Brevet FR3123156A1 — publié le 20221125

L’invention concerne un système de gestion de batterie (BMS) pour un pack batterie (B) comprenant des cellules (CB) connectées en série, le système (BMS) étant configuré pour mesurer des tensions de cellules séparément, caractérisé en ce qu’il comprend un modèle (M) de détermination d’au moins une cellule limitante (CL1, CL0) à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie (DCH, RGN, PAU, CHG, Ui, SOC, T),et en ce qu’il est configuré pour identifier au moins une cellule limitante (CL1, CL0). En particulier, l’identification se fait sur la base de la capacité et de la résistance en courant continu. L’invention concerne en outre un véhicule automobile et un procédé de gestion de batterie sur la base d’un tel système. Fig. 1 SYSTEME DE GESTION DE BATERIE COMPRENANT DES MOYENS DE DETECTION DE CELLULES LIMITANTES, VEHICULE ET PROCEDE SUR LA BASE D’UN TEL SYSTEME La présente invention concerne le domaine des fonctions logiciel de système de gestion de batterie de véhicule automobile (ou BMS : pour « Battery Management System » en Anglais). L’invention concerne également les moyens de diagnostic de batterie de traction de véhicule automobile. Un système de gestion des fonctions de batterie ainsi que de sa sécurisation permettent une exploitation optimale de véhicule automobile en limitant les défaillances ou autres risques pour l’utilisateur. Le diagnostic de la batterie constitue un élément important permettant d’optimiser son usage au plus juste, de réduire les besoins de maintenance et de prévenir prématurément un disfonctionnement majeur. Les solutions proposées dans l’art antérieur sont généralement de trois types : - une estimation de la capacité de chaque cellule avec des algorithmes complexes (par exemple de type filtre de Kalman notamment) ; - une méthode basée sur un modèle de durabilité par cellule ; - une estimation des limitations du bloc de batterie uniquement avec la tension minimale/maximale de toutes les cellules sans aucune notion de continuité physique. Ces solutions ne sont pas satisfaisantes car elles sont complexes, dépendent des fréquences de relaxation, et de la précision d’un capteur courant. En outre, ces solutions sont coûteuses en sauvegarde mémoire. De plus, elles engendrent une perte de la continuité de la représentativité physique de la cellule limitante. Ainsi, un objectif de la présente invention est de proposer une solution simplifiée d’optimisation de gestion de batterie. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système de gestion de batterie pour un pack batterie comprenant des cellules connectées en série, le système étant configuré pour mesurer des tensions de cellules séparément, caractérisé en ce qu’il comprend un modèle de détermination d’au moins une cellule limitante à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie, et en ce qu’il est configuré pour identifier au moins une cellule limitante. Avantageusement, le système permet d’identifier des cellules limitantes et d’optimiser la gestion de la batterie en conséquence. Selon une variante, le modèle de détermination détermine des indices de capacité et des indices de résistance en courant continu à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie. Cela permet d’avoir des valeurs objectives facilement comparables. Selon une variante, le modèle de détermination est basé sur la formule : où est la tension aux bornes d’une cellule ; est la tension à vide aux bornes de ladite cellule ; est la résistance en courant continu aux bornes de ladite cellule ; est le courant aux bornes de ladite cellule. Le modèle est donc précis et simplifié en tenant compte de paramètres faciles à évaluer. Selon une variante, le modèle de détermination détermine des occurrences pendant lesquelles au moins une cellule a la tension minimale pendant une phase de roulage. Selon une variante, ladite cellule limitante est une cellule ayant la capacité la plus faible ou la résistance en courant continu la plus élevée. Il s’agit d’un moyen de détermination facilité pouvant utiliser une architecture connue. Selon une variante, lesdits paramètres comprennent une phase de roulage à courant déchargeant, une phase de roulage avec régénération, une phase de pause, une phase de chargement, un indice de tension, un état de charge, une température. Cela permet de prendre en compte lesdits paramètres pour avoir une identification au plus juste de ladite cellule limitante. Selon une variante, le système de gestion de batterie est configuré pour dédier un suivi spécifique à ladite cellule limitante. Selon une variante, ledit suivi comprend un suivi d’état de charge ou d’état de santé ayant plus de ressources de calculs dédiées pour ladite cellule limitante. L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système de gestion de batterie selon l’invention. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de gestion de batterie pour un pack batterie comprenant des cellules connectées en série, le procédé comprenant des étapes pour - identifier au moins une cellule limitante à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie, et - dédier un suivi spécifique à ladite cellule limitante. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement un système de gestion de batterie selon une variante préférée de l’invention ; - illustre schématiquement des capacités de cellules d’un pack de cellules de batterie ; - illustre schématiquement des résistances en courant continu de cellules dudit pack de cellules de batterie ; - illustre schématiquement une identification de cellules limitantes en décharge de 100% à 10% dans trois différentes conditions ; - illustre schématiquement une identification de cellules limitantes en décharge de 100% à 70% dans lesdites trois différentes conditions ; et - illustre schématiquement une identification de cellules limitantes en décharge profonde de moins de 20% dans lesdites trois différentes conditions. L’invention concerne un système de gestion de batterie BMS pour un pack de batterie B. Le pack de batterie B comprend des cellules de batterie CB connectées ensemble en série. Le système BMS est configuré pour mesurer des tensions de cellules Ui séparément, et utiliser cette information pour la gestion de batterie B. Selon l’invention, le système de gestion comprend un modèle M de détermination d’au moins une cellule limitante CL1, CL0 à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie CB. Une exploitation des informations basiques à savoir les tensions individuelles des cellules CB qui est guidée par la connaissance d’un modèle macroscopique M de tension de batterie lithium-ion B. Le croisement de ces informations sur certaines phases d’usage maitrisées aboutit à identifier les cellules ayant des grandeurs limitantes CL1, CL0 pour le pack B. On parlera en particulier de cellules limitantes CL1, CL0. Dans la variante préférée, la cellule limitante CL1, CL0 est celle ayant une faible capacité K-, ou une haute résistance en courant continu DCR+. Cette détermination est faite à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie CB. De préférence, le modèle de détermination M est basé sur la formule : Où est la tension aux bornes d’une cellule ; est la tension à vide aux bornes de ladite cellule ; est la résistance en courant continu aux bornes de ladite cellule ; est le courant aux bornes de ladite cellule. Dans une variante alternative, le modèle de détermination détermine des occurrences pendant lesquelles au moins une cellule a la tension minimale pendant une phase de roulage. Ainsi, le système de gestion BMS est configuré pour identifier ladite cellule limitante CL1, CL0. Dans la variante préférée, le modèle de détermination M permet de déterminer des indices de capacité K+, K- et des indices de résistance en courant continu DCR à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie CB. En particulier, les paramètres de fonctionnement comprennent une phase de roulage à courant déchargeant DCH, une phase de roulage avec régénération RGN (rechargeant), une phase de pause PAU, une phase de chargement CHG, un indice de tension Ui, un état de charge SOC, une température T. Plus précisément, dans une variante, l’invention repose sur la séparation de l’identification d’indices de cellules à tensions minimales et maximales en différentes phases d’utilisation correspondant à certains desdits paramètres : roulage à courant déchargeant (décharge DCH), roulage avec régénération RGN (courant rechargeant pendant le roulage), une pseudo-pause et pause PAU (courant en valeur absolue proche de 0) et charge en mode dit « plug-in » CHG (c’est-à-dire « chargeur branché »). Sur la base de ces paramètres, la cellule limitante CL0, CL1 est identifiée comme une cellule ayant la capacité K- la plus faible (pour CL0) ou la résistance en courant continu DCR+ la plus élevée (pour CL1). Une fois la cellule limitante identifiée CL0, CL1, le système de gestion peut être configuré pour dédier un suivi spécifique à ladite cellule limitante CL1, CL0, en particulier un suivi d’état de charge ou d’état de santé ayant plus de ressources de calculs dédiées pour ladite cellule limitante CL1, CL0. Un simple suivi d’un changement d’indice et/ou la quantification des occurrences de tensions minimales ou maximales sur une décharge profonde ou une charge à branchement longue indique les cellules limitantes CL0, CL1. Premièrement, l’indice de la cellule CB figurant à la fois dans la liste des cellules à grande occurrence pour l’indice cellule minimale en décharge DCH et l’indice de cellule minimale en régénération (RGN) indique l’information de la capacité la plus faible K- sur une décharge profonde. Deuxièmement, l’indice de la cellule CB ayant la tension minimale sur une phase de pause/pseudo-pause (courant proche de 0) indiquerait également l’information de capacité la plus faible K- sur un profil globalement déchargeant. Troisièmement, l’indice de la cellule CB figurant à la fois dans la liste des cellules à grande occurrence en décharge minimale et en régénération maximale indiquerait une cellule ayant la résistance en courant continu DCR+ la plus élevée. Quatrièmement, un changement d’indice (ou une forte occurrence sur un histogramme) de la cellule maximale en charge en branchement (indice qu’on pourrait initialiser à celui de la résistance en courant continu maximale DCR+) indiquerait la cellule CL0 ayant la capacité la plus faible K- sur une charge en branchement longue (toujours dans l’hypothèse d’un pack qui respecte un équilibrage minimal). Cinquièmement, au même titre, un changement d’indice de la cellule minimale CL0 ou une forte occurrence sur l’histogramme en fin de charge en branchement indiquerait la capacité K+ la plus forte sur une charge en branchement longue. Dans un contexte de recherche continue d’une autonomie plus élevée et de déploiement de l’électrification à une large gamme de gabarits de véhicules, les packs B actuels contiennent de plus en plus des éléments en série, ce qui nécessiterait des moyens de calcul plus complexes si on continue à traiter toutes les cellules CB individuellement comme dans l’art antérieur. L’invention propose une simplification des algorithmes d’état de charge SOC et d’état de santé en repérant les cellules limitantes CL0, CL1. L’invention permet en outre une aide à la maintenance ou à la réparation avec la localisation de la (les) cellule(s) limitante(s) CL0, CL1. L’invention permet également d’alimenter une analyse de conception mécanique/thermique sur un ensemble de flotte de véhicules dans le but de l’amélioration des véhicules, et d’éviter des crises en anticipant des détections de défauts sur la production des cellules CB. Pour la recherche de la cellule limitante CL0, CL1, on pourrait suivre les indices des cellules CB ayant la tension Ui minimale et maximale au sein du pack B. L’invention repose sur la séparation de l’identification des indices en différentes phases d’utilisation : roulage courant déchargeant (décharge –DCH), roulage avec régénération RGN (courant rechargeant pendant le roulage), pseudo pause et pause PAU (courant en valeur absolue proche de 0) et charge en branchement (chargeur branché). On peut partir d’un état de relaxation où la batterie était à un repos suffisant pour identifier la cellule CL0 ayant l’état de charge SOC le plus faible. Par la suite, un changement de l’indice au cours d’une décharge (roulage avec un profil) indiquerait soit une résistance en courant continu DCR+ plus élevée, soit un état de charge SOC plus faible. Pour identifier la cellule CL1 ayant la résistance en courant continu DCR+ la plus élevée à cause d’une dégradation : on exploite une pseudo-pause PAU i.e. un passage à courant nul pendant quelques secondes (par exemple un arrêt à un feu rouge) suivi d’un pulse de courant pour calculer les résistances DCR de chaque cellule CB. Ce calcul sera activé par exemple dans une zone autour de 25°C et 50%SOC pour éviter l’effet de la température et de l’état de charge SOC sur la résistance interne DCR. Ceci implique une prise en compte d’une déviation thermique et de l’erreur et/ou écart d’état de charge SOC). La résistance en courant continu DCR peut être obtenue par l’équation Une idée porteuse de l’invention consiste à exploiter des indices de tensions minimales en décharge (courant négatif) et de tensions minimales en régénération (courant positif) pendant la phase de roulage ainsi que ceux à courant quasiment nul. Selon l’analyse les deux conditions d’indice de cellule minimale (CL0) en décharge DCH et indice de cellule minimale (CL0) en Régénération RGN seront réunies uniquement quand l’état de charge SOC de la cellule (CL0) est plus faible et donc on pourra facilement extraire l’information de capacité la plus faible K- en combinant cela avec les informations à l’état initial. En plus, l’indice de la cellule CL0 ayant la tension minimale sur une phase de pause/pseudo-pause indiquerait également un état de charge SOC plus faible sur un profil globalement déchargeant. Le but est de déterminer les cellules limitantes principalement la cellule à faible capacité K- car c’est elle qui limiterait la fin d’une décharge/charge (hypothèse de pack équilibrée). Cette identification précise peut servir à dédier un suivi d’état de charge ou d’état de santé plus gourmand en ressources de calcul pour cette cellule (CL0, CL1) pour être plus précis. En début de vie, la différence de capacité viendrait des dispersions de production cellule CB. Par contre, tout au long de la durée de vie des cellules au sein d’un même pack B, les cellules CB ne subissent pas les mêmes contraintes mécaniques/thermiques et certaines cellules (CL0) vont vieillir plus vite. L’idée est d’avoir un moyen simple de suivi de la cellule limitante CL0 qui pourrait servir à l’analyse après-vente également. A la place d’une simple détection de changement d’indice, on pourrait enregistrer les occurrences pendant lesquelles la cellule CL0 a la tension minimale au sein du pack B tout au long du roulage pour former une classification des indices des cellules CB par phase. Une technique se basant sur des histogrammes pourrait être envisagée. L’exemple illustré aux figures 2 à 6 concerne un pack de 24cellules CB (pour faciliter l’analyse). L’analyse est faite sur un cycle déchargeant. La dispersion de résistances DCR maximale est de 25%, et la dispersion de capacités maximale et de 6%. La montre les capacités en Ah de toutes les cellules CB. La montre la dispersion de Résistance au sein du pack B. Les figures 4 à 6 montrent un résultat de l’identification des indices des cellules par phase de roulage décharge DCH, régénération Rgn et pause/pseudo-pause PAU. Les références « Val » concernent les valeurs d’indice des cellules identifiées, et « BinEdg » concernent les positions de cellules identifiées. L’identification peut être répétée 3 fois correspondant à la fenêtre de profondeur de décharge ciblée. La concerne un profil entier décharge de 100% à 10%. Concernant le cercle en pointillé identifié, la cellule à x=16 était dominante pour l’indice minimal en régénération RGN à cause de sa plus faible résistance. Néanmoins, on voit que l’écart se creuse avec la profondeur de décharge avec la cellule CL0 à x=22. On arrive à bien confirmer avec la méthode proposée une identification correcte de la cellule CL0 à faible capacité K-. Les indices maximaux de cellules sont aussi une source d’information sur des cellules limitantes CL0, CL1 : A titre d’exemple, l’indice de la cellule figurant à la fois dans la liste des cellules minimales en décharge et maximales en régénération indiquerait une cellule ayant la résistance DCR la plus élevée. L’invention permet au système de gestion de batterie BMS d’identifier la cellule limitante pour le calcul des limitations en puissance. Pendant une charge en branchement, un changement d’indice (ou une forte occurrence sur l’histogramme) de la cellule maximale en charge en branchement (indice qu’on pourrait initialiser à celui de la résistance DCR maximale) indiquerait la cellule CL1 ayant l’état de charge le plus fort. Par analogie à la décharge, cela indiquerait la capacité K- la plus faible sur une charge en branchement longue (toujours dans l’hypothèse d’un pack qui respecte un équilibrage minimal). Au même titre, un changement d’indice de la cellule minimale ou une forte occurrence sur l’histogramme en fin de charge en branchement indiquerait l’état de charge SOC le plus faible et donc la capacité K+ la plus forte sur une charge en branchement longue. L’identification de la cellule la plus forte CL1 peut aider le système de gestion de batterie BMS à cibler les cellules à équilibrer. En variante, l’identification peut être faite sur un lot de cellules limitantes et non pas sur une seule cellule limitante. On pourrait imaginer qu’un lot de cellules serait identifié en cas d’apparition de plus d’un indice qui répond aux critères de définition de la capacité minimale K-/ résistance DCR+ maximale. En variante, on pourrait envisager un apprentissage Hors ligne via un réseau de neurones artificiel par exemple en variant la dispersion de résistance interne DCR et la capacité K sur différentes cellules CB d’un pack batterie B ; jouer sur différentes conditions de température T, états de charge SOC initiaux sur des roulages et recharges en branchement et identifier un modèle M qui fournit en sortie les cellules limitantes CL0, CL1. En variante, plusieurs scénarios de vieillissement et dispersion de production pourraient servir pour l’apprentissage. L’invention porte également sur un véhicule automobile V comprenant un système de gestion de batterie tel que décrit précédemment. Un autre objet de l’invention concerne un procédé de gestion de batterie comprenant des étapes pour - identifier au moins une cellule limitante CL1, CL0 à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie CB, et - dédier un suivi spécifique à ladite cellule limitante CL1, CL0. Plus généralement, le procédé peut comprendre toute action de tout élément d’un système de gestion de batterie BMS tel que décrit précédemment ou d’une batterie B telle décrite précédemment. Système de gestion de batterie (BMS) pour un pack batterie (B) comprenant des cellules (CB) connectées en série, le système (BMS) étant configuré pour mesurer des tensions de cellules séparément, caractérisé en ce qu’il comprend un modèle (M) de détermination d’au moins une cellule limitante (CL1, CL0) à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie (DCH, RGN, PAU, CHG, Ui, SOC, T), et en ce qu’il est configuré pour identifier au moins une cellule limitante (CL1, CL0). Système de gestion de batterie (BMS) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de détermination détermine des indices de capacité et des indices de résistance en courant continu (DCR) à partir de paramètres de fonctionnement des cellules de batterie. Système de gestion de batterie (BMS) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le modèle de détermination est basé sur la formule : Où est la tension aux bornes d’une cellule ; est la tension à vide aux bornes de ladite cellule ; est la résistance en courant continu aux bornes de ladite cellule ; est le courant aux bornes de ladite cellule. Système de gestion de batterie (BMS) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de détermination détermine des occurrences pendant lesquelles au moins une cellule a la tension minimale pendant une phase de roulage. Système de gestion de batterie (BMS) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite cellule limitante est une cellule ayant la capacité (K) la plus faible ou la résistance en courant continu (DCR) la plus élevée. Système de gestion de batterie (BMS) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits paramètres comprennent une phase de roulage à courant déchargeant (DCH), une phase de roulage avec régénération (RGN), une phase de pause (PAU), une phase de chargement (CHG), un indice de tension (Ui), un état de charge (SOC), une température (T). Système de gestion de batterie (BMS) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il est configuré pour dédier un suivi spécifique à ladite cellule limitante (CL1, CL0). Système de gestion de batterie (BMS) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit suivi comprend un suivi d’état de charge ou d’état de santé ayant plus de ressources de calculs dédiées pour ladite cellule limitante (CL1, CL0). Véhicule automobile (V) comprenant un système de gestion de batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.