Brevet FR3135146A1 — publié le 20231103

Procédé d’estimation de l’état de charge d’une batterie comprenant les étapes suivantes : - détermination de l’état de charge stocké, - détermination de la tension instantanée en circuit ouvert de la batterie en fonction d’une cartographie prédéterminée et de l’état de charge stocké, - mesure de la tension instantanée aux bornes de la batterie, - détermination de l’état de charge disponible en fonction de l’état de charge stocké, de la tension instantanée, de la tension instantanée en circuit ouvert et la tension minimale admissible, - la tension minimale admissible étant une donnée prédéterminée par conception. Figure pour l’abrégé : Pas de figure Procédé et système d’estimation de l’état de charge disponible d’une batterie en fonction de la tension instantanée. L’invention a pour domaine technique les batteries électriques, et plus particulièrement l’estimation de l’état de charge de telles batteries. Techniques antérieures L’état de charge ou SOC (acronyme anglophone pour « State of Charge ») d’une batterie indique la quantité de charge présente dans la batterie. Il peut être exprimé en valeur absolue (Ah) ou relative par rapport à la charge maximale que peut avoir la batterie (%). L’état de charge SOC n’est pas une grandeur mesurable, donc il doit être estimé à partir des mesures disponibles (courant, tension, température). La méthode utilisée le plus couramment pour calculer l’état de charge SOC est le comptage coulombmétrique, qui consiste à intégrer le courant dans le temps. Cela est applicable lorsque l’état de charge SOC initial est connu. L’état de charge SOC à un instant t est donc exprimé (en Ah) par : [Eq. 1] Si on souhaite l’exprimer en pourcentage SOC stored_relative , il suffit de le diviser par l’état de charge maximal SOC max de la batterie. [Eq. 2] L’état de charge SOC stored estimé par comptage coulombmétrique donne une information sur la capacité stockée dans la batterie. Il est pourtant dangereux de se fier à cette information toute seule car une partie de cette capacité peut potentiellement être indisponible, surtout à basse température et/ou courant élevé. Ces variations de capacité disponible résultent des variations de l’impédance interne de la batterie. Lorsqu’on fait passer un courant en décharge dans la batterie, la tension aux bornes de la batterie diminue de façon proportionnelle à l’impédance de la batterie et au courant entre ses bornes. La montre l’évolution de la tension aux bornes de la batterie au cours du temps lors d’une décharge à courant 1C à deux températures différentes, 10°C et 25°C. Les courbes en trait fort sont associées à la température 25°C tandis que les courbes en trait fin sont associées à la température 10°C. L’impédance de la batterie augmente lorsque la température diminue, donc la chute de tension entrainée est plus importante. De façon analogue, si l’impédance est la même, la chute de tension sera plus élevée pour un courant plus élevé. Il est important de noter que la décharge de la batterie s’arrête lorsque la tension la plus faible autorisée est atteinte. Or, pour un même état de charge stocké SOC stored , cette tension est atteinte plus rapidement si le courant est élevé ou si la température est faible. Dans ces circonstances, l’état de charge disponible SOC available est plus faible. Dans ce contexte, il devient crucial de faire la différence entre l’état de charge stocké SOC stored et l’état de charge disponible SOC available . L’état de charge disponible SOC available est théoriquement une fonction de l’état de charge stocké SOC stored , de la température T et du courant I : [Eq. 3] Un problème technique à résoudre consiste à déterminer la fonction entre l’état de charge disponible SOC available , le courant et la température ou à trouver un autre moyen de prendre en compte les effets du courant et de la température sur l’état de charge disponible SOC available . En ce qui concerne la température, il est possible de faire une série d’essais de charge et décharge de la batterie à un courant suffisamment faible (de sorte à ne pas chauffer la batterie pendant l’essai) pour obtenir les valeurs limites de charge stockée dans la batterie. La illustre la capacité de la batterie disponible en fonction de la température, et vis-à-vis des opérations de charge ou de décharge. La zone 1 correspond à la capacité indisponible en charge en fonction de la température. La zone 3 correspond à la capacité indisponible en décharge en fonction de la température. La zone 2 correspond à la capacité disponible en charge et en décharge en fonction de la température. Par exemple, en fin de décharge à une température de 0°C, environ 0.24 Ah restent stockés dans la batterie et ne sont pas disponibles à la décharge. On en déduit ainsi que l’état de charge disponible SOC available à 0°C est inférieur à l’état de charge stocké SOC stored de 0.24 Ah. Cependant, cette démarche ne peut pas être adoptée pour étudier la dépendance de la capacité disponible au courant, car les forts courants font chauffer la batterie et la valeur de capacité mesurée ne peut donc pas être associée à un point de fonctionnement spécifique. Une approche qui permet de modéliser la variation de capacité disponible avec le courant est le modèle cinétique, illustré sur la . Le réservoir de droite contient y1, qui correspond à la charge/énergie disponible. Sa largeur est c, inférieur à 1. Le niveau de ce réservoir est h1, qui représente l’état de charge SOC/l’état d’énergie SOE. Le réservoir de gauche contient y2, qui est la charge/énergie contrainte. Sa largeur est 1-c et son niveau est h2. Lorsqu’une sollicitation est appliquée (un courant I si on parle d’un réservoir de charge ou une puissance P si on parle d’un réservoir d’énergie), le niveau du réservoir de droite diminue. En même temps, la charge/énergie peut passer du réservoir de gauche à celui de droite en passant par une vanne k’, qui fait que le débit en entrée du réservoir de droite est toujours plus faible que celui en sortie. Plus la sollicitation appliquée n’est importante, plus rapidement la différence de niveau entre les deux réservoirs va augmenter. La charge/énergie indisponible est donc (1-c)*(h1-h2). Cependant, dès que la sollicitation s’arrête, le niveau du réservoir de droite commence à augmenter, ce qu’on appelle la récupération de la charge/énergie. Ce comportement est une analogie à la diffusion qui se produit dans la batterie. En effet, lorsqu’une sollicitation élevée est appliquée, la surtension (différence entre la tension cellule et sa tension en circuit ouvert OCV (acronyme anglophone pour « Open Circuit Voltage »)) peut augmenter significativement et si la tension de la batterie est déjà proche de sa limite inférieure, la décharge peut être interrompue. Cependant, cette décharge pourrait très bien être reprise à un courant/une puissance plus faible et on peut même imaginer qu’un courant/une puissance infinitésimal(e) pourrait décharger complètement la batterie. Les équations qui régissent ce modèle sont les suivantes : [Eq. 4] Pour paramétrer ce modèle, il est nécessaire de générer des profils à différents courants et températures à partir du modèle électrique de la batterie et d’utiliser un algorithme d’optimisation pour trouver, à chaque température, un couple (k’, c) qui permet d’obtenir y1 = 0 à la fin de la décharge à chaque courant. Ensuite, ces deux paramètres permettent d’obtenir Ymax, qui est la capacité/énergie maximale qui peut être stockée dans la batterie à la température en question. Malheureusement, ce modèle présente un niveau de complexité élevé et son paramétrage dépend de la qualité des profils obtenus à partir du modèle électrique. Nous avons donc des erreurs du modèle électrique et des erreurs de paramétrage du modèle cinétique qui s’accumulent. En résumé, la charge disponible dans une batterie est différente de la charge stockée et dépend de la température et du courant électrique. Il est possible d’estimer la charge disponible dans une batterie à différentes températures et à courant constant faible. Cependant, cela ne peut pas être fait pour des courants élevés car ils font augmenter significativement la température de la batterie, ce qui empêche d’avoir une mesure de la charge disponible à une température donnée pour différents courants. Or, la tension de la batterie est directement influencée par la température et le courant. Par ailleurs, la tension est le principal critère d’arrêt d’une décharge. Cette information peut donc être utilisée pour trouver l’état de charge SOC disponible à partir du SOC stocké. Il existe un besoin pour une méthode de détermination de l’état de charge disponible d’une batterie permettant de prendre en compte l’effet de la température et du courant, même pour des courants élevés. L’état de la technique ne répond pas à ce besoin car les modèles disponibles sont soit incomplets, soir difficiles à paramétrer. L’invention a pour objet un procédé d’estimation de l’état de charge d’une batterie comprenant les étapes suivantes : - détermination de l’état de charge stocké, - détermination de la tension instantanée en circuit ouvert de la batterie en fonction d’une cartographie prédéterminée, de l’état de charge stocké et de la température, - mesure de la tension instantanée aux bornes de la batterie, - détermination de l’état de charge disponible en fonction de l’état de charge stocké, de la tension instantanée, de la tension instantanée en circuit ouvert et la tension minimale admissible, - la tension minimale admissible étant une donnée prédéterminée par conception. Pour déterminer l’état de charge disponible, on peut réaliser le produit de l’état de charge stocké par le rapport entre la différence entre la tension instantanée et la tension minimale admissible et la différence entre la tension en circuit ouvert et la tension minimale admissible. La détermination de l’état de charge stocké peut être réalisée en réalisant les étapes suivantes : la détermination de l’état de charge stocké est réalisée en réalisant les étapes suivantes : - mesure de la tension en circuit ouvert de la batterie au repos - détermination de l’état de charge stocké initial en fonction d’une table liant l’état de charge stocké initial à la tension en circuit ouvert au repos de la batterie et à la température, - utilisation de la batterie en charge et/ou en décharge, - mesure périodique du courant instantané, - intégration du courant instantané mesuré depuis le début de l’utilisation après chaque mesure du courant instantané, et - détermination de l’état de charge stocké comme la somme du résultat de l’intégration et de la valeur de l’état de charge stocké initial. La détermination de l’état de charge stocké peut être également réalisée par un observateur de Kalman avec un vecteur d’état défini par l’état de charge stocké et une tension de diffusion, le vecteur de sortie étant la tension instantanée de la batterie On peut déterminer l’état de charge disponible futur d’une batterie comme étant égal à l’état de charge disponible déterminé lorsque la tension instantanée de la batterie est une tension future. L’invention a également pour objet un système d’estimation de l’état de charge d’une batterie comprenant des moyens de traitement de données, au moins une mémoire, au moins un moyen de mesure de la tension aux bornes de la batterie, et au moins un moyen de mesure du courant circulant entre les bornes de ladite batterie, les moyens de traitement de données étant configurés pour réaliser les étapes de procédé de détermination telles que décrites ci-dessus. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la illustre un exemple de décharge d’une batterie à courant 1C à deux températures différentes, - la illustre la capacité stockée en fin de charge et en fin de décharge en fonction de la température, - la illustre le modèle cinétique de décharge d’une batterie, - la illustre la comparaison de l’évolution de l’état de charge en fonction du temps pour une décharge continue à 3C et 0°C selon plusieurs méthodes de détermination. Procédé d’estimation de l’état de charge d’une batterie comprenant les étapes suivantes : détermination de l’état de charge stocké , détermination de la tension instantanée en circuit ouvert de la batterie en fonction d’une cartographie prédéterminée, de l’état de charge stocké, et de la température, mesure de la tension instantanée aux bornes de la batterie, détermination de l’état de charge disponible en fonction de l’état de charge stocké, de la tension instantanée, de la tension instantanée en circuit ouvert et la tension minimale admissible, la tension minimale admissible étant une donnée prédéterminée par conception. Procédé d’estimation selon la revendication 1, dans lequel, pour déterminer l’état de charge disponible, on réalise le produit de l’état de charge stocké par le rapport entre la différence entre la tension instantanée et la tension minimale admissible et la différence entre la tension en circuit ouvert et la tension minimale admissible. Procédé d’estimation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la détermination de l’état de charge stocké est réalisée en réalisant les étapes suivantes : mesure de la tension en circuit ouvert de la batterie au repos détermination de l’état de charge stocké initial en fonction d’une table liant l’état de charge stocké initial à la tension en circuit ouvert au repos de la batterie et à la température, utilisation de la batterie en charge et/ou en décharge, mesure périodique du courant instantané, intégration du courant instantané mesuré depuis le début de l’utilisation après chaque mesure du courant instantané, et détermination de l’état de charge stocké comme la somme du résultat de l’intégration et de la valeur de l’état de charge stocké initial. Procédé d’estimation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la détermination de l’état de charge stocké est réalisée par un observateur de Kalman avec un vecteur d’état défini par l’état de charge stocké et une tension de diffusion et un vecteur de sortie défini comme la tension instantanée de la batterie. Procédé d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on détermine l’état de charge disponible futur d’une batterie comme étant égal à l’état de charge disponible déterminé lorsque la tension instantanée de la batterie est une tension future. Système d’estimation de l’état de charge d’une batterie comprenant des moyens de traitement de données, au moins une mémoire, au moins un moyen de mesure de la tension aux bornes de la batterie, et au moins un moyen de mesure du courant circulant entre les bornes de ladite batterie, les moyens de traitement de données étant configurés pour réaliser les étapes de procédé de détermination telles que revendiquées dans les revendications 1 à 5.