Brevet FR3080459A1 — publié le 20191025

PROCEDE D'ESTIMATION D'UN ETAT DE CHARGE D'UNE BATTERIE ELECTRIQUE L'invention se rapporte à un procédé d'estimation d'un état de charge d'une batterie électrique. Un tel procédé trouve pleinement sa justification dans un véhicule automobile comportant une telle batterie électrique, et pour lequel l'état de charge de ladite batterie va notamment se traduire par une autonomie de roulage. Même si les procédés d'estimation de l'état de charge d'une batterie actuellement mis en oeuvre donnent généralement de bons résultats sur une large plage d'états de charge de la batterie, ils demeurent assez imprécis par exemple pour estimer les états de charge faibles. Cette mauvaise estimation est due principalement à un comportement différent de la batterie à ces faibles états de charge, par rapport au comportement de celle-ci à des états de charge plus élevés. La demande FR3029315 divulgue un procédé d'estimation de l'état de charge d'une cellule de batterie électrique, au moyen d'un filtre de Kalman modélisant ladite cellule comme une source de tension et n circuits RC parallèles, connectés en série. Or, l'inconvénient d'un tel procédé est qu'il nécessite une forte charge CPU (de l'anglais Central Processing Unit) et un espace mémoire étendu. Un procédé selon l'invention, permet d'estimer avec précision l'état de 20 charge d'une cellule de batterie, y compris un faible état de charge de ladite cellule, en s'affranchissant des inconvénients relevés dans l'état de la technique. Il est à préciser que les termes « état de charge » et « SOC » (de l'anglais State Of Charge) sont équivalents. 25 L'invention a pour objet un procédé d'estimation d'un paramètre physique d'une cellule électro-chimique de stockage d'énergie comportant une étape d'estimation dudit paramètre par un observateur d'état modélisant la cellule comme une source de tension et n circuits RC parallèles connectés en série, où n est un entier supérieur ou égal à 1. 2 La principale caractéristique technique d'un procédé selon l'invention est qu'il comporte une étape de correction de ladite estimation incluant la prise en compte dans l'observateur d'un terme correctif en tension, ledit terme correspondant à au moins un (n+1)ème circuit RC parallèle connecté en série 5 avec la source de tension. Pour rappel, un circuit RC est un circuit comprenant une résistance R et une capacité C montées en parallèle. Si le paramètre à estimer se retrouve dans la plage de valeurs prédéfinie, pour laquelle l'estimation dudit paramètre risque d'être critique ou erronée, un procédé d'estimation selon l'invention propose d'introduire un terme correctif à cette 10 estimation, qui vient s'ajouter à la valeur déterminée par l'observateur. Autrement dit, ce terme correctif ne vient pas interférer directement avec les calculs de l'observateur, mais vient plutôt s'ajouter en amont de ceux-ci, de façon indépendante. Un procédé d'estimation selon l'invention peut ainsi considérer n+1 circuits RC, n+2 circuits RC, etc.... Le nombre de circuits RC à 15 prendre en considération, va dépendre de la plage de valeurs prédéfinie dans laquelle se trouve le paramètre physique, et de la nature dudit paramètre physique. A titre d'exemple, ce paramètre physique peut être un état de charge d'une cellule électro-chimique de stockage d'énergie. Un procédé d'estimation selon l'invention est particulièrement mais non exclusivement, adapté à l'estimation d'un état de charge d'une batterie électrique d'un véhicule automobile, afin de connaitre l'autonomie kilométrique dudit véhicule à chaque instant de roulage de celui-ci. Avantageusement, le paramètre physique est un état de charge de la batterie. De façon préférentielle, l'observateur d'état est un filtre de Kalman. Par exemple, la plage prédéfinie est comprise entre 0% et 20%. En effet, l'estimation de l'état de charge d'une cellule électro-chimique peut poser quelques problèmes lorsque cet état de charge est faible, car les phénomènes physiques et électro-chimiques mis en jeu sont différents de ceux rencontrés 30 pour des valeurs supérieures. Avantageusement, si la valeur estimée de l'état de charge est dans la plage prédéfinie, l'étape de correction comprend : - Une étape de calcul de l'au moins un terme correctif en tension, 3 - Une étape d'ajout dudit terme correctif à la tension prise en compte par l'observateur pour réaliser l'estimation ; - Une étape de réestimation de l'état de charge par l'observateur à partir de cette tension corrigée. 5 De façon préférentielle, l'étape d'estimation du SOC est réalisée au moyen d'un comptage d'Ampère-heure. Préférentiellement, lorsque l'observateur est un filtre de Kalman, le terme correctif est donné par la formule : Ts Ts uRc(n+i)(t) - (1 x co2,1)(0)uRc(n+1)(t 1) + , , i(t - 1) R(n+1)(0 L(n+1) lt 10 Où URc(n+i) (t) : tension du (n+1) ème couple RC R(-1±1) : Résistance du (n+1)ème couple RC C(n+i) : Capacitance du (n+1) ème couple RC Ts : temps d'échantillonnage 15 I(t) : intensité de courant à l'instant t Ce terme correctif est général, et correspond au cas où le filtre de Kalman contient n circuits RC. De façon avantageuse, la tension corrigée est donnée par la formule : e = Umeasured(t) URC(n+1)(t) - OCV (SOC (t)) - URci(t) - URc2M - - URcn(t) 20 - Ro(t) x /(t) Où URci (t) est la tension de l'impédance RC, prédite par le filtre de Kalman URc(n+i) (t) est le terme correctif, OCV(SOC(t)) est la tension à vide de la cellule (de l'anglais Open Circuit 25 Voltage) Ro (t) est la résistance I(t) est l'intensité du courant à l'instant t Avantageusement, un procédé d'estimation selon l'invention est mis en oeuvre au moyen d'un calculateur embarqué dans un véhicule et possédant un logiciel adapté, ledit calculateur étant associé à un écran apte à afficher une valeur représentative du paramètre estimé. De cette manière, si le paramètre à estimer était par exemple un état de charge d'une batterie électrique d'un 4 véhicule, le conducteur serait en permanence informé de la valeur de ce paramètre, soit par un affichage direct de la valeur de ce paramètre, soit par un affichage d'un autre paramètre pouvant par exemple être l'autonomie kilométrique restante dudit véhicule. 5 Un procédé d'estimation selon l'invention présente l'avantage d'être facile et rapide à mettre en oeuvre, en utilisant un filtre de Kalman pour l'ensemble des valeurs du paramètre à estimer, et en utilisant ledit filtre de Kalman auquel aura été ajouté un terme correctif pour des plages de valeurs critiques dudit paramètre. Autrement dit, un tel procédé est sûr, fiable et 10 reproductible quelle que soit la valeur du paramètre à estimer. On donne ci-après, une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un procédé d'estimation selon l'invention, en se référant aux figures suivantes : - La figure 1A est un diagramme illustrant un exemple de comparaison 15 entre une variation de référence et une variation estimée au moyen d'un filtre de Kalman comprenant une résistance et un couple RC, de l'état de charge d'une cellule électro-chimique d'une batterie électrique au court du temps, - La figure 1B est un diagramme illustrant un exemple de la variation d'erreur sur l'estimation de l'état de charge au court du temps avec un filtre 20 de Kalman comprenant une résistance et un couple RC, - La figure 2 est un diagramme illustrant un exemple de la comparaison entre une variation de référence et une variation estimée de la tension de l'impédance URC1 au court du temps, - La figure 3 est un diagramme illustrant un exemple de la variation 25 d'erreur sur l'estimation de la tension de l'impédance URci au court du temps avec un procédé de l'état de la technique, - La figure 4 est une vue d'un modèle de comportement de la cellule comprenant un couple RC, une résistance Ro et une source de tension, ce modèle étant utilisé par le filtre de Kalman pour estimer l'état de charge., 30 - La figure 5 est un diagramme simplifié illustrant un procédé d'estimation selon l'invention lorsque l'état de charge est dans une plage prédéfinie, 5 - La figure 6 est un logigramme simplifié illustrant les principales étapes d'un procédé d'estimation selon l'invention, et basé sur un filtre de Kalman comme observateur, - La figure 7 est un logigramme détaillé illustrant les principales étapes 5 d'un procédé d'estimation selon l'invention, - La figure 8 est un diagramme illustrant un exemple de comparaison entre une variation de référence et une variation estimée au moyen d'un procédé selon l'invention, de l'état de charge d'une cellule électro-chimique d'une batterie électrique au court du temps, 10 - La figure 9 est un diagramme illustrant un exemple de la variation d'erreur sur l'estimation de l'état de charge au court du temps avec un procédé selon l'invention, - La figure 10 est un diagramme illustrant un exemple de la comparaison entre une variation de référence et une variation estimée au 15 moyen d'un procédé de l'état de la technique et un procédé selon l'invention, de la tension de l'impédance URc au court du temps, Pour rappel, en se référant à la figure 4, un filtre de Kalman peut être avec deux états, l'état de charge et la tension d'impédance URc, et avec une seule observation, la tension de la batterie. Ce modèle s'appuie sur les 20 équations suivantes : x 1(t) SOC(t) = SOC(t - 1) + Capacité T, URci(t) = (1 Ri(t) x Ci(t))URcl(t - 1) + X 1(t - 1) 25 u(t) = ocv(soc(t)) +Ro(t)/(0+ URcl(t) SOC(t) : état de charge à l'instant t Ts : Temps d'échantillonnage I(t) : l'intensité de courant à l'instant t Capacité : capacité de la cellule 30 URci(t) : tension de l'impédance RC à l'instant t Ri : résistance du couple RC Ci : capacitance du couple RC 6 OCV (SOC(t)) : tension à vide de la cellule (de l'anglais Open Circuit Voltage) Ro : Résistance de la cellule U(t) : tension mesurée de la cellule 5 Le problème est que le filtre de Kalman ne peut pas intégrer les fortes variations de l'état de charge d'une cellule électro-chimique, lorsque cet état de charge est dans une plage de valeurs prédéfinie et correspondant à un faible état de charge. La tension URc peut être calculée à partir de la formule suivante : 10 URC = Umeasured 0 CV 0 Cre f erence) Z x I, Où OCV est la tension du circuit ouvert, Z est l'impédance et I est l'intensité du courant. En se référant à la figure 1A, s'il on considère une décharge complète 15 d'une cellule électro-chimique d'une batterie électrique à courant constant, un procédé existant, sans l'introduction du terme correctif, et permettant d'estimer l'état de charge au cours du temps de ladite cellule, donne des résultats satisfaisants pour des états de charge moyens ou élevés, et donne des résultats approximatifs lorsque lesdits états de charge sont faibles, c'est- 20 à-dire lorsqu'ils sont par exemple compris entre 0 et 15%. En effet la courbe de référence 1 et la courbe 2 représentative de l'estimation de l'état de charge sont confondues jusqu'à 8000s-10000s, puis divergent au-delà pour atteindre 4%-5%. En effet, en se reportant à la figure 1B, l'erreur faite sur l'estimation de 25 l'état de charge demeure faible jusqu'à environ 8000s-10000s (erreur inférieure à 3%), plage temporelle pour laquelle l'état de charge de la cellule est élevé ou moyen, et croît assez significativement au-delà de 10000s pour dépasser 4%, c'est-à-dire lorsque son état de charge est faible. Ces observations sont dues au fait que les procédés existants, 30 permettant d'estimer l'état de charge d'une cellule électro-chimique, sont basés sur un filtre de Kalman et que la cellule a un comportement différent lorsque son état de charge est faible qui n'est pas modélisé dans les équations de filtre de Kalman. 7 En se référant à la figure 2, la variation de la tension aux bornes de l'impédance au cours du temps, a deux phases : l'une qui est linéaire et stable correspondant aux états de charges élevés ou moyens, et l'autre qui est accidentée et qui correspond aux faibles états de charge. Autant la courbe de 5 référence 3 et la courbe représentative 4 de l'estimation de la tension URC sont confondues jusqu'à 14000s-15000s, autant lesdites courbes 3, 4 divergent significativement au-delà de cette période, traduisant une réelle difficulté à estimer la tension URC aux bornes de la cellule électro-chimique pour les faibles états de charge. 10 En se référant à la figure 3, l'erreur faite sur l'estimation de la tension URC aux bornes de la cellule électro-chimique, avec un procédé d'estimation utilisant un filtre de Kalman, est quasiment nulle jusqu'à 14000s-15000s, correspondant aux états de charge élevés ou moyens, et croît brusquement au-delà de 15000s, correspondant aux faibles états de charge de la cellule 15 électro-chimique. En se référant à la figure 5, afin de permettre d'estimer avec précision l'état de charge d'une cellule électro-chimique lorsque cet état de charge est inclus dans une plage prédéfinie pouvant par exemple être comprise entre 0 et 15% (correspondant à de faibles états de charge), un procédé d'estimation 20 selon l'invention met en oeuvre au moins un terme correctif qui est ajouté au filtre de Kalman. De cette manière, si le filtre de Kalman modélise la cellule comme une source de tension et n circuits RC parallèles connectés en série, un procédé d'estimation selon l'invention met en oeuvre une étape de correction de ladite 25 estimation par l'ajout d'un terme de correction en tension calculé en considérant au moins n+1 circuits RC parallèles connectés en série avec la source de tension, si la valeur estimée du paramètre est dans la plage prédéfinie. Il est à préciser que l'on ajoute un terme correctif au calcul de l'innovation de l'observateur pour modéliser un comportement particulier de la 30 cellule qui n'est pas modélisé dans les équations de l'observateur. Il est à préciser que le logigramme de la figure 7 est valable pour un observateur donné, tandis que le logigramme de la figure 6 est focalisé sur un observateur de type filtre de Kalman. 8 Pour la suite de la description, l'observateur sera considéré être un filtre de Kalman. Il s'agit d'un exemple illustratif et non limitatif d'un observateur concerné par un procédé selon l'invention. En se référant aux figures 6 et 7, un procédé d'estimation de l'état de 5 charge d'une cellule électro-chimique selon l'invention comprend les étapes suivantes : - Une étape 10 d'estimation du SOC au moyen d'un comptage d'Ampère-heure, - Une étape 11 d'estimation de la tension aux bornes de la cellule 10 électro-chimique, - Une étape 12 de calcul d'au moins un terme correctif susceptible d'être ajouté au filtre de Kalman, - Une étape de comparaison 13 de la valeur du SOC estimée par le filtre de Kalman, avec une plage de valeurs prédéfinie, 15 Si la valeur du SOC estimée par le filtre de Kalman n'est pas incluse dans une plage de valeurs, par exemple non incluse dans une plage comprise entre 0 et 15%, ou supérieure à la valeur seuil de 15%, la valeur du SOC estimée par le filtre de Kalman sera jugée satisfaisante, Si la valeur du SOC estimée par le filtre de Kalman est incluse dans 20 une plage de valeurs ou est inférieure à une valeur seuil, par exemple, incluse dans une plage comprise entre 0 et 15%, ou inférieure à la valeur seuil de 15%, le terme correctif sera alors ajouté au filtre de Kalman. En se référant à la figure 6, l'estimation de l'état de charge de la cellule électro-chimique au moyen du filtre de Kalman à l'instant t, s'effectue à partir 25 des formules suivantes : T SOC(t) = SOC(t - 1) Csx1(t)apacity (Eq. 1) Ts Ts URci(t) = (1- URC1 Ri(t)xCi(t)) (t - 1) - X 1(t 1) (Eq. 2) ci(t) P0(t)= PSOC(t - 1) + Q1; PURC1(t)= PURC1(t - 1) + Q2 Où 9 Psoc(t) : variance de SOC à l'instant t PuRcl(t) : variance de URC à l'instant t Qi : Variance modélisant l'erreur de l'équation 1 Q2 Variance modélisant l'erreur de l'équation 2 Le calcul du terme correctif s'effectue à partir de la formule suivante : (t - 1) + C2(t) x 1(t -1) URC2(t) = Txs c)u C2 (1- _ R 2 _2 R Où URc2(t) : tension de la tension de l'impédance RC2 R2 : Résistance du 21ème couple RC 10 C2 : Capacitance du 2Ième couple RC Ts : temps d'échantillonnage I(t) : intensité de courant à l'instant t Un tel procédé est piloté par un calculateur embarqué dans le véhicule. Il est itératif durant une phase de roulage du véhicule, afin de renseigner en 15 temps réel et de façon permanente le conducteur sur l'état de charge de sa batterie, ou sur l'autonomie kilométrique restante de son véhicule, ladite autonomie étant liée à cet état de charge. En se référant à la figure 8, on se rend compte que l'estimation du SOC lorsqu'un terme correctif a été ajouté au filtre de Kalman, est satisfaisante 20 pour les faibles valeurs de SOC, comme en témoigne la bonne superposition de la portion de la courbe 5 représentative de la valeur estimée dudit SOC prenant en compte le terme correctif, et la courbe de référence 1 correspondante. En effet, en se reportant à la figure 9, l'erreur faite sur l'estimation de 25 l'état de charge de la cellule électro-chimique redevient faible au-delà de 16000s, correspondant à un état de charge faible. Cette amélioration est essentiellement due à l'ajout du terme correctif au filtre de Kalman. En se référant à la figure 10, la variation de la tension URc aux bornes de la cellule électro-chimique au cours du temps, a deux phases : l'une qui est 30 linéaire et stable correspondant aux états de charges élevés ou moyens, et l'autre qui est accidentée et qui correspond aux faibles états de charge. Autant la courbe de référence 3 et la courbe représentative 4 de l'estimation de la 5 10 tension URC sont confondues jusqu'à 14000s-15000s, autant lesdites courbes 3, 4 divergent significativement au-delà de cette période, traduisant une réelle difficulté à estimer la tension URC aux bornes de la cellule électro-chimique pour les faibles états de charge. Lorsque l'on ajoute le terme correctif au filtre 5 de Kalman, l'estimation de la valeur de la tension URC est satisfaisante pour les faibles valeurs de SOC, comme en témoigne la bonne superposition de la portion de la courbe 6 représentative de la valeur estimée de ladite tension URC, prenant en compte le terme correctif, REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation d'un paramètre physique d'une cellule électrochimique de stockage d'énergie comportant une étape d'estimation (10) dudit paramètre par un observateur d'état modélisant la cellule comme une source 5 de tension et n circuits RC parallèles connectés en série, où n est un entier supérieur ou égal à 1, caractérisé en ce qu'il comporte, si la valeur estimée du paramètre est dans une plage prédéfinie, une étape de correction (12) de ladite estimation incluant la prise en compte dans l'observateur d'un terme correctif en tension, ledit terme correspondant à au moins un (n+1)ème circuit 10 RC parallèle connecté en série avec la source de tension. 2. Procédé d'estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre physique est un état de charge de la batterie. 3. Procédé d'estimation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'observateur d'état est un filtre de Kalman. 15 4. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la plage prédéfinie est comprise entre 0% et 20%. 5. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, si la valeur estimée de l'état de charge est dans la plage prédéfinie, l'étape de correction (12) comprend : 20 - Une étape de calcul de l'au moins un terme correctif en tension, - Une étape d'ajout dudit terme correctif à la tension prise en compte par l'observateur pour réaliser l'estimation ; - Une étape de réestimation de l'état de charge par l'observateur à partir de cette tension corrigée. 25 6. Procédé d'estimation selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape d'estimation de l'état de charge est réalisée au moyen d'un comptage d'Ampère-heure. 7. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lorsque l'observateur est un filtre de Kalman, le terme 30 correctif est donné par la formule : 12 Ts Ts URc(n+1)(t) - (1 R(2+1)(t) X C(l+i)lt\)URC(n+i)(t 1) + c(n+i)(t) X 1(t - 1) Où URc(n+1)(t) : tension du (n+1) ème couple RC R(-1±1) : Résistance du (n+1)ème couple RC C(n+i) : Capacitance du (n+1) ème couple RC Ts : temps d'échantillonnage I(t) : intensité de courant à l'instant t 8. Procédé d'estimation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tension corrigée est donnée par la formule : e = Umeasured(t) + URC(n+1)(t) - OCV (SOC (t)) - URci(t) - URc2(t) - - URcn(t) - Ro(t) X 1(t) OÙ URci (t) est la tension de l'impédance RC, prédite par le filtre de Kalman URc(n+1)(t) est le terme correctif, OCV(SOC(t)) est la tension à vide de la cellule (de l'anglais Open Circuit Voltage) Ro (t) est la résistance I(t) est l'intensité du courant à l'instant t 9. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre au moyen d'un calculateur embarqué dans un véhicule et possédant un logiciel adapté, et en ce que ledit calculateur est associé à un écran apte à afficher une valeur représentative du paramètre estimé.