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FR2976743A1 - Procede de gestion et diagnostic d'une batterie - Google Patents

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Henri Zara
David Brun-Buisson
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Abstract

Procédé de gestion d'une batterie (10) comprenant plusieurs accumulateurs Ai liés en série, chaque accumulateur pouvant être by-passé , caractérisé en ce qu'il comprend la répétition des étapes suivantes dans une phase de charge ou décharge de la batterie, pour tous les accumulateurs de la batterie : - dès qu'un accumulateur Ai atteint un seuil de tension prédéfini, il est by-passé ; - poursuite de la phase de charge ou décharge de la batterie tant que le dernier accumulateur Ai n'est pas by-passé.

Description

Procédé de gestion et diagnostic d'une batterie
L'invention concerne un procédé de gestion d'une batterie, comprenant notamment la réalisation du diagnostic de ses différents sous-ensembles.
Elle concerne aussi une batterie en tant que telle comprenant un agencement permettant de mettre en oeuvre ce procédé de gestion. Enfin, elle concerne aussi un système de gestion de batterie mettant en oeuvre ce procédé de gestion de batterie.
Il existe des batteries d'accumulateurs composées d'un assemblage de plusieurs accumulateurs, disposés en série, afin de fournir une tension de sortie suffisante dans certaines applications exigeantes, comme pour l'alimentation d'un moteur d'entraînement d'un véhicule automobile. La figure 1 illustre ainsi schématiquement une telle architecture de batterie 1, qui comprend n accumulateurs A; disposés en série.
Le document US2008072859 décrit une batterie dont l'architecture est du type précédent, mais qui permet de plus de disposer les différents accumulateurs en série ou en parallèle, à l'aide d'interrupteurs intercalés entre les accumulateurs, pilotés par un circuit électronique dédié. Cette solution permet la mise en oeuvre d'un équilibrage entre les accumulateurs en les disposant en parallèle, ce qui induit l'équilibrage de charges automatique entre les accumulateurs. Cet équilibrage des différents accumulateurs est réalisé à la fin d'une période de charge : il permet de positionner la batterie dans une configuration idéale avant sa prochaine utilisation.
La gestion des batteries de l'état de la technique fait appel à un indicateur représentatif du vieillissement d'une batterie, souvent appelé par sa dénomination anglo-saxonne de « State Of Health » pour état de santé, ou plus simplement SOH. Cet indicateur est couramment utilisé dans le diagnostic d'une batterie. L'évaluation de cet indicateur est importante pour une bonne maîtrise du fonctionnement de la batterie, ainsi que pour gérer au mieux sa fin de vie. L'estimation du SOH est réalisée lors d'une opération de diagnostic spécifique durant laquelle la batterie n'est pas utilisée. De plus, les solutions préconisées pour la réalisation de ce diagnostic ne sont toutefois pas optimales.
Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution de gestion d'une batterie qui permet d'améliorer son utilisation en phase de charge et de décharge, tout en permettant en option la réalisation du diagnostic de l'état de la batterie, et plus particulièrement le calcul de son état de santé SOH.
A cet effet, l'invention repose sur un procédé de gestion d'une batterie comprenant plusieurs accumulateurs A; liés en série, chaque accumulateur pouvant être by-passé, caractérisé en ce qu'il comprend la répétition des étapes suivantes dans une phase de charge ou décharge de la batterie, pour tous les accumulateurs de la batterie : - dès qu'un accumulateur A; atteint un seuil de tension prédéfini, il est by-passé ; - poursuite de la phase de charge ou décharge de la batterie tant que le dernier accumulateur A; n'est pas by-passé.
Le seuil de tension prédéfini peut correspondre à une tension maximale atteinte par un accumulateur lors d'une phase de charge de la batterie, correspondant à sa charge maximale, et/ou le seuil de tension prédéfini peut correspondre à un seuil bas de tension atteint par un accumulateur A; lors d'une phase de décharge de la batterie, correspondant à sa décharge totale.
Le procédé de gestion d'une batterie peut comprendre une étape préalable de mise en série de tous les accumulateurs et le by-pass d'un accumulateur peut comprendre l'ouverture d'un interrupteur série et la fermeture d'un interrupteur parallèle.
Le procédé de gestion d'une batterie peut comprendre la réalisation simultanée d'un diagnostic d'au moins un accumulateur A; de la batterie pendant une phase de charge ou de décharge de la batterie. Le procédé de gestion d'une batterie peut comprendre une étape de calcul de la charge Qi reçue par un accumulateur A; durant sa charge ou de la décharge Qi fournie par un accumulateur A; durant sa décharge.
15 Le calcul de la charge ou décharge Qi reçue ou fournie par un accumulateur i durant sa charge ou sa décharge peut être obtenue par la formule suivante, intégrée sur la durée de la phase de charge ou décharge de l'accumulateur A; : X = f I dt, où I est le courant de charge ou de décharge. 20 Le procédé de gestion d'une batterie peut comprendre une étape de calcul de l'état de santé SOHi d'au moins un accumulateur A; par le calcul suivant : SOHi = Qo 25 Où Qo est la capacité initiale de l'accumulateur i.
Le procédé de gestion d'une batterie peut comprendre une estimation de l'état de santé SOH d'au moins un accumulateur A; en comparant la durée de charge ou décharge de cet accumulateur A; avec la durée de charge ou 30 décharge des autres accumulateurs.10 Le procédé de gestion d'une batterie peut comprendre une estimation de l'état de santé SOH d'au moins un accumulateur A; par l'observation de son énergie stockée et restituée dans une phase de charge ou décharge.
L'invention porte aussi sur une batterie comprenant plusieurs accumulateurs (A;) connectés en série, caractérisée en ce que chaque accumulateur (A;) peut être by-passé, et en ce que la batterie comprend un calculateur qui met en oeuvre le procédé de gestion de batterie tel que décrit précédemment.
La batterie peut comprendre un interrupteur série disposé en série avec chaque accumulateur (A;) de sorte à pouvoir déconnecter un accumulateur (A;) du reste de la batterie par l'ouverture d'un interrupteur série et peut comprendre un interrupteur parallèle disposé en parallèle avec chaque accumulateur (A;) de sorte à pouvoir by-passer un accumulateur (A;) par la fermeture d'un interrupteur parallèle.
La batterie peut comprendre un circuit de commande des interrupteurs, 20 et/ou au moins un capteur de mesure de tension et/ou de courant et/ou de température relié par un moyen de communication au calculateur.
L'invention porte aussi sur un système de gestion d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un calculateur qui met en 25 oeuvre le procédé de gestion décrit ci-dessus.
L'invention porte aussi sur un support informatique lisible par une unité de gestion, caractérisé en ce qu'il comprend un programme informatique enregistré comprenant des moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre du procédé de gestion de batterie tel que décrit précédemment.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 représente schématiquement l'architecture d'une batterie selon un état de la technique.
La figure 2 représente schématiquement l'architecture d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention.
Le procédé de l'invention dont un mode de réalisation va être décrit ci-dessous s'applique tant lors d'une charge d'une batterie que lors d'une décharge. Le mode de réalisation qui va suivre se rapporte à une charge de batterie mais il est aisé de le transposer à une décharge d'une batterie.
La figure 2 représente une batterie 10 selon un mode de réalisation de l'invention, qui comprend comme précédemment l'association de n accumulateurs A; disposés en série. La liaison entre ces accumulateurs comprend une branche 11 disposée entre leurs bornes de signe opposé, sur laquelle est disposé un premier interrupteur 13, que nous appellerons « interrupteurs série ». Ensuite, une branche 12 de by-pass comprenant un interrupteur 14, que nous appellerons « interrupteur parallèle », est associée à chaque accumulateur.
Selon un mode de réalisation avantageux, chaque accumulateur est une batterie élémentaire. Une telle batterie élémentaire se présente par exemple sous une forme cylindrique, comprend une multitude d'électrodes positives et négatives, se présentant sous la forme de cylindres concentriques imbriqués ou de couches enroulées en forme de spirale, séparés par des couches d'électrolytes et de membranes. Ces éléments représentent la partie active de la structure de la batterie élémentaire, c'est-à-dire qu'ils forment un ensemble qui participe directement à la fonction de stockage et restitution d'énergie électrique. Dans cet exemple, cette partie active est de nature chimique. En remarque, une telle batterie élémentaire peut comprendre une partie active basée sur d'autres composants chimiques, ou une partie active de nature capacitive. D'autre part, la partie active de la batterie élémentaire est disposée dans un boîtier dont une première face externe forme la borne positive ou premier collecteur de courant et une seconde face externe forme la borne négative ou second collecteur de courant. Ce boîtier a pour fonction le maintien et support de la partie active de la batterie élémentaire, et son étanchéité vis-à-vis de l'extérieur. Il enferme un assemblage physique qui forme un ensemble monolithique figé, indissociable, dont la connectique électrique est non modifiable pour un utilisateur de la batterie élémentaire, qui voit un courant sortant égal au courant entrant sur ses deux bornes.
En variante, chaque accumulateur peut se présenter sous la forme d'une combinaison de plusieurs batteries élémentaires.
La batterie est de plus associée à un système de gestion, qui comprend des moyens matériels (hardware) et/ou logiciels (software), au moins un calculateur, pour mettre en oeuvre le procédé de gestion de la batterie qui va être détaillé par la suite. Ce système de gestion pilote notamment les interrupteurs 13, 14 de la batterie. Il peut aussi recevoir des mesures comme la tension de chaque accumulateur, à partir d'un capteur de tension non représenté disposé au niveau de chaque accumulateur. En variante, il pourrait recevoir des mesures de courant et/ou température. Ce système de gestion de la batterie est de préférence intégré au sein de la structure de la batterie, et même partiellement distribué au niveau des accumulateurs. Pour cela, un circuit de commande peut être disposé au niveau de chaque accumulateur et peut directement piloter les interrupteurs, à partir de commande échangée avec un calculateur central, éventuellement par le biais d'une isolation galvanique. Les différents composants électroniques disposés localement, comme un circuit de commande des interrupteurs, des éventuels capteurs de mesure, comme des capteurs de courant, tension, température, etc., peuvent être disposés sur un circuit imprimé disposé au sein de la structure de la batterie, au plus proche des accumulateurs pour éviter des câblages complexes. De plus, selon une réalisation avantageuse, ces composants électroniques locaux peuvent être alimentés localement, c'est-à-dire par la tension fournie par un accumulateur de la batterie.
Une telle architecture de batterie permet la mise en oeuvre d'un procédé de gestion de la batterie avantageux lors d'une charge de la batterie.
Cette charge comprend une étape préalable consistant à mettre tous les accumulateurs en série, par la fermeture de tous les interrupteurs série 13 et l'ouverture de tous les interrupteurs parallèles 14, avant d'envoyer un courant de charge dans la batterie, qui traverse donc tous ces accumulateurs. De plus, cette phase de charge commence avantageusement après la décharge totale de tous les accumulateurs de la batterie.
Ensuite, le procédé de charge de la batterie 10 comprend la répétition des étapes suivantes, pour tous les accumulateurs de la batterie : - Dès qu'un accumulateur i atteint sa tension maximale, il est bypassé (shunté), c'est-à-dire que son interrupteur série 13 est ouvert et que son interrupteur parallèle 14 est fermé ; - La charge se poursuit ensuite sans cet accumulateur, pour les 5 accumulateurs restants uniquement.
En remarque, on entend par accumulateur by-passé ou shunté un accumulateur dont le courant est totalement dévié par un autre chemin électrique. Le procédé de gestion de la batterie comprend donc une mesure ou une estimation de la tension aux bornes de chaque accumulateur, répétée périodiquement au cours d'une phase de charge ou décharge.
15 Avantageusement, ce procédé permet ainsi d'obtenir la pleine charge de tous les accumulateurs de la batterie (soit un état de charge, souvent appelé SOC à partir de la dénomination anglo-saxonne de « State Of Charge », de 100%). Il présente donc l'avantage d'équilibrer parfaitement la batterie, en tenant compte des différences entre ses différents 20 accumulateurs, et évite par exemple ainsi la baisse de performance globale de la batterie dès qu'un accumulateur est défaillant. Le procédé peut aussi s'appliquer pour des charges ou des décharges partielles dans le cas où la batterie est utilisée dans des gammes intermédiaires.
25 D'autre part, ce procédé de charge de la batterie permet avantageusement la réalisation simultanée de son diagnostic et notamment le calcul de l'état de santé SOH de tous ses accumulateurs.
Pour cela, il comprend une étape supplémentaire de calcul de la charge 30 Qi reçue par un accumulateur i durant sa charge. 10 Cette charge est par exemple obtenue par la formule suivante, intégrée sur la durée de la phase de charge de l'accumulateur i : X = f I dt, où I est le courant de charge. Ce courant peut être mesuré par un capteur, ou en variante, il peut être estimé par tout modèle ou toute autre méthode.
Cette charge Qi peut être mémorisée dans une mémoire électronique associée à la batterie, par exemple une mémoire du système de gestion associé à la batterie. Ensuite, l'état de santé de l'accumulateur i est obtenu par le calcul suivant : SOHi = Qo 15 Où Qo est la capacité initiale de l'accumulateur i, c'est-à-dire la charge initiale considérée, qui peut être la charge stockée à l'état neuf ou à un autre état choisi comme référence.
En variante, l'état de santé SOH peut être estimé sans calculer le courant 20 et la charge, mais en comparant la durée de charge de chaque accumulateur avec la durée de charge des autres accumulateurs. Cette étude permet par exemple de déterminer qu'un accumulateur dont la durée de charge est inférieure à 80% de la durée totale de charge de la batterie est défaillant et nécessite son changement. 25 Selon une autre variante encore, cet état de santé pourrait aussi s'évaluer par l'observation d'autres grandeurs électriques, par exemple comme les puissances offertes par un accumulateur, et donc l'énergie stockée et restituée, qui évolue en diminuant avec le vieillissement de la batterie.10 L'implémentation de cette approche peut être réalisée sur la base des mesures de tension et de courant.
Le procédé de diagnostic d'un accumulateur est mis en oeuvre lors des phases de charge ou décharge de la batterie et présente l'avantage de ne pas nécessiter une phase distincte, qui immobiliserait la batterie pendant une certaine durée spécifique de diagnostic.
En remarque, le procédé de charge de la batterie décrit ci-dessus permet d'obtenir la charge totale de tous les accumulateurs. Ensuite, le procédé de charge est poursuivi par une phase complémentaire, souvent appelée par sa dénomination anglo-saxonne de « floating », qui consiste à maintenir une tension de charge constante jusqu'à ce que le courant descende sous une valeur prédéterminée, en général faible par rapport au courant de charge nominal. Pour cela, les différents accumulateurs sont de nouveau tous positionnés en série.
L'invention porte aussi sur une batterie en tant que telle, se présentant comme illustré par la figure 2, et comprenant en outre un circuit de commande de ses interrupteurs, ainsi qu'au moins un calculateur pour mettre en oeuvre les calculs explicités. En variante, ces composants peuvent être externes à la batterie, appartenir à un système externe de gestion de batterie. Selon une autre variante mixte, les différents composants mentionnés sont répartis en partie au sein de la batterie et en partie au sein d'un système de gestion externe.
Naturellement, le principe de fonctionnement de la batterie décrit précédemment pour une phase de charge se reproduit de manière similaire pour une phase de décharge, c'est-à-dire une phase de fonctionnement dans laquelle la batterie restitue l'énergie stockée. Pour cela, le procédé de décharge de la batterie 10 comprend la répétition des étapes suivantes, pour tous les accumulateurs de la batterie : - Dès qu'un accumulateur i atteint un seuil bas de tension, il est by-passé, c'est-à-dire que son interrupteur série 13 est ouvert et 5 que son interrupteur parallèle 14 est fermé ; - La décharge se poursuit ensuite sans cet accumulateur, pour les accumulateurs restants uniquement.
Ainsi, il apparaît bien dans tous les cas de fonctionnement que la batterie 10 est gérée en comparant la tension aux bornes de chaque accumulateur, de sorte à déconnecter chaque accumulateur du reste de la batterie lorsque cette tension atteint un seuil prédéfini, haut ou bas selon les phases de charge et de décharge.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'une batterie (10) comprenant plusieurs accumulateurs A; liés en série, chaque accumulateur pouvant être shunté, caractérisé en ce qu'il comprend la répétition des étapes suivantes dans une phase de charge ou décharge de la batterie, pour tous les accumulateurs de la batterie : dès qu'un accumulateur A; atteint un seuil de tension prédéfini, il est shunté ; - poursuite de la phase de charge ou décharge de la batterie tant que le dernier accumulateur A; n'est pas shunté.
  2. 2. Procédé de gestion d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le seuil de tension prédéfini correspond à une tension maximale atteinte par un accumulateur lors d'une phase de charge de la batterie, correspondant à sa charge maximale, et/ou en ce que le seuil de tension prédéfini correspond à un seuil bas de tension atteint par un accumulateur A; lors d'une phase de décharge de la batterie, correspondant à sa décharge totale.
  3. 3. Procédé de gestion d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de mise en série de tous les accumulateurs et en ce que le by-pass d'un accumulateur comprend l'ouverture d'un interrupteur série (13) et la fermeture d'un interrupteur parallèle (14).
  4. 4. Procédé de gestion d'une batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation simultanée d'un diagnostic d'au moins un accumulateur A; de la batterie pendant une phase de charge ou de décharge de la batterie.
  5. 5. Procédé de gestion d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de calcul de la charge Qi reçue par un accumulateur A; durant sa charge ou de la décharge Qi fournie par un accumulateur A; durant sa décharge.
  6. 6. Procédé de gestion d'une batterie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calcul de la charge ou décharge Qi reçue ou fournie par un accumulateur i durant sa charge ou sa décharge est obtenue par la formule suivante, intégrée sur la durée de la phase de charge ou décharge de l'accumulateur A; : X = f I dt, où I est le courant de charge ou de décharge.
  7. 7. Procédé de gestion d'une batterie selon la revendication 5 ou 6, 15 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de calcul de l'état de santé SOHi d'au moins un accumulateur A; par le calcul suivant : SOHi = - Où Q0 est la capacité initiale de l'accumulateur i. 20
  8. 8. Procédé de gestion d'une batterie selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une estimation de l'état de santé SOH d'au moins un accumulateur A; en comparant la durée de charge ou décharge de cet accumulateur A; avec la durée de charge ou décharge des autres accumulateurs. 25
  9. 9. Procédé de gestion d'une batterie selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une estimation de l'état de santé SOH d'au moins un accumulateur A; par l'observation de son énergie stockée et restituée dans une phase de charge ou décharge. 30
  10. 10. Batterie comprenant plusieurs accumulateurs (Ai) connectés en série, caractérisée en ce que chaque accumulateur (Ai) peut être shunté, et en ce que la batterie comprend un calculateur qui met en oeuvre le procédé de gestion de batterie selon l'une des revendications précédentes.
  11. 11. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un interrupteur série (13) disposé en série avec chaque accumulateur (Ai) de sorte à pouvoir déconnecter un accumulateur (A;) du reste de la batterie par l'ouverture d'un interrupteur série (13) et en ce qu'elle comprend un interrupteur parallèle (14) disposé en parallèle avec chaque accumulateur (Ai) de sorte à pouvoir by-passer un accumulateur (A;) par la fermeture d'un interrupteur parallèle (14).
  12. 12. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit de commande des interrupteurs (13, 14), et/ou au moins un capteur de mesure de tension et/ou de courant et/ou de température relié par un moyen de communication au calculateur.
  13. 13. Système de gestion d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend 20 au moins un calculateur qui met en oeuvre le procédé de gestion d'une batterie selon l'une des revendications 1 à 9.
  14. 14. Support informatique lisible par une unité de gestion, caractérisé en ce qu'il comprend un programme informatique enregistré comprenant des 25 moyens de codes de programme informatique de mise en oeuvre du procédé de gestion de batterie selon l'une des revendications 1 à 9.
FR1155303A 2011-06-17 2011-06-17 Procede de gestion et diagnostic d'une batterie Withdrawn FR2976743A1 (fr)

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