première température seuil et la deuxième température seuil. Avantageusement, cela permet d'éviter les effets de seuil et d'adapter la puissance réduite à la température comprise entre les première et deuxième températures seuil. Dans un autre mode de réalisation, le procédé 10 comporte en outre l'étape consistant à refroidir la batterie au moyen d'un système de refroidissement fonctionnant à partir d'un troisième seuil de température qui varie en fonction de l'état de charge de la batterie. Le principal défaut de tout système de 15 refroidissement est qu'il est consommateur en énergie. Dans le cas d'un véhicule électrique (équipé) mettant en oeuvre un tel procédé, son fonctionnement se traduit donc : - par une perte d'autonomie de la batterie s'il 20 a lieu en roulage, - par une augmentation du temps de charge s'il a lieu en charge. Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte en outre l'étape : 25 - modifier un débit d'air dudit système de refroidissement à partir d'un quatrième seuil de température qui varie en fonction de l'état de charge de la batterie. Plus le débit d'air est élevée, plus le système 30 de refroidissement consomme de l'énergie et réduit l'autonomie de la batterie, l'invention peut donc permettre d'augmenter l'autonomie de la batterie tout en fournissant un débit d'air adapté pour réduire la température de la batterie. D'autre part, cela permet de réduire le bruit relatif à un débit d'air relativement plus important. Dans un autre mode de réalisation : - en dessous du troisième seuil de température, le système de refroidissement ne fonctionne pas, - entre le troisième seuil de température et le quatrième seuil de température, le système de refroidissement fonctionne avec un premier débit, - au-dessus du quatrième seuil de température, le système de refroidissement fonctionne avec un deuxième débit plus grand que ledit premier débit. Dans un autre mode de réalisation, l'étape où la puissance de la batterie est réduite dès que la température en un point de la batterie est supérieure à la première température seuil peut avoir lieu indifféremment quand la batterie est en état de charge, décharge, ou freinage récupératif. Dans un autre mode de réalisation, la correspondance entre l'état de charge de la batterie et la première température seuil est prédéterminée, préférentiellement dans une table de valeur. Suivant un deuxième objet, est également visé un 25 dispositif de gestion de la puissance disponible d'une batterie mettant en oeuvre l'un quelconque des modes de réalisation du procédé présentés ci-avant. Suivant un troisième objet, est également visée une batterie équipée du dispositif introduit ci-avant. 30 Suivant un quatrième objet, est également visée une batterie de traction pour véhicule électrique équipée du dispositif introduit ci-avant. Suivant un cinquième objet, est également visé un véhicule électrique mettant en oeuvre l'un quelconque des modes de réalisation du procédé présentés ci-avant. Brève description des figures La figure 1 montre une courbe représentant l'évolution de la vitesse d'une réaction chimique en fonction de la température. La figure 2 montre une courbe représentant l'évolution du coefficient de dégradation d'une batterie en fonction de la température. La figure 3 montre un graphique représentant un exemple d'évolution du coefficient de dégradation en fonction de l'état de la charge ; pour un coefficient de dégradation prédéterminée elle montre à quelles températures la batterie peut se dégrader en fonction de son état de charge. La figure 4 montre un graphique représentant un exemple d'évolution des températures seuils (avant que la batterie ne soit dans une zone de dégradation accélérée) en fonction de l'état de charge de la batterie. La figure 5 montre un exemple d'évolution des première et deuxième températures seuils en fonction de l'état de charge de la batterie. Elle montre également une dernière courbe relative à la température seuil, théorique, et correspondant aux températures seuils présentées aux figures 3 et 4. La figure 6 montre le déclenchement de la diminution de la puissance de la batterie en fonction des 30 première et deuxième températures seuils, selon que l'état de charge de la batterie est de 50% ou de 100%. La figure 7 montre un exemple d'évolution que peut avoir la température d'une batterie en fonction de son état de charge ; la figure 7 montre également l'évolution des première et deuxième températures seuil en fonction de l'état de charge. La figure 8 montre un exemple d'évolution que peut avoir la température et l'état de charge de la batterie, pendant un cyclage où la batterie présente un état de charge initial de 100 %. La figure 8 bis montre un premier graphique illustrant l'évolution de la première température seuil et de la deuxième température seuil en fonction du temps ; elle montre également un deuxième graphique illustrant l'évolution de l'état de charge au cours du temps. Ces premier et deuxième graphique illustrent notamment l'évolution du comportement des températures et de l'état de charge en fonction du mode d'énergie utilisé (100% électrique ou hybride). La figure 9 montre un exemple d'évolution de la troisième température seuil déclenchant le système de refroidissement en fonction de l'état de charge ; la figure 9 montre également l'évolution des première et deuxième températures seuil en fonction de l'état de charge. Justification théorique Comme on peut le voir sur la figure 2, toute batterie se dégrade au cours du temps, c'est-à-dire que sa capacité totale diminue régulièrement au cours du temps. Par ailleurs, il a été constaté que la dégradation est une fonction globalement croissante de l'état de charge SOC (« State Of Charge » selon la terminologie anglo-saxonne). Dans les exemples représentés sur la figure 3, on peut constater que l'état de charge SOC de la batterie influence le coefficient de dégradation de la batterie. En effet, on peut voir que pour des états de charge respectifs de 0% (SOCO), 30% (SOC30), 50% (S0050) et 100% (SOC100), les coefficients de dégradation de la batterie sont équivalents lorsque la batterie atteint respectivement des températures 55°C, 45°C, 35°C et 25°C. La figure 4 met en évidence l'influence de l'état 10 de la charge SOC de la batterie sur les valeurs de températures seuils à partir desquelles la batterie peut être endommagée. On voit par exemple que plus l'état de charge est faible et plus la température seuil est élevée. 15 Description d'exemples de réalisation de l'invention Selon l'invention, le procédé comporte les étapes 20 suivantes : a) mesurer la température Tbatt en un point de la batterie, b) réduire la puissance de la batterie dès que la température Tbatt en un point de la batterie est 25 supérieure à une première température seuil I. La première température seuil T1 varie en fonction de l'état de charge SOC de la batterie suivant une relation T1 = fl (SOC). La première température seuil T1 est la température en dessous de laquelle la puissance 30 P de la batterie est maximale. Dans un mode de réalisation, durant l'étape b), une puissance P de la batterie diminue progressivement lors d'une montée en température entre ladite première température seuil T1 et une deuxième température seuil 12 au-dessus de laquelle la puissance de la batterie devient nulle et au-dessus de laquelle la batterie est dégradée. Dans un autre mode de réalisation, la puissance P de la batterie diminue linéairement lors de la montée en température entre ladite première température seuil T1 et la deuxième température seuil 12 (T2 > Tl). Dans tous les cas, à partir de la température seuil 12 qui dépend de l'état de charge SOC de la batterie, la puissance disponible de la batterie devient nulle afin d'abaisser la température de la batterie et de prévenir des dommages pouvant être engendrés à la batterie. Préférentiellement, la deuxième température seuil 12 varie en fonction de l'état de charge SOC de la batterie suivant une relation 12 = f2 (SOC). Sur la figure 5, on constate que chacune des courbes T1 = fl (SOC) et 12 = f2 (SOC) sont en-dessous d'une troisième courbe T3 qui correspond aux valeurs théoriques des températures au-dessus desquelles la perte de capacité naturelle de la batterie devient trop importante. La différence entre 12 = f2 (SOC) et T3 correspond à une marge (ou coefficient de sécurité) qui est prise dans le procédé afin d'écarter les incertitudes relatives à : - la précision des capteurs de température mesurant la température Tbatt en un point de la batterie, - la capacité des capteurs de température à mesurer la température du point le plus chaud à l'intérieur de la batterie (problématique de positionnement du capteur). Ainsi, si la température Tbatt mesurée par les capteurs de température présents dans la batterie est inférieure à 12, alors il est garanti que la température effective de chaque cellule de la batterie est inférieure à la valeur théorique T3 à ne pas dépasser. Sur la figure 6, on constate que la limitation de puissance à haute température commencera à une température T1 moindre si l'état de charge de la batterie est à 100% (SOC100) que si la batterie est à un état de charge de 50% (50050). Sur la figure 7, est mis en évidence que la dépendance des températures Ti et/ou T2 à l'état de charge de la batterie peut permettre, lors de la décharge de la batterie de suivre une courbe « Discharge Profile » selon la terminologie anglo-saxonne qui est strictement en dessous de Tl, au juste nécessaire. Comme le montre la courbe « Discharge Profile », à cause de l'effet Joule, la température mesurée Tbatt de la batterie va augmenter au fur et à mesure que la batterie se décharge. Durant la décharge de la batterie, l'état de charge SOC de la batterie diminue et grâce à l'invention, la température Ti est diminuée en la faisant dépendre de l'état de charge ; cette disposition permet donc avantageusement d'utiliser pleinement la puissance de l'équipement électrique branché à la batterie tout en préservant la batterie de dégradations. Figures 8 et 8bis, pendant le fonctionnement en 30 mode EV (100% électrique), d'une part l'état de charge SOC de la batterie diminue et d'autre part la température de la batterie augmente par effet Joule. Lors du passage en mode HEV (Hybride), l'état de charge SOC de la batterie oscille autour d'un niveau de référence (Reference SOC). Parallèlement à cela, la température de la batterie augmente moins vite (voire se 5 stabilise) car la puissance demandée à la batterie est relativement plus faible qu'en mode EV (100% électrique). La figure 8 montre également l'évolution de la première température seuil et de la deuxième température seuil en fonction de l'état de charge SOC. Comme l'état 10 de charge SOC diminue, la température seuil augmente. Du coup, on n'entre pas en limitation de puissance pour des raisons thermiques («derating thermique»). Dans une variante, le procédé de gestion comporte en outre l'étape : 15 c) refroidir la batterie au moyen d'un système de refroidissement fonctionnant à partir d'un troisième seuil de température Tcooling qui varie en fonction de l'état de charge SOC de la batterie suivant une relation Tcooling = fCooling (SOC) . 20 Figure 9, est mis en évidence que la dépendance d'une troisième température seuil Tcooling à l'état de charge de la batterie, peut permettre, lors de la décharge, charge ou freinage récupératif, de suivre une courbe qui s'adapte à l'évolution de la première 25 température seuil T1. Le système de refroidissement étant consommateur en énergie et en puissance, cela permet d'ajuster la température Tcooling aux besoins de refroidissement de la batterie en fonction de son état de charge. 30 Sur la figure 9, est représentée la troisième température seuil Tcooling strictement inférieure à la première température seuil T1. Cela peut permettre de refroidir la batterie avant que la température de la batterie Tbatt ne soit supérieure à TI, déclenchant la réduction de la puissance P de la batterie. En variante, on peut également imaginer que la troisième température seuil T'oling- soit supérieure ou 5 égale à la première température seuil I. Cela permet de refroidir la batterie après que la température de la batterie Tbatt soit supérieure à TI, déclenchant le système de refroidissement plus tard que dans la variante présentée ci-avant ; cette variante peut permettre 10 d'économiser de l'autonomie en roulage et du temps lorsque la batterie est en charge. L'homme du métier pourra adapter son choix en fonction de la puissance délivrée par le système de refroidissement et la puissance diminuée de la batterie 15 lorsque la température Tbatt est supérieure à TI. Dans un autre mode de réalisation, le procédé comporte en outre l'étape : d) modifier le débit d'air dudit système de refroidissement à partir d'un quatrième seuil de 20 température TcoolingDebit qui varie en fonction de l'état de charge SOC suivant une relation T'oling = f -CoolingDebit (SOC). En combinant des modes de réalisation ci-avant présentés, est également visé : - en dessous du troisième seuil de température le système de refroidissement ne fonctionne pas, - entre le troisième seuil de température Tcooling et le quatrième seuil de température TCoolingDebit r le système de refroidissement fonctionne avec un premier débit, 30 - au-dessus du quatrième seuil de température TCoolingDebit r le système de refroidissement fonctionne avec 25 Tcoolingr un deuxième débit plus grand que ledit premier débit. En variante, l'étape b) du procédé présentée, peut avoir lieu quand la batterie est en état de charge, décharge, ou freinage récupératif. Par ailleurs, la correspondance entre l'état de charge SOC de la batterie et la première température seuil T1 est prédéterminé, préférentiellement dans une table de valeur. Est également visé un dispositif de gestion de la puissance disponible d'une batterie mettant en oeuvre l'un quelconque des procédés présentés ci-avant, une batterie équipée de ce dispositif de gestion de la puissance disponible d'une batterie, une batterie de traction pour véhicule électrique équipé de ce dispositif de gestion de la puissance disponible d'une batterie et une véhicule électrique mettant en oeuvre l'un quelconque des procédés gestion de la puissance disponible d'une batterie présentés ci-avant. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'une puissance disponible en décharge ou admissible en charge d'une batterie, le 5 procédé comportant les étapes suivantes : a) mesurer une température (Tbatt) en un point de la batterie, b) réduire la puissance de la batterie dès que la température (Tbatt) en ledit point est supérieure à une 10 première température seuil (T1), ledit procédé étant caractérisé en ce que ladite première température seuil (T1) varie en fonction de l'état de charge (SOC) de la batterie suivant une relation T1 = fl (SOC). 15 2. Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que, durant l'étape b), la puissance (P) de la batterie est diminuée progressivement lors d'une montée en température entre ladite première 20 température seuil (T1) et une deuxième température seuil (T2) au-dessus de laquelle la puissance de la batterie devient nulle et au-dessus de laquelle la batterie est dégradée. 25 3. Procédé de gestion selon la revendication 2, caractérisé en ce que la puissance (P) de la batterie diminue linéairement lors de la montée en température entre ladite première température seuil (T1) et la deuxième température seuil (T2). 30 4. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape : c) refroidir la batterie au moyen d'un système de refroidissement fonctionnant à partir d'un troisième seuil de température (Tcoonng) qui varie en fonction de l'état de charge (SOC) de la batterie suivant une relation Tcooling= fCooling (SOC). 10 5. Procédé de gestion selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape : d) modifier un débit d'air dudit système de refroidissement à partir d'un quatrième seuil de 15 température (TcoolingDebit) qui varie en fonction de l'état de charge (SOC) suivant une relation T cooling = fCoolingDebit (SOC) . 6. Procédé de gestion selon la revendication 20 précédente, caractérisé en ce que : en dessous du troisième seuil de température (Tcooling), le système de refroidissement ne fonctionne pas, entre le troisième seuil de température 25 (TCooling) et le quatrième seuil de température TcoolingDebit le système de refroidissement fonctionne avec un premier débit, - au-dessus du quatrième seuil de température (TcoolingDebit) le système de refroidissement fonctionne 30 avec un deuxième débit plus grand que ledit premier débit. 7. Procédé de gestion selon l'une quelconques des, revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape b) peut avoir lieu indifféremment quand la batterie est en état de charge, décharge, ou freinage récupératif. 8. Procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la correspondance entre l'état de charge (SOC) de la batterie et la première température seuil (T1) est prédéterminé, préférentiellement dans une table de valeur. 9. Dispositif de gestion de la puissance disponible décharge ou admissible en charge d'une batterie, le dispositif comprenant un calculateur et des capteurs de température, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il met en oeuvre l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Batterie caractérisée en ce qu'elle est équipée du dispositif selon la revendication 9. 11. Batterie de traction pour véhicule électrique 25 caractérisée en ce qu'elle est équipée du dispositif selon la revendication 9.