FR3154504A1 - METHOD FOR DETECTING A DEFECTIVE STORAGE ELEMENT OF A BATTERY - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un procédé de détection d’un élément de stockage d’énergie défectueux parmi un ensemble d’éléments de stockage d’un système de batterie comportant un dispositif d’équilibrage dudit ensemble, le procédé comportant la commande d’un premier mode de diagnostic (41) consistant à détecter un élément de stockage défectueux lorsqu’un premier paramètre (P1) est supérieur à un premier seuil (S1), la détermination d’une période d’inaction du dispositif d’équilibrage (3, 8), et en cas de détection que la période d’inaction a une durée supérieure à une durée d’inaction prédéterminée, la commande d’un deuxième mode de diagnostic (42) consistant à déterminer un deuxième paramètre d’autodécharge (P2) pour chaque élément de stockage dudit ensemble pendant la période d’inaction et à détecter un élément de stockage défectueux lorsque ledit deuxième paramètre (P2) pour la période d’inaction est supérieur à un deuxième seuil d’autodécharge (S2). Figure 1. The present invention relates to a method for detecting a defective energy storage element among a set of storage elements of a battery system comprising a device for balancing said set, the method comprising controlling a first diagnostic mode (41) consisting of detecting a defective storage element when a first parameter (P1) is greater than a first threshold (S1), determining a period of inaction of the balancing device (3, 8), and in the event of detection that the period of inaction has a duration greater than a predetermined period of inaction, controlling a second diagnostic mode (42) consisting of determining a second self-discharge parameter (P2) for each storage element of said set during the period of inaction and detecting a defective storage element when said second parameter (P2) for the period of inaction is greater than a second self-discharge threshold (S2). Figure 1.
Description
Le domaine de l’invention concerne un procédé de détection d’un élément de stockage d’énergie défectueux pour un système de batterie, en particulier pour les systèmes équipés d’un dispositif d’équilibrage.The field of the invention relates to a method for detecting a defective energy storage element for a battery system, in particular for systems equipped with a balancing device.
Les systèmes de batterie de puissance, notamment pour un véhicule électrifié, comprennent classiquement un ensemble d’éléments de stockage. On désigne par le terme élément de stockage d’énergie une cellule électrochimique ou un assemblage de cellules pouvant être montées en série et/ou en parallèle.Power battery systems, particularly for an electrified vehicle, typically comprise a set of storage elements. The term energy storage element refers to an electrochemical cell or an assembly of cells that can be connected in series and/or in parallel.
Par mesure de sécurité, ces systèmes sont équipés de fonctions de protection électrique (par exemple de contrôle de courant et contacteurs électriques) ainsi que des fonctions de diagnostics visant à prévenir un risque de dégradations des éléments de stockage. Pour les applications en électromobilité, les constructeurs de véhicules choisissent généralement de stocker l’énergie dans des cellules électrochimiques de type lithium-ion pour leur meilleure densité énergétique. Il est bien connu que ce type de cellule est particulièrement instable thermiquement, c’est pourquoi les fonctions de protection et de diagnostics sont essentielles. Il est donc nécessaire de contrôler périodiquement l’état de santé des cellules.As a safety measure, these systems are equipped with electrical protection functions (e.g. current monitoring and electrical contactors) as well as diagnostic functions to prevent the risk of damage to the storage elements. For electromobility applications, vehicle manufacturers generally choose to store energy in lithium-ion electrochemical cells for their better energy density. It is well known that this type of cell is particularly thermally unstable, which is why protection and diagnostic functions are essential. It is therefore necessary to periodically check the health of the cells.
Un critère de bonne santé d’une cellule est sa capacité à conserver sa charge. Des cellules saines, donc sans risque d’emballement thermique, présentent une autodécharge faible, généralement de moins de 2% de sa capacité de charge totale par mois, exprimée en ampères-heures ou en points de charge. Inversement, des cellules considérées comme étant défectueuses vont généralement se décharger plus rapidement.One criterion for a cell's health is its ability to retain its charge. Healthy cells, therefore without the risk of thermal runaway, have a low self-discharge, generally less than 2% of their total charge capacity per month, expressed in ampere-hours or charge points. Conversely, cells considered defective will generally discharge more quickly.
Dans la présente description, une cellule électrochimique est dite défectueuse lorsqu’elle se trouve dans un état électrochimique affectant son comportement d’autodécharge. En effet, une cellule défectueuse par dégradation de l’isolant entre l’anode et la cathode, dégradation liée à une impureté, va se caractériser par une résistance d’autodécharge additionnelle par rapport à la résistance d’autodécharge d’une cellule saine, générant donc une décharge plus rapide. On considère qu’une cellule normale se décharge de 2% par mois environ, ce qui peut se représenter par une résistance normale d’autodécharge de 1000 ohms environ. On considère qu’une cellule est défectueuse quand sa résistance est inférieure à 500 ohms, avec un risque d’emballement thermique quand elle tombe sous les 100 ohms environ. On considère également que le phénomène est progressif, la résistance va progressivement décroitre sur plusieurs semaines, au fur et à mesure de l’utilisation de la batterie.In this description, an electrochemical cell is said to be defective when it is in an electrochemical state affecting its self-discharge behavior. Indeed, a cell defective by degradation of the insulation between the anode and the cathode, degradation linked to an impurity, will be characterized by an additional self-discharge resistance compared to the self-discharge resistance of a healthy cell, thus generating a faster discharge. A normal cell is considered to discharge by approximately 2% per month, which can be represented by a normal self-discharge resistance of approximately 1000 ohms. A cell is considered to be defective when its resistance is less than 500 ohms, with a risk of thermal runaway when it falls below approximately 100 ohms. The phenomenon is also considered to be progressive, the resistance will gradually decrease over several weeks, as the battery is used.
Par ailleurs, pour optimiser la capacité utile d’un système de batterie, il existe des dispositifs d’équilibrage. On connait de l’état de la technique le document KR101610927B1 qui décrit une technique d’équilibrage des cellules d’une batterie qui consiste à déterminer un écart de tension entre une tension maximum et une tension moyenne d’un ensemble de cellules, et de déclencher soit un premier mode d’équilibrage passif quand l’écart est faible, compris entre 100 mV et 1 volt, soit un mode d’équilibrage actif quand l’écart est important, supérieur à 1 volt, et que le véhicule est en stationnement ou arrêt prolongé.Furthermore, to optimize the useful capacity of a battery system, there are balancing devices. The state of the art includes document KR101610927B1, which describes a technique for balancing the cells of a battery that consists of determining a voltage difference between a maximum voltage and an average voltage of a set of cells, and triggering either a first passive balancing mode when the difference is small, between 100 mV and 1 volt, or an active balancing mode when the difference is large, greater than 1 volt, and the vehicle is parked or stopped for a prolonged period.
Les techniques d’équilibrage ont pour effet de réduire les différences de tensions des cellules. Bien que nécessaire pour optimiser la capacité de charge utile d’un système de batterie, l’équilibrage réduit les chances de détection des cellules défectueuses en autodécharge. Cela requière de calibrer finement la fonction de détection pour permettre leur détection tout en évitant les fausses alertes.Balancing techniques reduce cell voltage differences. While necessary to optimize the payload capacity of a battery system, balancing reduces the chances of detecting defective cells undergoing self-discharge. This requires fine-tuning the detection function to enable their detection while avoiding false alarms.
Il existe donc un besoin de pallier les problèmes précités. Un objectif de l’invention est d’améliorer les fonctions de détection de cellules défectueuses d’une batterie équipée d’un dispositif d’équilibrage.There is therefore a need to overcome the aforementioned problems. One objective of the invention is to improve the functions for detecting defective cells in a battery equipped with a balancing device.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de détection d’un élément de stockage d’énergie défectueux parmi un ensemble d’éléments de stockage d’un système de batterie comportant un dispositif d’équilibrage dudit ensemble, le procédé de détection étant mis en œuvre par une unité de commande du système de batterie et comportant la commande d’un premier mode de diagnostic consistant à détecter un élément de stockage défectueux lorsqu’un premier paramètre représentatif de l’écart de charge entre l’élément de stockage le plus chargé et l’élément de stockage le moins chargé est supérieur à un premier seuil. Selon l’invention, le procédé comporte en outre les étapes successives suivantes de détermination d’une période d’inaction du dispositif d’équilibrage, et en cas de détection que la période d’inaction a une durée supérieure à une durée d’inaction prédéterminée, de commande d’un deuxième mode de diagnostic consistant à déterminer un deuxième paramètre d’autodécharge pour chaque élément de stockage dudit ensemble pendant la période d’inaction et à détecter un élément de stockage défectueux lorsque ledit deuxième paramètre dudit élément de stockage pour la période d’inaction est supérieur à un deuxième seuil d’autodécharge.More specifically, the invention relates to a method for detecting a defective energy storage element among a set of storage elements of a battery system comprising a device for balancing said set, the detection method being implemented by a control unit of the battery system and comprising the control of a first diagnostic mode consisting of detecting a defective storage element when a first parameter representative of the charge difference between the most charged storage element and the least charged storage element is greater than a first threshold. According to the invention, the method further comprises the following successive steps of determining a period of inaction of the balancing device, and in the event of detection that the period of inaction has a duration greater than a predetermined period of inaction, of controlling a second diagnostic mode consisting of determining a second self-discharge parameter for each storage element of said assembly during the period of inaction and detecting a defective storage element when said second parameter of said storage element for the period of inaction is greater than a second self-discharge threshold.
Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :The method according to the invention may include the following additional characteristics, alone or in combination:
- Le dispositif d’équilibrage est configuré de manière à être désactivé pendant un arrêt du système de batterie et dans lequel la détermination de la période d’inaction du dispositif d’équilibrage consiste à mesurer une période d’arrêt du système de batterie.- The balancing device is configured to be deactivated during a shutdown of the battery system and wherein determining the period of inactivity of the balancing device comprises measuring a period of shutdown of the battery system.
- Pour mesurer la période d’arrêt du système de batterie, une étape d’enregistrement d’un premier instant de détection d’une commande d’arrêt du système de batterie, et une étape d’enregistrement d’un deuxième instant de détection d’une commande de démarrage du système de batterie postérieurement à la commande d’arrêt.- To measure the shutdown period of the battery system, a step of recording a first instant of detection of a command to stop the battery system, and a step of recording a second instant of detection of a command to start the battery system after the shutdown command.
- Le deuxième paramètre d’autodécharge de chaque élément de stockage est déterminé à partir d’une première valeur de la tension de chaque élément de stockage au premier instant, et d’une deuxième valeur de ladite tension au deuxième instant, et du calcul de l’écart de tension entre la première et la deuxième valeur.- The second self-discharge parameter of each storage element is determined from a first value of the voltage of each storage element at the first instant, and from a second value of said voltage at the second instant, and from the calculation of the voltage difference between the first and second values.
- Le deuxième seuil a une valeur dépendante de la durée de la période d’inaction.- The second threshold has a value dependent on the duration of the period of inaction.
- Le deuxième seuil a une valeur dépendante d’une valeur moyenne du paramètre d’autodécharge pour l’ensemble des éléments de stockage mesurée pendant la période d’inaction.- The second threshold has a value dependent on an average value of the self-discharge parameter for all storage elements measured during the period of inaction.
- Le premier paramètre est déterminé à partir de la mesure de la tension à vide maximale et de la tension à vide minimale parmi l’ensemble des éléments de stockage lors d’un démarrage du système de batterie.- The first parameter is determined from the measurement of the maximum open-circuit voltage and the minimum open-circuit voltage among all the storage elements during a start-up of the battery system.
- La durée d’inaction prédéterminée est comprise entre 15 jours et 30 jours.- The predetermined period of inaction is between 15 days and 30 days.
Il est envisagé en outre un système de batterie comportant un ensemble d’éléments de stockage d’énergie, un dispositif d’équilibrage dudit ensemble et une unité de commande, dans lequel l’unité de commande est configurée pour mettre en œuvre le procédé de détection selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.Further contemplated is a battery system comprising a set of energy storage elements, a device for balancing said set and a control unit, wherein the control unit is configured to implement the detection method according to any one of the preceding embodiments.
Il est prévu en outre un véhicule électrifié comportant un tel système de batterie.An electrified vehicle with such a battery system is also planned.
Il est prévu en outre une unité de commande comportant des moyens spécifiquement configurés pour mettre en œuvre le procédé de détection selon l’invention.A control unit is further provided comprising means specifically configured to implement the detection method according to the invention.
Il est prévu en outre un programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande d’un système de batterie, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de détection selon l’invention.Further provided is a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a control unit of a battery system, cause the latter to implement any one of the embodiments of the detection method according to the invention.
Il est prévu en outre un support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de détection selon l’invention.Further provided is a computer-readable recording medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to implement any one of the embodiments of the detection method according to the invention.
Le procédé de détection présente l’avantage d’être une solution de détection entièrement logicielle et ne requérant pas l’implémentation d’un capteur spécifique. L’invention tire profit d’une période d’inutilisation prolongée du véhicule pour mettre en œuvre un mode de diagnostic spécifique permettant d’éviter les fausses détections. L’invention améliore la sécurité et protection des systèmes de batteries.The detection method has the advantage of being a fully software-based detection solution that does not require the implementation of a specific sensor. The invention takes advantage of a prolonged period of vehicle inactivity to implement a specific diagnostic mode to avoid false detections. The invention improves the safety and protection of battery systems.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :Other characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the detailed description which follows, comprising embodiments of the invention given as non-limiting examples and illustrated by the appended drawings, in which:
L’invention s’applique aux véhicules électrifiés, c’est-à-dire comprenant une machine électrique motrice et de l’électronique de puissance, 100% électriques ou hybrides, de préférence les véhicules automobiles, mais pas seulement tels les camions, aéronefs, tracteur, bicyclettes, navires. Plus généralement, l’invention s’applique à tout système électrique autonome comme les drones, robots ou dispositifs portables, ordinateurs, tablettes, téléphones portables, consoles, appareils photos, scanners, qui sont cités comme liste non exhaustive d’exemples d’applications.The invention applies to electrified vehicles, i.e. vehicles comprising an electric motor machine and power electronics, 100% electric or hybrid, preferably motor vehicles, but not only such as trucks, aircraft, tractors, bicycles, ships. More generally, the invention applies to any autonomous electrical system such as drones, robots or portable devices, computers, tablets, mobile phones, consoles, cameras, scanners, which are cited as a non-exhaustive list of application examples.
L’invention propose un procédé de détection d’un élément de stockage d’énergie défectueux d’un système de batterie. Le procédé vise à améliorer la détection pour les systèmes équipés d’un dispositif d’équilibrage des éléments de stockage d’énergie.The invention provides a method for detecting a defective energy storage element of a battery system. The method aims to improve detection for systems equipped with a device for balancing the energy storage elements.
En
Une cellule électrochimique est un accumulateur d’énergie électrique ayant deux bornes et présentant une tension de quelques volts, le plus souvent comprise entre 2,3V et 4,2V, environ. Les cellules peuvent être de type Lithium-ion (un oxyde de Nickel Manganèse Cobalt lithié NMC ou un phosphate lithié de fer LFP peuvent être cités à titre d’exemples de matières actives d’électrode positive), Nickel Cadmium (Ni-cd), Nickel-Métal-Hydrure (Ni-MH) par exemple. Plus précisément, une cellule Lithium-ion est composée principalement d’une électrode positive poreuse, une électrode négative poreuse, un séparateur et un électrolyte (pouvant être liquide, polymérique ou solide). Le principe de fonctionnement d’une cellule Lithium-ion repose sur l’échange réversible d’ions lithium entre les deux électrodes poreuses.An electrochemical cell is an electrical energy accumulator with two terminals and a voltage of a few volts, most often between 2.3V and 4.2V, approximately. The cells can be of the Lithium-ion type (a lithium Nickel Manganese Cobalt oxide NMC or a lithium iron phosphate LFP can be cited as examples of positive electrode active materials), Nickel Cadmium (Ni-cd), Nickel-Metal-Hydride (Ni-MH) for example. More precisely, a Lithium-ion cell is composed mainly of a porous positive electrode, a porous negative electrode, a separator and an electrolyte (which can be liquid, polymeric or solid). The operating principle of a Lithium-ion cell is based on the reversible exchange of lithium ions between the two porous electrodes.
Par ailleurs, le système de batterie comporte une unité de commande 2 (désignée par l’acronyme BMS pour « Battery Management System » ou TBCU pour « Traction Battery Control Unit ») adaptée pour superviser les paramètres électriques 9 spécifiques à la batterie et de chaque élément de stockage d’énergie au moyen de capteurs de courant et tension, tels l’état de charge SOC (« State of Charge ») qui désigne le niveau d’état de charge de la batterie exprimé par un rapport entre la quantité d’énergie stockée à un instant donné et la quantité d’énergie maximum stockable à un instant donné, la tension de circuit ouvert OCV (« Open Circuit Voltage ») exprimée en Volt, le courant de charge exprimé en Ampère, l’état de santé SOH (« State of Health), qui désigne le paramètre de niveau de vieillissement de la batterie exprimant un rapport entre la quantité d’électricité maximum stockable à un instant donné et la quantité d’électricité maximum stockable à l’état neuf de la batterie.Furthermore, the battery system comprises a control unit 2 (designated by the acronym BMS for “Battery Management System” or TBCU for “Traction Battery Control Unit”) adapted to supervise the electrical parameters 9 specific to the battery and each energy storage element by means of current and voltage sensors, such as the state of charge SOC (“State of Charge”) which designates the level of state of charge of the battery expressed by a ratio between the quantity of energy stored at a given moment and the maximum quantity of energy storable at a given moment, the open circuit voltage OCV (“Open Circuit Voltage”) expressed in Volts, the charging current expressed in Amperes, the state of health SOH (“State of Health”), which designates the aging level parameter of the battery expressing a ratio between the maximum quantity of electricity storable at a given moment and the maximum quantity of electricity storable in the new state of the battery.
Par ailleurs, le système de batterie 1 comporte un dispositif d’équilibrage des cellules comprenant un moyen de commande 3 et un circuit d’équilibrage 8 pour chaque cellule ou groupe de cellules des éléments de stockage C1 à Cn de l’ensemble. L’équilibrage consiste à transférer de l’énergie afin de réduire la dispersion d’état de charge des éléments de stockage. Le dispositif d’équilibrage peut être de type passif et comporte des circuits d’interrupteurs et de résistances pilotables de manière à décharger les cellules les plus chargées pour homogénéiser la charge des cellules. En variante, le dispositif d’équilibrage peut être de type actif et comporte des circuits d’interrupteurs et condensateurs agencés de manière à commander des transferts d’énergie entre cellules adjacentes, ou groupes de cellules.Furthermore, the battery system 1 comprises a cell balancing device comprising a control means 3 and a balancing circuit 8 for each cell or group of cells of the storage elements C1 to Cn of the assembly. Balancing consists of transferring energy in order to reduce the dispersion of the state of charge of the storage elements. The balancing device may be of the passive type and comprises circuits of switches and resistors that can be controlled so as to discharge the most charged cells to homogenize the charge of the cells. Alternatively, the balancing device may be of the active type and comprises circuits of switches and capacitors arranged so as to control energy transfers between adjacent cells, or groups of cells.
L’unité de commande 2 est apte à détecter une période d’activation/d’inaction de l’équilibrage pour chaque élément de stockage. De préférence, le dispositif d’équilibrage est activé uniquement lorsque le système de batterie est en état démarré et lorsque le calculateur de l’unité de commande du système de batterie est démarré. L’équilibrage est opérable en phase de charge, de décharge, relaxation et repos des cellules. A l’arrêt du système de batterie, le dispositif d’équilibrage est donc en période d’inaction.The control unit 2 is capable of detecting a period of activation/inaction of the balancing for each storage element. Preferably, the balancing device is activated only when the battery system is in the started state and when the computer of the control unit of the battery system is started. The balancing is operable in the charging, discharging, relaxation and resting phases of the cells. When the battery system is stopped, the balancing device is therefore in a period of inaction.
Toutefois, dans une variante, l’équilibrage d’un élément de stockage C1 à Cn est activable même lorsque le système de batterie 1 est à l’arrêt. On envisage que chaque élément de stockage puisse comporter un circuit de commande individuel auto-alimenté permettant une décharge de la cellule électrochimique même lorsque le calculateur de l’unité de commande du système de batterie est éteint. Par défaut, ce mode d’équilibrage lors de l’arrêt du système de batterie est désactivé.However, in a variant, the balancing of a storage element C1 to Cn can be activated even when the battery system 1 is stopped. It is envisaged that each storage element may comprise an individual self-powered control circuit allowing discharge of the electrochemical cell even when the computer of the battery system control unit is switched off. By default, this balancing mode when the battery system is switched off is deactivated.
Parmi les fonctions de protection et de sécurité électrique, le système de batterie comporte en outre un dispositif de détection 4 d’un élément de stockage défectueux parmi l’ensemble C1 à Cn. Le dispositif de détection 4 est apte à identifier un élément de stockage parmi l’ensemble comportant une cellule défectueuse à partir de la mesure en temps réel des paramètres électriques 9. Plus précisément le dispositif de détection 4 est configuré pour mettre en œuvre au moins un mode de diagnostic. Du fait de l’action du dispositif d’équilibrage, le dispositif de détection 4 met en œuvre deux modes de diagnostic distincts conformément au procédé selon l’invention.Among the electrical protection and safety functions, the battery system further comprises a device 4 for detecting a defective storage element among the set C1 to Cn. The detection device 4 is capable of identifying a storage element among the set comprising a defective cell from the real-time measurement of the electrical parameters 9. More precisely, the detection device 4 is configured to implement at least one diagnostic mode. Due to the action of the balancing device, the detection device 4 implements two distinct diagnostic modes in accordance with the method according to the invention.
Un premier mode de diagnostic 41 s’exécute au démarrage du système de batterie, par exemple au démarrage du véhicule. Ce premier mode de diagnostic 41 consiste à mesurer un premier paramètre P1 représentatif de l’écart d’état de charge entre l’élément de stockage le plus chargé et celui le moins chargé de l’ensemble d’éléments de stockage C1 à Cn. Si cet écart est supérieur à un premier seuil S1, alors au moins un élément de stockage est signalé comme étant défectueux, celui le moins chargé. Le défaut est signalé à l’unité de commande du système de batterie et du superviseur du véhicule pour le signaler via un voyant et/ou pour interdire le démarrage du véhicule.A first diagnostic mode 41 is executed when the battery system is started, for example when the vehicle is started. This first diagnostic mode 41 consists of measuring a first parameter P1 representative of the difference in state of charge between the most charged storage element and the least charged one of the set of storage elements C1 to Cn. If this difference is greater than a first threshold S1, then at least one storage element is reported as being defective, the least charged one. The fault is reported to the control unit of the battery system and the vehicle supervisor to signal it via a warning light and/or to prohibit starting of the vehicle.
En
Dans une variante, le premier paramètre P1 représentatif de l’écart d’état de charge peut être estimé à partir de l’écart entre la valeur moyenne des tensions et la tension minimale mesurée, lesdites tensions étant comprises parmi les tensions mesurées de l’ensemble des éléments de stockage C1 à Cn. Dans une autre variante, le premier mode de diagnostic peut consister à comparer un écart maximal d’état de charge par rapport à un premier seuil S1. La stratégie de détection repose alors sur des modèles d’estimation d’état de charge en fonction de mesures du courant échangé. Le premier mode est donc opérable à tout instant d’usage du système, en roulage ou en charge par exemple.In one variant, the first parameter P1 representative of the state of charge deviation can be estimated from the difference between the average value of the voltages and the minimum voltage measured, said voltages being included among the measured voltages of all the storage elements C1 to Cn. In another variant, the first diagnostic mode can consist of comparing a maximum state of charge deviation with respect to a first threshold S1. The detection strategy is then based on state of charge estimation models based on measurements of the exchanged current. The first mode is therefore operable at any time of use of the system, while driving or charging for example.
Selon l’invention, un deuxième mode de diagnostic 42 est activé uniquement lorsqu’une période d’inaction du dispositif d’équilibrage est détectée et si cette période d’inaction est supérieure à une durée d’inaction prédéterminée comprise entre quinze jours et plusieurs semaines, par exemple quatre semaines environ. Ce deuxième mode de diagnostic 42 vise à s’exécuter ponctuellement durant la vie d’utilisation du véhicule, par exemple seulement une ou deux fois par an, à la différence du premier mode qui s’exécute à chaque démarrage ou périodiquement en roulage ou en charge, par exemple. Ce deuxième mode de diagnostic 42 est apte à déterminer un deuxième paramètre d’autodécharge P2 pour chaque élément de stockage C1 à Cn pour la période d’inaction et à détecter un état défectueux d’un élément de stockage lorsque ledit deuxième paramètre P2 dudit élément de stockage pendant la période d’inaction est supérieur à un deuxième seuil d’autodécharge S2. Le deuxième seuil S2 est exprimé en volts ou points de variation de charge. Le deuxième seuil est compris par exemple entre 0,1 volt et 0,3 volt pour une correspondance en écart d’état de charge entre 3% et 5% de SOC en autodécharge pour une durée de repos des cellules de quatre semaines environ. La stratégie de détection du deuxième mode 42 vise à détecter une cellule qui présente une autodécharge supérieure à une cellule saine. Par exemple, S2 est délivré par une table prenant en entrée la période d’inaction DR et délivrant une valeur d’écart de tension d’autodécharge spécifique à la période d’inaction DR. Le deuxième seuil S2 est déterminé par voie expérimentale et est enregistré en mémoire de l’unité de commande 2. Dans une variante, le deuxième mode 42 estime une valeur moyenne d’autodécharge d’un groupe d’élément de stockage ou de l’ensemble C1 à Cn dans sa totalité et compare le deuxième paramètre d’autodécharge P2 de chaque cellule par rapport à cette moyenne. Le deuxième seuil S2 est alors une valeur correspondant à la moyenne affectée d’un écart autorisé.According to the invention, a second diagnostic mode 42 is activated only when a period of inaction of the balancing device is detected and if this period of inaction is greater than a predetermined duration of inaction of between fifteen days and several weeks, for example approximately four weeks. This second diagnostic mode 42 aims to be executed punctually during the life of use of the vehicle, for example only once or twice a year, unlike the first mode which is executed at each start or periodically while driving or charging, for example. This second diagnostic mode 42 is capable of determining a second self-discharge parameter P2 for each storage element C1 to Cn for the period of inaction and of detecting a defective state of a storage element when said second parameter P2 of said storage element during the period of inaction is greater than a second self-discharge threshold S2. The second threshold S2 is expressed in volts or charge variation points. The second threshold is for example between 0.1 volts and 0.3 volts for a correspondence in state of charge deviation between 3% and 5% of SOC in self-discharge for a cell rest period of approximately four weeks. The detection strategy of the second mode 42 aims to detect a cell which has a self-discharge greater than a healthy cell. For example, S2 is delivered by a table taking as input the inaction period DR and delivering a self-discharge voltage deviation value specific to the inaction period DR. The second threshold S2 is determined experimentally and is recorded in the memory of the control unit 2. In a variant, the second mode 42 estimates an average self-discharge value of a group of storage elements or of the set C1 to Cn in its entirety and compares the second self-discharge parameter P2 of each cell with respect to this average. The second threshold S2 is then a value corresponding to the average affected by an authorized deviation.
Le premier seuil S1 et le deuxième seuil d’autodécharge S2 ont des valeurs différenciées. Par exemple, S1 peut être une valeur fixe ou une valeur calibrée en fonction du taux d’activation du dispositif d’équilibrage sur une période observée et S2 est une valeur qui est fonction de la durée de période d’inaction DR.The first threshold S1 and the second self-discharge threshold S2 have differentiated values. For example, S1 can be a fixed value or a value calibrated according to the activation rate of the balancing device over an observed period and S2 is a value which is a function of the duration of the inaction period DR.
Ce deuxième seuil d’autodécharge S2, différencié du premier seuil S1, permet d’éviter les fausses détections car la stratégie de détection est effectuée individuellement pour chaque élément de stockage et n’est pas affectée par l’éparpillement de mesure qui découlerait de la dispersion des mesures entre les éléments de stockage de la batterie. En outre, cette stratégie permet de calibrer plus sensiblement la détection car elle intervient uniquement après une période d’inaction du dispositif d’équilibrage et individuellement pour chaque cellule.This second self-discharge threshold S2, differentiated from the first threshold S1, makes it possible to avoid false detections because the detection strategy is carried out individually for each storage element and is not affected by the measurement scatter that would result from the dispersion of measurements between the storage elements of the battery. In addition, this strategy makes it possible to calibrate the detection more sensitively because it only occurs after a period of inaction of the balancing device and individually for each cell.
Le deuxième paramètre P2 représentatif de l’autodécharge peut être une estimation de variation d’état de charge, exprimée en volt, en ampères-heures ou en point de capacité totale. L’état de charge ou la tension est déterminable à partir de la mesure de la tension de la cellule par exemple au moyen d’un capteur spécifique à la cellule ou un groupe de cellule.The second parameter P2 representing self-discharge can be an estimate of the variation in state of charge, expressed in volts, ampere-hours or in total capacity points. The state of charge or voltage can be determined from the measurement of the cell voltage, for example using a sensor specific to the cell or a group of cells.
Par ailleurs, il est prévu que le système de batterie 1 soit destiné à communiquer avec un bus de communication 7, par exemple de type CAN (« Controler Area Network ») afin d’échanger des données avec des systèmes externes, par exemple un superviseur 5. Dans un mode de réalisation, la période d’inactivité peut être déterminée à partir de paramètres temporels délivrés par une horloge 6 du superviseur 5. En outre, le système de batterie 1 est apte à signaler l’état de défaut d’un élément de stockage, ou un message d’alerte et de diagnostic vers le superviseur 5, voire commander la mise à l’arrêt temporaire d’un système alimenté par le système de batterie 1.Furthermore, it is provided that the battery system 1 is intended to communicate with a communication bus 7, for example of the CAN (“Controller Area Network”) type in order to exchange data with external systems, for example a supervisor 5. In one embodiment, the period of inactivity can be determined from time parameters delivered by a clock 6 of the supervisor 5. Furthermore, the battery system 1 is capable of signaling the fault state of a storage element, or an alert and diagnostic message to the supervisor 5, or even ordering the temporary shutdown of a system powered by the battery system 1.
Certaines ou toutes les fonctions du système de batterie 1 sont contrôlées par l’unité de commande 2. L’unité de commande 2 peut comprendre au moins un processeur qui exécute des instructions stockées dans un support lisible par ordinateur tel qu'une mémoire non volatile. L’unité de commande 2 peut également être de multiples dispositifs informatiques qui contrôlent des composants individuels ou des sous-systèmes du système de batterie 1 d'une manière distribuée. Le processeur peut être n'importe quel processeur classique, tel qu'une unité centrale de traitement disponible dans le commerce. En variante, le processeur peut être un dispositif dédié tel qu'un circuit intégré spécifique à une application (ASIC) ou un autre processeur matériel.Some or all of the functions of the battery system 1 are controlled by the control unit 2. The control unit 2 may include at least one processor that executes instructions stored in a computer-readable medium such as non-volatile memory. The control unit 2 may also be multiple computing devices that control individual components or subsystems of the battery system 1 in a distributed manner. The processor may be any conventional processor, such as a commercially available central processing unit. Alternatively, the processor may be a dedicated device such as an application-specific integrated circuit (ASIC) or other hardware processor.
En
En parallèle, lors de l’étape E1, l’unité de commande exécute périodiquement un équilibrage des éléments de stockage électrique à partir de vérifications réalisées périodiquement lors de son fonctionnement, par exemple à chaque démarrage du système de batterie.In parallel, during step E1, the control unit periodically performs a balancing of the electrical storage elements based on checks carried out periodically during its operation, for example at each start-up of the battery system.
A une deuxième étape E2, l’unité de commande détecte une requête d’arrêt du système de batterie. Le système de batterie est configuré de manière que l’équilibrage n’est pas actif pendant un arrêt de la batterie.In a second step E2, the control unit detects a request to shut down the battery system. The battery system is configured so that balancing is not active during a battery shutdown.
A une troisième étape E3, l’unité de commande met en œuvre des étapes permettant de détecter une période d’inactivité DR du système d’équilibrage pendant l’arrêt du système de batterie, et la durée de cette inactivité. A cet effet, l’unité de commande exécute l’enregistrement d’un premier instant t1 de la commande d’arrêt du système de batterie, par exemple la date ou toute information temporelle fournie par une horloge ou un système de navigation du véhicule. En outre, l’unité de commande enregistre une première valeur d’un paramètre électrique représentatif de l’état de charge pour chaque élément de stockage à ce premier instant t1. Le paramètre électrique est par exemple la valeur de la tension des cellules à l’instant de l’arrêt du véhicule, ou une estimation d’état de charge.In a third step E3, the control unit implements steps for detecting a period of inactivity DR of the balancing system during the shutdown of the battery system, and the duration of this inactivity. For this purpose, the control unit executes the recording of a first instant t1 of the command to shut down the battery system, for example the date or any time information provided by a clock or a navigation system of the vehicle. In addition, the control unit records a first value of an electrical parameter representative of the state of charge for each storage element at this first instant t1. The electrical parameter is for example the value of the voltage of the cells at the time the vehicle is stopped, or an estimate of the state of charge.
Le système de batterie est commandé à l’arrêt. Le dispositif d’équilibrage est configuré de manière à être inactif pendant la période d’arrêt.The battery system is commanded to be off. The balancing device is configured to be inactive during the off period.
A une quatrième étape E4, à la suite de la période d’arrêt du système, une commande de démarrage est détectée.At a fourth step E4, following the system shutdown period, a start command is detected.
Ensuite, à une cinquième étape E5, l’unité de commande exécute l’enregistrement d’un deuxième instant t2 de la commande de démarrage du système de batterie postérieurement à la commande d’arrêt. Elle mesure en outre une deuxième valeur représentative de l’état de charge de chaque élément de stockage au deuxième instant de démarrage. Le paramètre électrique est par exemple la valeur de la tension des cellules à l’instant de démarrage du véhicule ou une estimation de l’état de charge.Then, in a fifth step E5, the control unit executes the recording of a second instant t2 of the start command of the battery system after the stop command. It also measures a second value representative of the state of charge of each storage element at the second start instant. The electrical parameter is for example the value of the voltage of the cells at the time of starting the vehicle or an estimate of the state of charge.
A une sixième étape E6, l’unité de commande vérifie si la période d’arrêt DR du système, et donc d’inaction du dispositif d’équilibrage, est supérieure à une durée d’inaction prédéterminée D1. La durée D1 est comprise entre quinze jours et plusieurs semaines, par exemple trente jours. La durée est en outre suffisante pour discriminer une cellule ayant une anomalie en autodécharge.In a sixth step E6, the control unit checks whether the system shutdown period DR, and therefore the inaction period of the balancing device, is greater than a predetermined inaction duration D1. The duration D1 is between fifteen days and several weeks, for example thirty days. The duration is also sufficient to discriminate between a cell having a self-discharge anomaly.
Si la durée d’arrêt DR est supérieure à D1, alors l’unité de commande opère, à une septième étape E7, le deuxième mode de diagnostic qui consiste à déterminer le deuxième paramètre P2 représentatif de l’autodécharge pour chaque élément de stockage dudit ensemble du système de batterie pour la période d’inaction DR et à détecter un état défectueux d’un élément de stockage lorsque ledit deuxième paramètre P2 est supérieur à un deuxième seuil S2. Le deuxième paramètre P2 représentatif de l’autodécharge pour chaque cellule est l’écart de tension entre la tension mesurée V1 à l’instant t1 de mise à l’arrêt et la tension mesurée V2 à l’instant de démarrage t2. Le deuxième seuil d’autodécharge S2 est un écart de tension équivalent au double de l’écart de tension résultant de l’autodécharge d’une cellule saine. Par exemple, S2 est délivré par une table prenant en entrée la durée d’inaction DR et délivrant une valeur d’écart de tension d’autodécharge spécifique à la durée d’inaction DR. En cas de détection d’une cellule défectueuse, l’unité de commande de la batterie émet un signal d’alerte, par exemple la commande d’un voyant et/ou la mise à l’arrêt du système.If the shutdown duration DR is greater than D1, then the control unit operates, in a seventh step E7, the second diagnostic mode which consists in determining the second parameter P2 representative of the self-discharge for each storage element of said entire battery system for the inaction period DR and in detecting a defective state of a storage element when said second parameter P2 is greater than a second threshold S2. The second parameter P2 representative of the self-discharge for each cell is the voltage difference between the measured voltage V1 at the shutdown time t1 and the measured voltage V2 at the startup time t2. The second self-discharge threshold S2 is a voltage difference equivalent to twice the voltage difference resulting from the self-discharge of a healthy cell. For example, S2 is delivered by a table taking as input the inaction duration DR and delivering a self-discharge voltage difference value specific to the inaction duration DR. If a faulty cell is detected, the battery control unit issues an alert signal, for example by controlling a warning light and/or shutting down the system.
Le deuxième mode de diagnostic tire profit de la détection d’une situation d’inactivité du dispositif d’équilibrage pendant une durée suffisamment longue pour observer l’autodécharge de chaque élément de stockage individuellement et pour comparer l’autodécharge observée avec le deuxième seuil. Il permet en outre de détecter plusieurs cellules défectueuses car le diagnostic s’opère individuellement pour chaque cellule. Il présente en outre l’avantage d’utiliser une calibration de détection plus précise que la détection se basant sur l’écart entre la tension maximale et la tension minimale de l’ensemble des cellules. De préférence, le deuxième seuil S2 a une valeur inférieure au premier seuil S1. Le deuxième mode est commandé uniquement en cas de détection d’une durée d’inaction suffisamment longue, par exemple environ quatre semaines. Le deuxième mode de diagnostic est opéré une fois pour chaque élément de stockage à l’instant de démarrage, puis le premier mode de diagnostic est activé de nouveau en mode de fonctionnement nominal.The second diagnostic mode takes advantage of the detection of an inactivity situation of the balancing device for a sufficiently long period to observe the self-discharge of each storage element individually and to compare the observed self-discharge with the second threshold. It also makes it possible to detect several defective cells because the diagnosis is carried out individually for each cell. It also has the advantage of using a more precise detection calibration than detection based on the difference between the maximum voltage and the minimum voltage of all the cells. Preferably, the second threshold S2 has a value lower than the first threshold S1. The second mode is controlled only if a sufficiently long inactivity period is detected, for example approximately four weeks. The second diagnostic mode is operated once for each storage element at the start-up time, then the first diagnostic mode is activated again in nominal operating mode.
En outre, si la période d’inaction DR est inférieure à la durée d’inaction prédéterminée D1, alors le premier mode de diagnostic est exécuté au démarrage.Furthermore, if the inaction period DR is less than the predetermined inaction time D1, then the first diagnostic mode is executed at startup.
Le procédé de détection s’applique au système de batterie comportant un dispositif d’équilibrage de l’état de charge des éléments de stockage, et est de préférence mis en œuvre pour système de batterie de véhicule électrifié, notamment véhicule automobile. Le système de batterie est le système de batterie de traction alimentant au moins une machine électrique motrice.The detection method applies to the battery system comprising a device for balancing the state of charge of the storage elements, and is preferably implemented for an electrified vehicle battery system, in particular a motor vehicle. The battery system is the traction battery system powering at least one electric motor machine.
L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que la personne de l’art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.The invention is described in the above by way of example. It is understood that the person skilled in the art is able to produce different variant embodiments of the invention by associating, for example, the different characteristics above taken alone or in combination, without departing from the scope of the invention.
Claims (10)
- la détermination (E6) d’une période d’inaction (DR) du dispositif d’équilibrage (3, 8),
- en cas de détection que la période d’inaction (DR) a une durée supérieure à une durée d’inaction prédéterminée (D1), la commande (E7) d’un deuxième mode de diagnostic (42) consistant à déterminer un deuxième paramètre d’autodécharge (P2) pour chaque élément de stockage dudit ensemble pendant la période d’inaction (DR) et à détecter un élément de stockage défectueux lorsque ledit deuxième paramètre (P2) dudit élément de stockage pour la période d’inaction (DR) est supérieur à un deuxième seuil d’autodécharge (S2).Method for detecting a defective energy storage element among a set of storage elements (C1-Cn) of a battery system (1) comprising a balancing device (3, 8) for said set, the detection method being implemented by a control unit (2) of the battery system (1) and comprising the control (E1) of a first diagnostic mode (41) consisting of detecting a defective storage element when a first parameter (P1) representative of the charge difference between the most charged storage element and the least charged storage element is greater than a first threshold (S1), the method being characterized in that it further comprises the following successive steps:
- the determination (E6) of a period of inaction (DR) of the balancing device (3, 8),
- in the event of detection that the period of inaction (DR) has a duration greater than a predetermined period of inaction (D1), the control (E7) of a second diagnostic mode (42) consisting of determining a second self-discharge parameter (P2) for each storage element of said set during the period of inaction (DR) and detecting a defective storage element when said second parameter (P2) of said storage element for the period of inaction (DR) is greater than a second self-discharge threshold (S2).
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