Brevet FR3152181A1 — publié le 20250221

L’invention concerne un dispositif d’estimation d’état de charge d’une batterie connectée au dispositif, la batterie comprenant des cellules de batterie ayant une électrode positive comprenant du lithium-phosphate de fer, le dispositif d’estimation comprenant : - un moyen de correction (M1) déterminant un facteur correctif sur la base de la différence entre un état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant estimé en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules ; - un moyen d’estimation (M2) estimant l’état de charge actuel en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules, en incluant ledit facteur correctif. L’invention concerne également un véhicule, un procédé et un programme sur la base d’un tel dispositif. Figure 2 DISPOSITIF D’ESTIMATION CONTINUE DE L’ETAT DE CHARGE INTEGRANT UN FACTEUR CORRECTIF, VEHICULE, PROCEDE, ET PROGRAMME SUR LA BASE D’UN TEL DISPOSITIF L'invention se rapporte au domaine des dispositifs et procédés d’estimation d’états de charge d’une batterie, en particulier d’une batterie de traction d’un véhicule automobile. La batterie de traction est constituée de cellules Li-Ion. Ces cellules ont une plage de fonctionnement autorisée dans laquelle il faut rester afin de garantir leur bon fonctionnement dans la durée, et l'absence d'évènement sécuritaire tel qu’un incendie. Une grandeur essentielle est l’état de charge. Cette grandeur représente le niveau de charge électrique de chaque cellule. Globalement plus l’état de charge est élevé, plus il faut limiter le courant de charge. Il est donc important de bien estimer l’état de charge. Si on sous-estimait l’état de charge, on autoriserait des niveaux de courant qui peuvent endommager la batterie. On prend alors en compte l'imprécision de l'estimateur. Cela a naturellement des impacts sur les performances en termes de niveau de courant et donc temps de charge : plus l'incertitude est importante et plus l'impact sur les performances est important. Inversement, si on surestime l’état de charge, cela peut mener l’utilisateur à tomber en panne faute de charge dans une zone non pourvue de point de recharge (autoroute, zone rurale etc.). La FIG. 1 représente la tension à vide OCV des cellules en ordonnées et en abscisses, l’état de charge SOC des cellules de batteries ayant des cellules en technologie NMC (pour électrode positive en nickel-manganèse-cobalt) en trait plein ; et des cellules en technologie LFP (pour électrode positive en lithium-phosphate de fer) en trait interrompu. L’état de charge est estimé de plusieurs manières : - il est recalé régulièrement à partir de la tension à vide de chaque cellule après relaxation. C'est la mesure la plus précise. On parle aussi de tension en circuit ouvert, ou « OCV » pour « open circuit voltage » en langue anglaise ; - entre ces opportunités de recalage, pendant le roulage du véhicule : a°) l’état de charge est principalement estimé par intégration du courant entrant et sortant par la méthode du bilan de Coulomb. Cette technique d'intégration est entachée d'une erreur qui grandit avec le temps car la méthode intègre, c’est-à-dire ajoute, en permanence des erreurs, en particulier sur la mesure fine du courant ; b°) et si la courbe de tension à vide des cellules NMC présente une pente suffisante ( FIG. 1 définie ci-dessous), alors le système de gestion de batterie peut aussi en complément du bilan de coulomb, corriger l’état de charge sur la base de la tension à vide et d’un filtre de Kalman, mais cela reste moins précis que le recalage régulier de l’état de charge sur la base de la tension à vide. La baisse de la tension à vide est plus plate pour les cellules LFP que celle des cellules NMC, ce qui a un effet sur l’estimation de l’état de charge. L'invention concerne la configuration de la technologie LFP. Le recalage de l’état de charge par la tension à vide n'est pas possible dans une zone importante d'état de charge, car la courbe est plate. Les seules réelles opportunités d'apprendre l'état de charge à partir des mesures de tension à vide OCV des cellules, sont représentées par des cercles sur la FIG. 1 . Il s'agit des zones où la tension à vide varie avec la tension de manière significative. On note en particulier la zone SOC > 95%. Ainsi, il est habituel de recommander à l’utilisateur d'un véhicule avec une technologie de batterie LFP, de charger régulièrement à 100% son véhicule. S'il ne le fait pas, son incertitude de d'état de charge va augmenter avec l'usage. Or cette incertitude d’état de charge doit être prise en compte dans la détermination des limites des cellules liées à l’état de charge, de manière à ne jamais sous-estimer l’état de charge. Quand l'ensemble du système peut présenter une incertitude d’état de charge élevée, il faut en tenir compte c’est-à-dire considérer que l’incertitude peut arriver et prendre les marges en conséquence. Cela a naturellement des impacts importants sur les prestations en termes de temps de charge par exemple, et de possibilité ou pas de récupérer de l'énergie de freinage. Un objectif de la présente invention est de remédier aux défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une solution d’estimation de l’état de charge de batterie étant plus précise que dans l’art antérieur. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un dispositif d’estimation d’état de charge d’une batterie connectée au dispositif, la batterie comprenant des cellules de batterie ayant une électrode positive comprenant du lithium-phosphate de fer, le dispositif d’estimation comprenant : - un moyen de correction déterminant un facteur correctif sur la base de la différence entre un état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant estimé en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules ; - un moyen d’estimation estimant l’état de charge actuel en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules, en incluant ledit facteur correctif. Avantageusement, l’invention permet de réduire l’incertitude d’état de charge et d’offrir un maximum de performances en termes d’autonomie et de puissance à tous les utilisateurs. Elle permet en outre de compenser les potentiels effets du vieillissement. Selon une variante, le moyen d’estimation estime l’état de charge actuel sur la base de la formule : où est l’état de charge actuel ; est l’état de charge approximatif précédant ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; est le facteur correctif ; I est le courant en ampères ; C est la capacité en A.s. Cela permet d’avoir une estimation précise de l’état de charge actuel. Selon une variante, le facteur correctif est une erreur de décalage de courant entre l’état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant. Cela permet de déterminer aisément le facteur correctif. Selon une variante, le facteur correctif est la moitié d’une erreur de décalage de courant entre l’état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant. Cela permet d’améliorer la précision du facteur correctif. Selon une variante, le facteur correctif est déterminé au moyen de la formule où est le facteur correctif ; est l’erreur de décalage ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; est la différence d’état de charge entre le temps actuel et un temps précédent. Cela permet d’avoir une estimation précise du facteur correctif. L’invention porte en outre sur un système de gestion de batterie comprenant un dispositif d’estimation selon l’invention. Un autre objet de l’invention concerne un véhicule automobile comprenant : - une batterie de traction comprenant des cellules de batterie ayant une électrode positive comprenant du lithium-phosphate de fer ; et - un dispositif d’estimation selon l’invention, connecté à ladite batterie de traction. L’invention concerne également un procédé d’estimation d’état de charge d’une batterie comprenant des cellules de batterie ayant une électrode positive comprenant du lithium-phosphate de fer, au moyen d’un dispositif d’estimation selon l’invention, le procédé d’estimation comprenant les étapes suivantes : - une étape de correction dans laquelle on détermine un facteur correctif sur la base de la différence entre l’état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant estimé en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules ; - une étape d’estimation dans laquelle on estime l’état de charge actuel en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules, en incluant ledit facteur correctif. Selon une variante, dans l’étape d’estimation, on estime l’état de charge actuel sur la base de la formule : où est l’état de charge actuel ; est l’état de charge approximatif précédant ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; est le facteur correctif ; I est le courant en ampères ; C est la capacité en A.s. L'invention a en outre trait à un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’estimation selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. 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 : - FIG. 1 illustre schématiquement un graphe de la tension à vide et de l’état de charge des cellules de batteries des technologies NMC (en trait plein), et LFP (en trait interrompu) ; et - FIG. 2 illustre schématiquement le dispositif et le procédé d’estimation selon l’invention. L’invention concerne un dispositif d’estimation d’état de charge d’une batterie, en particulier d’une batterie de traction d’un véhicule automobile. L’invention consiste lors des mesures de tension à vide, à apprendre les erreurs à l’origine de l’incertitude de l’estimation de l’état de charge par intégration et bilan de Coulomb, et de compenser cette erreur, ou au moins une partie, après l’avoir apprise. L’idée est de considérer que l’état de charge appris par la tension à vide est précis ; que cette mesure permet ainsi d’évaluer l’erreur faite par l’estimateur de Coulomb. Ainsi, lors de la mesure de tension à vide, le système de gestion de batterie compare l’état de charge qui avait été estimé par la méthode de Coulomb, avec le nouvel état de charge obtenu par la tension à vide. L’écart est mesuré. On en déduit l’erreur faite durant l’intégration de Coulomb, et on la compense (au moins partiellement) pour les phases d’intégration de Coulomb suivantes. Ainsi, une batterie verra son état de charge de mieux en mieux estimée au fur et à mesure de son utilisation. L’invention pourra aussi permettre d’adapter l’estimateur au vieillissement de la batterie et de ses composants (s’il devait avoir un effet sur l’estimation de l’état de charge). L'invention s'applique sur le dispositif de l’état de l'art en technologie LFP. Le système de gestion de batterie exploite l'information de tension pour estimer l’état de charge, chaque fois que les conditions le permettent (notamment la zone où la tension varie suffisamment avec l’état de charge), et après un temps de relaxation suffisant. En dehors de ces situations, le système de gestion de batterie estime l’état de charge par intégration et bilan de Coulomb : où est l’état de charge actuel ; est l’état de charge approximatif précédant ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; I est le courant en ampères ; C est la capacité en A.s. L'invention consiste alors à : à chaque fois que le système de gestion de batterie a l'opportunité d'estimer l’état de charge de manière précise à partir de la tension à vide, le système de gestion de batterie calcule en plus l'écart entre l’état de charge estimé juste auparavant (par la méthode de Coulomb), et la nouvelle valeur d’état de charge plus précise. Cet écart est nommé ΔSOC. Le calcul de Coulomb intègre un facteur correctif α, tel que : où est l’état de charge actuel ; est l’état de charge approximatif précédant ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; est le facteur correctif ; I est le courant en ampères ; C est la capacité en A.s. L’explication est que si l’on considère que la mesure de courant est affectée par une erreur systématique durant la période de mesure par intégration de Coulomb. Considérons également que cette erreur est constituée d'une erreur de décalage d (ou « offset error » en langue anglaise) et d'une erreur de gain g . Le calcul de l’état de charge dans la phase d'intégration de Coulomb peut ainsi s'écrire : avec le courant réel. On obtient : Si on prend l'exemple d'un cycle de plusieurs décharges et de plusieurs charges remettant la batterie dans le même état de charge (par exemple à 100%), et sans erreur de décalage ; alors on déduit aisément de l'équation précédente que : Et on en déduit ainsi ce qui est assez intuitif, à savoir que l'erreur ΔSOC est uniquement liée au décalage d . Les erreurs de gain g se compensent entre les phases de charge et les phases de décharge, alors que l'erreur de décalage d ne se compense pas, et s'ajoute en permanence au fur et à mesure de l'intégration. L'erreur ΔSOC accumulée sur la période d'intégration de Coulomb est alors simplement directement proportionnelle au décalage d , à la durée d'intégration (et inversement proportionnelle à la capacité des cellules). Par exemple, pour une intégration durant 100 h, d'une erreur de décalage de 50 mA, de cellules de 100 Ah, génère une erreur d’état de charge de 50 mA * 100h / 100 Ah, soit 5%. Puisque le système de gestion de batterie connait la durée d'intégration, le système de gestion de batterie a donc ainsi le moyen d'estimer l’erreur de décalage à chaque fois qu'il est en capacité d’effectuer une mesure précise par la tension à vide. L’invention consiste à réinjecter l’erreur de décalage dans la formule de calcul de Coulomb. Ainsi, le calcul devient selon la formule susvisée intégrant le facteur correctif. Dans la pratique, afin d'assurer la stabilité du processus de convergence, on préfèrera réinjecter seulement une partie de l'écart, par exemple la moitié de l'écart observé. Ainsi, le paramètre α peut être soit l’erreur de décalage, soit de préférence la moitié de l’erreur de décalage. Exemple : pour un véhicule de type citadine du demandeur, à partir de 80% d’état de charge, le véhicule est utilisé et atteint 30% d’état de charge. Après cela, il est rechargé jusqu'à 80% d’état de charge. Le système de gestion de batterie n'utilise que l'intégration de Coulomb. La mesure du courant a deux erreurs : un gain de 0,5%, et un décalage de 100 mA. A la fin d’un trajet sur autoroute, l'erreur vient principalement du gain, mais après recharge, le gain lui-même s’est équilibré, il ne reste que l'erreur de décalage. Cette erreur se cumule à long terme. Lorsque le système de gestion de batterie est capable d'utiliser la tension à vide (par exemple en pleine charge supérieure à 100 %), il peut mesurer la sous-estimation précédente, ici à 12% sur cet exemple. Le système de gestion de batterie connait également la durée depuis la dernière mesure de tension à vide à 100% : ici, 175 heures dans cet exemple. Alors, l’erreur de décalage estimée est de Ainsi, Dans ce cas, le décalage est de 100 mA Dans les cycles suivants, on utilisera une mesure avec la moitié du décalage. L’invention concerne en outre le procédé et le programme d’estimation correspondants. Dispositif d’estimation d’état de charge d’une batterie connectée au dispositif, la batterie comprenant des cellules de batterie ayant une électrode positive comprenant du lithium-phosphate de fer, le dispositif d’estimation comprenant : - un moyen de correction (M1) déterminant un facteur correctif sur la base de la différence entre un état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant estimé en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules ; - un moyen d’estimation (M2) estimant l’état de charge actuel en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules, en incluant ledit facteur correctif. Dispositif d’estimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d’estimation estime l’état de charge actuel sur la base de la formule : où est l’état de charge actuel ; est l’état de charge approximatif précédant ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; est le facteur correctif ; I est le courant en ampères ; C est la capacité en A.s. Dispositif d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le facteur correctif est une erreur de décalage de courant entre l’état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant. Dispositif d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le facteur correctif est la moitié d’une erreur de décalage de courant entre l’état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant. Dispositif d’estimation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le facteur correctif est déterminé au moyen de la formule où est le facteur correctif ; est l’erreur de décalage ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; est la différence d’état de charge entre le temps actuel et un temps précédent. Système de gestion de batterie comprenant un dispositif d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5. Véhicule automobile comprenant : - une batterie de traction comprenant des cellules de batterie ayant une électrode positive comprenant du lithium-phosphate de fer ; et - un dispositif d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, connecté à ladite batterie de traction. Procédé d’estimation d’état de charge d’une batterie comprenant des cellules de batterie ayant une électrode positive comprenant du lithium-phosphate de fer, au moyen d’un dispositif d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, le procédé d’estimation comprenant les étapes suivantes : - une étape de correction (E1) dans laquelle on détermine un facteur correctif sur la base de la différence entre l’état de charge précis estimé sur la base de la tension à vide, et l’état de charge approximatif correspondant estimé en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules ; - une étape d’estimation (E2) dans laquelle on estime l’état de charge actuel en fonction d’un état de charge approximatif précédant, du courant des cellules et de la capacité des cellules, en incluant ledit facteur correctif. Procédé d’estimation selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans l’étape d’estimation, on estime l’état de charge actuel sur la base de la formule : où est l’état de charge actuel ; est l’état de charge approximatif précédant ; est la différence entre un temps actuel et un temps précédent ; est le facteur correctif ; I est le courant en ampères ; C est la capacité en A.s. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’estimation selon l’une quelconque des revendications 8 à 9, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.