Brevet FR3098021A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : Procédé pour optimiser la durée de vie d'une batterie [0001] La présente invention concerne un procédé pour optimiser la durée de vie d'une batterie, ainsi qu'un dispositif et un véhicule comportant des moyens pour implémenter un tel procédé. [0002] Depuis un siècle, tous les véhicules automobiles sont équipés d'une batterie de servitude au plomb, notamment pour démarrer le moteur thermique. Les avancées technologiques et les contraintes réglementaires imposent de plus en plus le remplacement de ces batteries au plomb par des systèmes alternatifs. Cependant, cc remplacement n'est pas simple à opérer car les batteries plomb ont des caractéristiques techniques spécifiques et un coût limité. Entre autres, les deux qualités fondamentales que sont la puissance à froid et la réserve d'énergie, cette dernière compensant les courants en veille (ou « courant off » selon la terminologie anglo-saxonne) lorsque le véhicule est en parking longue durée. Il va de soi que cette aptitude à démarrer à froid doit être garantie après un parking prolongé c'est-à-dire après une décharge partielle de la batterie. Très classiquement, une batterie au plomb peut parfaitement démarrer un moteur à -20°C ou -30°C après une durée de parking de I ou 2 mois. Son état de charge (ou SOC selon l'acronyme anglo-saxon pour « State Of Charge ») est encore supérieur à 60% et 20 à 30% de sa capacité a été déchargée par les « courants off ». [0003] En outre, une batterie plomb résiste bien aux conditions difficiles d'un sous-capot moteur où la température peut atteindre 80°C et où la batterie peut rester plusieurs heures par jour à plus de 60°C. Cet environnement « chaud » a un impact non négligeable sur son vieillissement. Cependant son faible coût permet de la changer régulièrement (tous les 5 ans en moyenne en Europe) comme toutes pièces d'usure du véhicule. Par ailleurs, le taux de recyclabilité d'une batterie plomb est très élevé (>95%) et elle peut être reconvertie en batteries neuves. [0004] Il est important de comprendre que cette aptitude à résister à la température permet de la placer proche du moteur et donc de l'alternateur et du démarreur. De fait, les câbles sont courts et les pertes résistives faibles. [0005] Remplacer la batterie au plomb par une batterie Lithium suppose également de la placer proche du moteur et donc dans une zone chaude. Cependant il y a là trois inconvénients majeurs. [0006] Tout d'abord, le coût d'une batterie au lithium (ou technologie LIB dans la présente demande) n'a rien à voir avec celui d'une batterie au plomb (ou technologie LAB dans la présente demande), il existe au moins un facteur de coût égal à 5 entre ces deux 2 technologies. Il n'est donc plus question de la changer aussi souvent, ce ne serait pas supportable par les clients, il faut que sa durée de vie soit au moins de 10 ans et idéalement de 15 ans, soit la durée de vie d'une automobile aujourd'hui. Il faut également prendre en compte la difficulté et le coût élevé du recyclage des LIB, à l'inverse du plomb. De plus, du point de vue de la protection de l'environnement, il est intéressant que ces batteries durent longtemps. [0007] De plus, la dégradation d'une LIB, que ce soit en capacité ou en puissance (résistance interne), est accélérée de façon exponentielle par l'augmentation de sa température. Cette usure est évidemment très dépendante de la technologie d'anode utilisée : les oxydes de titanatc de lithium (ou technologie LTO dans la présente demande) résisteront beaucoup mieux que le graphite (ou technologie GRA dans la présente demande) par exemple. Cependant, quelle que soit la technologie utilisée, sa durée de vie sera directement liée à sa température. [0008] La température de la batterie n'est pas contrôlable car elle dépend de deux facteurs prépondérants que sont le climat du pays et le comportement du client. Même si par conception, tout est mis en oeuvre pour protéger thermiquement la batterie de la chaleur du moteur, le simple fait de la positionner dans le compartiment moteur, rend la température de la batterie dépendante de celle du moteur. Or la température du moteur est directement liée au comportement du client, car à chaque usage, le moteur va chauffer jusqu'à 95°C, puis s'y maintenir le temps du roulage, puis refroidir après l'arrêt. Durant chaque phase de ce cycle, le moteur va chauffer la batterie, surtout d'ailleurs durant les hem-es de refroidissement. Nous comprenons facilement que selon l'usage du client, entre urbain et autoroute, ou selon le nombre de roulages par jour, la température de la batterie va être très différente. [0009] 11 est donc d'un grand intérêt de trouver des solutions permettant d'augmenter le plus possible la durée de vie des LIB vis-à-vis de la température et c'est l'objet de l'invention proposée [0010] Le document US8937452 décrit, afin d'optimiser la durée de vie d'une batterie d'un véhicule, un procédé de commande de l'état de charge comprenant de contrôler la charge de la batterie en restant dans une plage de SOC déterminée en fonction de la température prédite de la batterie. Toutefois, ce procédé offre une efficacité limitée [0011] Le procédé, la batterie et le véhicule selon l'invention décrite dans cette demande permettent de remédier aux inconvénients précités, notamment ils visent à apporter une solution simple et efficace pour adapter la gestion de la batterie à sa température afin de corriger autant que possible les dispersions de climats et de comportement du conducteur. L'invention est basée sur la connaissance du comportement typique de la technologie LIB vis-à-vis de la combinaison état de charge - température et de la façon dont l'alternateur peut être piloté. Elle peut s'appliquer indifféremment à des systèmes 3 à une ou deux batteries en parallèle. [0012] A cette fin, le procédé de gestion de la charge d'une batterie selon l'invention comporte une étape de détermination d'un état de charge cible en fonction de la température de la batterie, ledit état de charge cible tendant, conformément à un profil de dégradation de référence, à diminuer lorsque la température augmente de manière à contrôler la dégradation de la batterie, ainsi qu'une étape de charge de la batterie jusqu'à atteindre l'état de charge cible. Avantageusement, le profil de dégradation de référence décrivant l'augmentation relative de la résistance interne de la batterie en fonction du temps passé depuis le début de la vie de la batterie à un état de charge de référence et à une température de référence, l'état de charge cible est efficacement déterminé de manière itérative de telle sorte que, à l'issue d'une étape d'estimation de l'augmentation relative de la résistance interne, l'augmentation relative estimée tende à rester inférieure à l'augmentation relative tirée du profil de dégradation de référence. [0013] Selon des modes particuliers de réalisation décrits ci-après en regard des figures in- troduites ci-après : - l'état de charge de référence peut être supérieur à 80%, notamment égal à 100%, et/ ou en ce que la température de référence peut être comprise entre 10°C et 30°C, notamment égale à 20°C ; - si, à une itération ti donnée, où i entier positif, l'augmentation relative estimée de la résistance interne est supérieure à l'augmentation relative tirée du profil de référence, alors l'état de charge cible peut être déterminé de manière à ce que, à l'itération suivante t1+1, l'augmentation relative estimée tende vers l'augmentation relative tirée du profil de référence ; - deux itérations peuvent être toujours séparées d'un même intervalle de temps prédéfini et ledit intervalle de temps peut toujours correspondre dans le profil de référence à une même augmentation relative de la résistance interne. - ce même intervalle de temps peut être compris entre 30 minutes et 2 hem-es, notamment égale à 1 heure, et/ou cette même augmentation relative de la résistance interne peut être inférieure à 5%, notamment égale à 2%. - si la température de batterie mesurée entre deux itérations ti et G, est supérieure à la température de référence, alors l'état de charge cible peut être déterminé à l'itération t de manière à être inférieur à l'état de charge de référence et la dégradation de la résistance interne due à l'intervalle de temps passé entre les itérations t1+1 et t1+2 à cet état de charge inférieur pourra être considérée, dans les étapes ultérieures d'estimations de la dégradation relative, comme inférieure à la dégradation de référence. [0014] Les dessins annexés illustrent l'invention : [0015] [fig.1] illustre schématiquement une implantation classique avec une seule LIB et l'architecture électrique correspondant. [0016] [fig.2] illustre schématiquement une implantation avec deux LIB en parallèle et l'architecture électrique correspondant. [0017] [fig.3] illustre graphiquement un exemple de profil de dégradation d'une LIB en fonction de la température et du SOC. [0018] [fig.4] illustre par un tableau un exemple de dégradation d'une LIB en fonction de la température et du SOC. [0019] [fig.5] illustre par un tableau un exemple de durée de vie attendue avec une aug- mentation de la résistance interne de 30%. [0020] [fig.6] illustre graphiquement un profil de dégradation « idéale » à 20°C et 100%SOC. [0021] [fig.7] illustre par un tableau des exemples de coefficients de dégradation. [0022] [fig.8] illustre graphiquement le principe de fonctionnement de l'invention en roulage. [0023] [fig.9] illustre graphiquement le principe de fonctionnement de l'invention à l'arrêt et en parking. [0024] [fig.10] illustre graphiquement le principe de correction de l'état de charge selon l' invention. [0025] [fig.1 1] illustre graphiquement un exemple d'évolution du cumul de SOC% corrigé selon l'invention. [0026] [fig.12] illustre graphiquement un exemple de distribution de batteries usées en fonction du temps. [0027] Deux grandes familles de systèmes batteries au lithium existent : avec une ou avec deux batteries. Dans les deux cas, il s'agit de placer la source de puissance au plus près du moteur de façon à limiter le plus possible les pertes résistives dans les câbles, car celles-ci se traduisent soit par des diamètres de câble importants et donc du cuivre, de la masse et du coût, soit par un surdimensionnement en puissance de la LIB et donc du coût. [0028] La figure 1 présente une implantation classique selon l'art antérieur avec une seule LIB. Celle-ci est située proche du moteur avec les protections thermiques associées. Elle assure ainsi la puissance de démarrage et l'énergie nécessaire à toutes les phases d'usage y compris les micro-courants lors des phases de parking. [0029] La figure 2 présente une variante selon l'art antérieur où deux LIB sont montées en parallèle chacune assurant sa part des fonctions : une petite batterie de technologie LTO, implantée proche du moteur fournie la puissance de démarrage et tout autre échange à fort courant, alors qu'une autre LIB, plutôt avec une anode graphite (GRA) et positionnée en environnement froid, à l'arrière et qui assure tous les besoins en énergie, y compris l'alimentation des « courants off » en parking. [0030] Dans les deux configurations de la figure 1 et de la figure 2, un calculateur que nous appellerons « Système Gestion Energic » (ou « SGE »), reçoit les informations d'état de charge (SOC en pourcentage), de tension en volts (V), de température T en degrés celsius (°C) et de courant I du ou des BMS (« Battery Management System » selon la terminologie anglo-saxonne classique) qui gèrent la ou les LIB. Ce calculateur appartenant au véhicule est à même de piloter la tension (Valt) de l'alternateur ou du convertisseur DCDC pour certains véhicules hybrides ou électriques. [0031] L'invention s'applique indifféremment aux deux configurations de la figure 1 et de la figure 2, ainsi qu'à toutes les technologies de batteries au Lithium car elles partagent toutes le même comportement vis-à-vis de l'état de charge et de la température. [0032] L'invention utilise une caractéristique présentée dans le graphe de la figure 3, dont les courbes fournissent un exemple d'un comportement typique des LIB, à savoir la dégradation exponentielle de leurs performances en capacité et en résistance interne (ici nous présentons la résistance interne) vis-à-vis de la température et de l'état de charge. Pour chaque type, taille ou chimie d'une batterie au Lithium, il est possible de déterminer ces courbes par des essais au banc. Ces courbes représentent bien une caractéristique intrinsèque de chacune d'entre elles. [0033] A part protéger au mieux la batterie vis-à-vis de l'influence thermique du moteur, on ne peut contrôler la température de la batterie qui sera la résultante des effets conjugués de son positionnement dans le véhicule, du climat et de son propre auto échauffement lié à l'usage du véhicule par le client. Par contre, on peut agir sur son état de charge. Pour mieux expliquer le concept proposé, nous allons prendre comme exemple une LIB dont le tableau de la figure 4 est la retranscription en données numériques du graphe de la figure 3. Dans cet exemple la dégradation maximum supportable par le véhicule de la résistance interne est une augmentation de 30% pour une durée de vie demandée de 15 ans. [0034] Le tableau de la figure 5 montre la conséquence en durée de vie si nous combinons les coefficients de vieillissement de la figure 4 et une dégradation maximum supportable de 30% de la résistance interne. Toutes les valeurs au-dessus de 15 ans ont été bloquées à 15 ans. [0035] Des tableaux des figures 4 et 5 nous choisissons comme conditions de référence le point 20°C et 100% de SOC qui présente une dégradation de 2% par an et donc qui nous permet de prévoir une durée de vie de 15 ans avec une augmentation de la résistance interne de 30% (15 x 2%). [0036] La courbe de la figure 6 présente donc l'évolution dite « idéale » de la résistance interne par rapport au temps avec comme paramètres 20°C et 100% de SOC. [0037] Dans le principe de l'invention nous allons affecter un coefficient pour chaque com- binaison de température et d'état de charge en prenant comme base le point 20°C et 100% de SOC pour lequel nous affectons le coefficient 1. Cela donne le tableau de la 6 figure 7, qui est directement dérivé de celui de la figure 4. Cc tableau donne directement un « poids » pour chaque configuration dc fonctionnement. Il va nous permettre d'affecter chaque heure de temps de vie calendaire d'un coefficient de dégradation par rapport à la même heure passée à 20°C et 100% de SOC. Selon le tableau de la figure 7, une heure passée à 100% de SOC et 30°C est équivalente à 2 heures à 100% de SOC et 20°C. Et par contre, à 50% de SOC et 30°C le vieillissement est le même qu'avec les valeurs de référence. [0038] Le schéma de la figure 8 montre le fonctionnement du système en roulage. Lorsque le véhicule fonctionne, l'état de charge et la température de la batterie changent constamment. Le BMS envoie en permanence ces informations au calculateur SUE qui détermine par unité de temps, par exemple l'heure, l'état de charge moyen et la température moyenne pour l'unité dc temps considérée. Ici, par exemple, c'est SOCmoyl et TeCmoyl pour la première heure de roulage, puis SOCmoy2 et TcCmoy2 pour la deuxième, etc. [0039] Le schéma de la figure 9 montre le fonctionnement du système en parking. Même chose qu'en roulage, lors des réveils périodiques du calculateur SGE, celui-ci collecte les informations du BMS de la LIB et détermine les moyennes, heure par heure, pour la température et l'état de charge. Ainsi à chaque heure de vie (correspondant chacune à une itération t, ti+1, ti, où n entierdans le présent mode de réalisation), la batterie peut être affectée d'un coefficient provenant du tableau de la figure 7 et ces « heures conigées » sont cumulées dans la mémoire du SUE. Il est maintenant aisé pour le SUE de comparer le cumul des heures corrigées avec le temps calendaire. Lorsque celui-ci devient supérieur à la droite de référence, cela veut dire que la batterie risque de se dégrader plus vite que prévu. Lorsque cet écart atteint un seuil limite comme par exemple 5 ou 10 heures, le SUE met en place une gestion corrective en agissant sur l'état de charge de la batterie. [0040] Pour cela, lors des roulages, le SUE va abaisser la tension Valt de l'alternateur ou du DCDC en fonction de l'état de charge de la LM transmise par le BMS jusqu'à atteindre une valeur cible SOCMax entre 95% et typiquement 50% de SOC. De ce fait, les heures de vieillissement corrigées calculées vont baisser malgré la même fenêtre de température pour la batterie. [0041] Le schéma de la figure 10 montre le fonctionnement du système. Dès que le BMS indique au SUE que le SOCMax est atteint, celui-ci réduit automatiquement la tension de régulation Valt de façon à ce que le courant de charge tende vers 0 et que le niveau de SOC reste constant. [0042] Le graphe de la figure 11 montre un exemple d'évolution du cumul de temps corrigé cumulé par rapport à la droite idéale. Comme nous le voyons la première partie de la courbe tend à s'écarter de la droite idéale. Lorsque cet écart devient conséquent et 7 supérieur à un seuil prédéfini, le système de gestion est activé et l'état de charge de la batterie est diminué, ce qui modifie tout de suite la direction de la courbe qui revient sur la droite idéale. Lorsque la valeur de cumul passe au-dessous de la droite idéale à une valeur d' hysteresis près, la limitation de SOC est désactivée. [0043] En conclusion, l'invention propose un système simple qui ne nécessite pas de modi- fication physique du véhicule niais qui permet de garantir la durée de vie des batteries par comptage du temps et par la gestion de l'état de charge de la batterie pour les clients dont le climat ou le type d'usage use prématurément la batterie comme le montre le schéma de la figure 12, qui illustre la façon dont on détermine la durée de vie des batteries d'une population de clients. Le concepteur va tout mettre en oeuvre pour que la plus grande majorité des clients obtiennent la durée de vie cible. Par exemple, la moyenne est au-delà de la valeur cible. Cependant, il reste toujours une population, hachurée sur la figure 12, qui de par l'usage qu'il fait du véhicule et du climat sous lequel il roule, va voir sa batterie atteindre sa fin de vie avant la valeur cible. L'invention décrite dans cette demande pourra être activée uniquement par cette population et rester inactif pour la grande majorité des usagers. [0044] En réduisant le SOC de la batterie, certains pourraient objecter que nous nous exposons à moins bien démarrer à froid. Il faut relativiser cela, car si on choisit toujours la valeur SOCMax supérieure à l'état de charge nécessaire pour démarrer à la température ambiante considérée et, si le dispositif est activé, c'est que la température ambiante est certainement élevée et le moteur a toutes les chances de pouvoir être facile à démarrer. [0045] En réduisant le SOC de la batterie, d'autres pourraient objecter que la batterie aura moins de capacité pour alimenter les courant off. Ceci n'est vrai que pour le système à simple batterie. Pour le système à deux batteries, seule la batterie avant est concernée par la régulation de son SOC, et c'est la batterie arrière qui fournit les courant off. Quant au cas d'une seule batterie, une batterie chaude dénote un usage fréquent, il est alors très peu probable que ce véhicule soit abandonné pour de longues périodes de parking qui mettrait sa démanabilité en péril. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] REVENDICATIONSProcédé dc gestion de l'état dc charge d'unc batterie comportant - une étape dc détermination d'un état de charge cible en fonction de la température dc la batterie, ledit état de charge cible tendant, conformément à un profil de dégradation de référence, à diminuer lorsque la température augmente de manière à contrôler la dégradation de la batterie et; - une étape dc charge de la batterie jusqu'à atteindre l'état de charge cible ; le procédé étant caractérisé en ce que, le profil de dégradation de référence décrivant l'augmentation relative de la résistance interne de la batterie en fonction du temps passé depuis le début de la vie de la batterie à un état de charge de référence et à une température de référence, l'état de charge cible est déterminé de manière itérative de telle sorte que, à l'issue d'une étape d'estimation de l'augmentation relative de la résistance interne, l'augmentation relative estimée tende à rester inférieure à l'augmentation relative tirée du profil de dégradation de référence. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'état de charge de référence est supérieur à 80%, notamment égal à 100%, et/ou en ce que la température de référence est comprise entre 10°C et 30°C, notamment égale à 20°C. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que si, à une itération ti donnée, où i entier positif, l'augmentation relative estimée de la résistance interne est supérieure à l'augmentation relative tirée du profil de référence, alors l'état de charge cible est déterminé de manière à ce que, à l'itération suivante trul, l'augmentation relative estimée tende vers l'augmentation relative tirée du profil de référence. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux itérations sont toujours séparées d'un même intervalle de temps prédéfini et ledit intervalle de temps correspond toujours dans le profil de référence à une même augmentation relative de la résistance interne. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le même intervalle de temps est compris entre 30 minutes et 2 heures, notamment égale à 1 heure, et/ou en ce que la même augmentation relative de la résistance interne est inférieure à 5%, notamment. égale à 2%. 9 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que si la température de batterie mesurée entre deux itérations ti et LI est supérieure à la température de référence, alors l'état de charge cible est déterminé à l'itération Li de manière à être inférieur à l'état de charge de référence et la dégradation de la résistance interne duc à l'intervalle de temps passé entre les itérations tin et t,2 à cet état de charge inférieur sera considérée, dans les étapes ultérieures d'estimations de la dégradation relative, comme inférieure à la dégradation de référence. Batterie comportant les moyens matériels et logiciels pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. Véhicule comportant une batterie selon la revendication précédente.