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WO2023111409A1 - Procede de recalage de l'etat de charge d'un systeme de batterie - Google Patents

Procede de recalage de l'etat de charge d'un systeme de batterie Download PDF

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Publication number
WO2023111409A1
WO2023111409A1 PCT/FR2022/051951 FR2022051951W WO2023111409A1 WO 2023111409 A1 WO2023111409 A1 WO 2023111409A1 FR 2022051951 W FR2022051951 W FR 2022051951W WO 2023111409 A1 WO2023111409 A1 WO 2023111409A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
state
charge
voltage
resetting
battery system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2022/051951
Other languages
English (en)
Inventor
Akram EDDAHECH
Kodjo Senou Rodolphe MAWONOU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSA Automobiles SA
Original Assignee
PSA Automobiles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PSA Automobiles SA filed Critical PSA Automobiles SA
Priority to CN202280082861.1A priority Critical patent/CN118401848A/zh
Priority to EP22801848.7A priority patent/EP4449140A1/fr
Publication of WO2023111409A1 publication Critical patent/WO2023111409A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC

Definitions

  • the field of the invention relates to a method for recalibrating the state of charge of a battery system following a relaxation phase comprising a phase for evaluating a recalibration authorization.
  • the battery system comprises a control unit in charge of supervising the battery, and in particular continuously estimating the state of charge, commonly designated by the English acronym SOC for “State of Charge”.
  • SOC state of Charge
  • the state of charge is initialized to a value determined on the basis of a measurement of the no-load voltage, commonly designated by the acronym OCV for "Open Circuit Voltage”.
  • OCV Open Circuit Voltage
  • the voltage stabilizes following a relaxation period lasting at least about thirty to forty minutes depending on battery chemistry and temperature. This stabilized voltage is interesting because it makes it possible to estimate the state of charge with precision by means of maps obtained during testing matching state of charge values and values of the no-load voltage.
  • the state of charge is updated by current measurements and by calculation of the energy variation.
  • this calculation may be affected by a bias due to errors in the accuracy of the current sensors and the chain.
  • digital information processing in particular. It is therefore necessary to periodically update accurately the state of charge value to ensure optimal operation of the battery system.
  • This operation called retiming or initialization, is carried out by means of correspondence mapping and is generally carried out when the battery system wakes up.
  • the document FR3094796A1 is known describing a process for initializing the state of charge of a battery system.
  • This method teaches to estimate a state of charge on the basis of the value delivered by the no-load voltage map as soon as it is detected that the relaxation duration is greater than a target duration.
  • This operation is automatic because it is considered that the no-load voltage is in a condition to provide an accurate estimate.
  • the readjustment is carried out by taking into account an estimation of error between the value of the no-load voltage for the target duration and the value for the effective duration at initialization.
  • One objective of the invention is to improve the accuracy of the state of charge value during a reset phase following a relaxation of the battery, in particular for LFP type batteries. Another object of the invention is to prevent resetting when the update value is likely to be affected by a significant bias. Another objective is to propose a technique for resetting the state of charge requiring less memory resources than the known solutions.
  • the invention relates to a method for recalibrating a state of charge parameter of an electrochemical battery system comprising a phase evaluation of an authorization of the resetting following a relaxation phase of said battery system, said evaluation phase comprising the following steps: the measurement of an open circuit voltage of the battery system following the relaxation phase, the determination of the duration of the relaxation phase, the execution of a first test consisting in comparing said duration with a first threshold, the execution of a second test based on the measurement of the voltage at empty when said duration is greater than the first threshold and the determination of the state of an authorization of the resetting according to the result of the first test and of the second test, a first state of the authorization authorizing the resetting and a second state of the authorization inhibiting the readjustment.
  • the method further comprises a step of calculating an estimation error of the state of charge based on the measurement of the open-circuit voltage, the second test consists in comparing said error with a second threshold and the authorization is driven in the first state if the error is less than the second threshold and in the second state if the error is greater than the second threshold.
  • the step of calculating the state of charge estimation error consists in calculating a difference between a first state of charge and a second state of charge, the first and the second state of charge being delivered by a map of correspondence between the open circuit voltage and the state of charge.
  • the first state of charge is determined from a first value of the measured no-load voltage and the second state of charge is determined from said first value and a margin predetermined error representative of the measurement accuracy.
  • the measurement step includes filtering of the open circuit voltage during the measurement and the first value is the average value of the open circuit voltage delivered by the filtering.
  • the first state of charge is determined from a second value of the measured no-load voltage representative of the maximum voltage measured and the second state of charge is determined from a third value of the measured no-load voltage representative of the measured minimum voltage.
  • the method further comprises a step of determining the polarization of the current flowing through the battery system prior to the relaxation phase and a step of selecting the map from among at least one charge map and one discharge map in function of polarization.
  • the method also comprises the following steps for determining the polarization of the current: during the relaxation phase, a step for measuring two successive values of the voltage, a step for comparing said two successive values, in the event of detection of a decreasing voltage, the recording of a first piece of information representative of a charging current polarization, and in the event of detection of an increasing voltage, the recording of a second piece of information representative of a current polarization discharge.
  • the authorization is controlled in the second state.
  • an electrified vehicle having an electrochemical battery system including a control unit, which control unit is configured to implement the retiming method according to any of the preceding embodiments.
  • the method according to the invention has the advantage of taking into account the undesirable effects affecting the accuracy of an open circuit voltage measurement.
  • it avoids the effects of voltage hysteresis between a charge and a discharge prior to the relaxation phase, the effects of temperature on the estimation of the state of charge and finally the effects of plateau zones with very little voltage variation for no-load voltage maps.
  • the invention thus improves the precision of an estimation of the instantaneous state of charge during an update following a relaxation phase.
  • the invention avoids the registration operation if the latter is likely to present a significant bias.
  • FIG.1 represents an electrified motor vehicle comprising a battery system configured to implement the invention.
  • FIG.2 represents a map of correspondence between an open circuit voltage and the state of charge for an electrochemical cell characterized by voltage plateaus in relaxation.
  • FIG.3 is a graph illustrating the estimation of the state of charge error conditioning the readjustment authorization in accordance with the method according to the invention.
  • FIG.4 represents an embodiment of the resetting method comprising a phase of evaluating a resetting authorization in accordance with the invention.
  • the invention applies to electrified vehicles, having an electric traction engine.
  • the invention relates more specifically to the supervision of a lithium-ion type electrochemical cell battery system for estimating the state of charge parameter.
  • the term approximately means +/-10% of the indicated value and the limits of a range of values are included in the range.
  • FIG. 1 there is shown schematically a motor vehicle 1 comprising an electrochemical battery system 3 provided to implement the invention and a control unit 2 of the vehicle (commonly also called supervisor, ECU ("Electric Control Unit") or VCU ("Vehicle Control Unit”) responsible for controlling the functional modules of the vehicle.
  • the vehicle comprises a traction module (not shown) provided with an electric traction machine powered by the battery system 3.
  • the battery system 3 comprises a computer control unit 4, designated by the English acronym BMS for "Battery Management System” or TBCU for "Traction Battery Control Unit” and an electrical energy storage means 5 comprising at least one electrochemical cell, for example of the Lithium-ion type.
  • BMS Battery Management System
  • TBCU Traction Battery Control Unit
  • electrical energy storage means 5 comprising at least one electrochemical cell, for example of the Lithium-ion type.
  • the method according to the invention applies in this preferred embodiment to cells of the Lithium Iron Phosphate type.
  • the invention applies to other types of chemistry, for example of the Nickel Manganese Cobalt (NMC), Nickel Cobalt Aluminum (NCA) type, or even of the Lithium Manganese Oxide (LMO) type.
  • NMC Nickel Manganese Cobalt
  • NCA Nickel Cobalt Aluminum
  • LMO Lithium Manganese Oxide
  • the battery system 3 is equipped with a module or a plurality of modules allowing the storage and the return of electrical energy .
  • the or each module comprises a single electrochemical cell or a plurality of electrochemical cells.
  • the modules can be electrically connected in series and/or in parallel depending on the desired electrical specifications.
  • the control unit 4 is suitable for supervising the parameters specific to the battery by means of current and voltage sensors, such as the state of charge expressed by a ratio between the quantity of energy stored at a given moment and the quantity of maximum energy that can be stored at a given time, for example as a percentage, the open circuit voltage expressed in Volts, the charging current expressed in Amperes, the state of health SOH (State of Health), which designates the level parameter aging of the battery expressing a ratio between the maximum quantity of electricity storable at a given instant and the maximum quantity of electricity storable when the battery is new.
  • the control unit 4 further comprises temperature sensors provided for measuring the temperature of the electrochemical cells or a temperature estimator capable of delivering information for the entire battery system.
  • the control unit 4 is capable of determining an off-load voltage value from measurements taken at the terminals of a cell, in particular to determine the state of charge of the cell. In one embodiment, the control unit is able to select the maximum voltage or the minimum voltage of a group of cells or of all the cells forming the battery 3. This with the aim of choosing an off-load voltage for a cell group during the implementation of the method.
  • control unit 4 includes means for estimating the state of charge while driving from an initial state of charge value and measurements of discharge and recharge current flowing through the battery.
  • state of charge is continuously estimated as a function of the instantaneous energy variation.
  • the control unit 4 further comprises means for resetting the state of charge based on a predetermined map of correspondence taking as input an open circuit voltage parameter and delivering an estimate of the state of charge. A correspondence map between the open circuit voltage and the state of charge is recorded in the memory of the control unit 4.
  • control unit 4 is capable of specifically selecting a map as a function of the temperature of the system, of the direction of polarization of the current having passed through the battery before the relaxation phase, and a battery aging state parameter.
  • control unit 4 can comprise in memory several correspondence maps selected specifically according to the polarization, the temperature and the state of aging of the battery. These maps are obtained during testing during the calibration of the battery system and stored in the memory of the control unit 4.
  • a correspondence map recorded in the memory of the control unit 4 has been schematically represented.
  • This is a map specific to the temperature conditions of the battery system and to a current polarization.
  • the map combines no-load voltage values, expressed in volts on the ordinate axis, and state of charge values on the abscissa axis, expressed as a percentage.
  • a map is drawn up during a characterization test of an electrical cell or the battery system and is drawn up in accordance with a standard procedure by the supplier of the electrochemical cell or by the manufacturer of the battery system.
  • the invention has the advantage of evaluating the accuracy of the estimation of the state of charge to authorize or inhibit the resetting operation following a relaxation phase.
  • the invention implements a phase of evaluation of a resetting authorization which takes into account a margin of error in measuring the off-load voltage, in addition to the temperature of the battery system, the direction polarization of the current before the relaxation phase and the duration of relaxation.
  • a relaxation phase is a phase during which the current flowing through the battery is zero.
  • a relaxation phase is, for example, when the battery falls asleep when the vehicle is stationary, parked and the vehicle switched off. The battery system is off. In another relaxation situation, the battery system is on, but there is no current flowing through the battery. The battery system operates in a so-called “exhibition mode” mode used for example in trade fairs and exhibitions. The battery system is energized but remains under zero current.
  • the duration of a relaxation phase makes it possible to accurately estimate the state of charge and must generally be at least greater than approximately 30 or 40 minutes depending on the temperature conditions.
  • the control unit 4 contains in memory a duration threshold, expressed in seconds or minutes, the function of which is to authorize or not the readjustment in accordance with the method according to the invention.
  • the threshold value is between 30 minutes and 180 minutes for example.
  • the threshold value is dependent on the instantaneous temperature according to a model developed during testing and which is recorded in the memory of the control unit 4.
  • the control unit 4 is capable of determining the duration of a relaxation phase, for example by means of the vehicle clock running permanently at the level of the control unit 2 or 4. At the start of a phase relaxation, when the battery system is switched off for example, the control unit 4 collects a first time value, then collects a second value when the resetting authorization evaluation phase is triggered. From these two values, the control unit determines the relaxation time used by the method according to the invention. Alternatively, the relaxation time can be determined using a timer triggered when the battery system is turned off. The control unit 4 is also capable of determining the polarization of the current having passed through the battery prior to a relaxation phase.
  • the polarization is determined at the beginning of the relaxation phase on the basis of the measurement of two successive values of the voltage before the battery 3 falls asleep. Indeed, following a discharge current, the no-load voltage tends to stabilize after a transient increase. Following a recharge current, the no-load voltage tends to stabilize after a transient decrease.
  • the detection of the transient variation of the voltage makes it possible to record a parameter representative of the polarization.
  • a variant is envisaged in which the determination of the polarization is carried out when the battery wakes up during the evaluation of the authorization of the resetting. Another variant provides for detecting the sign of the current just before the relaxation phase and for recording polarization information representative of the sign.
  • the control unit 4 further comprises means for estimating the error in calculating the state of charge on the basis of the correspondence map.
  • the control unit 4 contains in memory a parameter of the margin of error for the measurement of the no-load voltage.
  • the margin of error parameter is a calibratable variable representing the precision of the open-circuit voltage measurement, expressed in millivolts.
  • the parameter takes into account the material constraints, for example the accuracy of the measurement sensors and the accuracy of the voltage information processing chain.
  • the margin of error parameter is configured to a value between 0.1 mV and 5 mV. In a preferred embodiment, the margin of error parameter is configured at 3mV.
  • the estimation of the state of charge calculation error is calculated by measuring the difference between two state of charge values delivered by the map, for example the difference between the average value of the voltage at vacuum measured and the average value integrating the margin of error parameter.
  • the invention advantageously uses the maps already used for estimating the state of charge. The use of additional maps specific to an error calibration is avoided and memory resources are thus saved.
  • FIG. 3 a graph is shown illustrating the estimation of the error delivered by the correspondence map for two levels of margin of error of an open circuit voltage measurement.
  • the ordinate axis represents the SOC_err error of the state of charge, expressed in % of SOC, and the abscissa axis represents the level state of charge of the battery corresponding to the measured no-load voltage.
  • Two curves C1 and C2 are shown and illustrate the SOC_err error resulting from an estimate for a mapping.
  • C1 illustrates the error for the no-load voltage referenced OCVm to which a positive error margin ERR is added, here with a value of around +3mV.
  • C2 illustrates the error for the same voltage measurement OCVm from which the margin of error ERR is subtracted, this time negative, here with a value of about -3mV.
  • the dotted horizontal lines represent an error threshold conditioning the readjustment authorization.
  • the threshold is calibrated at 4%. As seen in the graph, plateau areas on the ranges of approximately 30%-60% of SOC and 70%-95% yield an estimate of SOC error above the 4% threshold. Above the threshold, the recalibration is inhibited. Below this threshold, readjustment is authorized.
  • the estimation of the error is dependent on each map selected according to a charging current, discharge current, temperature and state of aging, and the calibrated margin of error.
  • control unit 4 comprises means for authorizing the readjustment of the state of charge.
  • the authorization is for example a signal, authorizing in a first state or inhibiting in a second state, the readjustment of the state of charge calculated on the basis of the correspondence map.
  • the state of the signal is dependent on the value of the error with respect to the calibrated threshold, for example 4%.
  • the signal can be a boolean signal.
  • An authorization is provided for a cell, for each cell, for a group of cells, or for all the cells of the battery system. When a clearance is evaluated for a cell group, the open-circuit voltage measurement used for the clearance evaluation is chosen by selecting the maximum or minimum open-circuit voltage of the cell group as the input parameter taken into account. account by match mapping.
  • FIG. 4 the process for resetting the state of charge according to the invention has been represented.
  • the method is implemented by the control unit 4 of the vehicle battery system.
  • the control unit is provided with an integrated circuit computer and electronic memories, the computer and the memories being configured to execute the resetting method according to the invention.
  • the computer could be external to the control unit 4, while being coupled to the latter 4. In the latter case, it can itself be arranged in the form of a dedicated computer comprising a possible dedicated program, for example. Consequently, the control unit, according to the invention, can be produced in the form of software (or computer (or even “software”)) modules, or else of electronic circuits (or “hardware”), or even of a combination of electronic circuits and software modules.
  • the readjustment of the state of charge generally takes place when the battery system wakes up. It is contemplated that it can be operated on following any battery relaxation phase.
  • the latter executes preliminary operations for collecting information to calculate the relaxation time on waking and operations for determining the current polarization.
  • the method comprises the measurement of a time reference of the start of the relaxation phase allowing the calculation of the duration of relaxation, for example the information of a clock or the triggering of a time delay.
  • a new time measurement will be performed.
  • the method comprises the measurement of at least two successive values of the open circuit voltage at the terminals of one or each cell, or of a group of cells of the battery.
  • the variation in voltage at the onset of relaxation indicates the polarization of the current, a decreasing current indicating a charging current and an increasing current indicating a discharging current.
  • information representative of its polarization is stored.
  • the battery system is shut down, or in exposure mode.
  • the electrochemical cells are electrically disconnected from the consuming electrical systems.
  • the method provides, in accordance with the invention, a phase for evaluating authorization of the resetting.
  • the evaluation phase comprises a first measurement step E1 of an off-load voltage of the battery system following the relaxation phase.
  • the E1 measurement is made after falling asleep, i.e. upon waking up at the moment the evaluation phase is triggered when the battery is still at zero current.
  • the measurement is preferably carried out for a predetermined duration of approximately 1 second to 2 seconds.
  • the E1 measurement consists of measuring the off-load voltage, for at least one cell, each cell or a group of cells of the battery system.
  • the method preferentially provides for the filtering of the measured voltage.
  • the filtering is for example a calculation processing of the moving average or weighted average over the duration of the measurement.
  • the function of filtering is to eliminate noise on the measurement and to improve the accuracy of the open-circuit voltage value for state-of-charge calculations based on the map.
  • the measurement E1 is also used to determine the polarization of the current during the operating phase of the battery having preceded the relaxation phase.
  • the method comprises determining the relaxation duration D.
  • the method comprises a step of collecting time information, for example information from the clock of the vehicle supervisor or a battery system clock.
  • the duration of relaxation D corresponds to the period delimited by the instant before falling asleep and the instant of awakening.
  • the method comprises a first test E3 consisting in comparing the relaxation duration D with a duration threshold S1 representative of a minimum relaxation duration to carry out a readjustment of the state of charge with sufficient accuracy.
  • the threshold is between 30 minutes and 180 minutes.
  • the value of the threshold S1 is determined according to the instantaneous temperature T of the battery system.
  • the temperature T is collected by means of a battery system sensor, an external temperature sensor or an estimator, for example.
  • the model is developed in test, then saved in memory of the battery system.
  • the threshold S1 can reach a value of 60 to 90 minutes. At a temperature of approximately 25 to 40 degrees Celsius, the threshold S1 is between 40 and 60 minutes. For extremely cold temperatures, the threshold can reach a value of 90 to 180 minutes. If it is detected that the relaxation duration D is less than the threshold S1, the process inhibits the resetting and the resetting process goes directly to step E9, which ends the authorization evaluation phase. The result of the test is indicated “NOK” in FIG. 4, for “Not OK” in English. At this step E9, the recalibration authorization signal S_AUTH is driven into a recalibration inhibition state.
  • the authorization signal S_AUTH in this example a Boolean signal, is driven to the low state or state “0”.
  • the battery system control unit once the evaluation phase is complete, retains the last state of charge value stored before falling asleep.
  • the evaluation phase includes a second test phase corresponding to steps E4, E5, E6 , aimed at calculating the estimation error of the state of charge SOC_err from the measurement E1 of the no-load voltage. And finally, this evaluation phase includes the second test E7 which determines the status of the registration authorization.
  • the second test phase aims to check whether the cells are operating at an electrical voltage level corresponding to a plateau, for example. This situation is likely to alter the accuracy of the estimation of the state of charge from the correspondence mapping. In such a case, provision is made to inhibit the recalibration. Otherwise, the method authorizes the readjustment.
  • step E4 has the function of determining the polarization of the current having passed through the battery prior to the relaxation phase.
  • the polarization is identified by comparing two successive measurements of a cell voltage of the battery to detect whether the voltage has varied upwards or downwards.
  • the control unit consults the polarization information parameter which was recorded when the system was put to sleep. Alternatively, the comparison of the two voltage values is carried out on waking to determine the polarization.
  • the polarization information is obtained by identifying the sign of the current flowing through the battery before the relaxation phase. The bias information is then used to select the state-of-charge and open-circuit voltage correspondence map which is used to calculate the state of charge error.
  • Step E4 can optionally be executed during measurement E1.
  • the method further comprises a step E5 of selecting the correspondence map as a function of the polarization information determined in step E4 and the temperature information T of the battery system at the time of the evaluation of authorization.
  • the method selects a correspondence map between the state of charge and the no-load voltage which is specific to a discharge current.
  • the method selects a load current specific mapping.
  • the selection has the advantage of taking into account the voltage hysteresis resulting from the bias and the temperature to improve the accuracy of the calculation of the state of charge. This improves the robustness of the evaluation phase of the registration authorization.
  • the method further comprises a step of calculating E6 the estimation error of the state of charge SOC_err, where the calculation E6 consists in calculating a difference between a first state of charge SOC1 and a second state of charge SOC2 .
  • the two levels of charge states SOC1 and SOC2 are delivered by the correspondence map which was selected during step E5. This difference is then compared with the calibrated state-of-charge error threshold S2, for example at 4% of state-of-charge points.
  • the first state of charge SOC1 is determined from the average value 0CV_m of the open circuit voltage measured during step E1 and the second state of charge SOC2 is determined from this average value 0CV_m and the margin of error ERR representative of the measurement precision.
  • the average value 0CV_m is the value resulting from the filtering of step E1.
  • SOC1 g(OCV_m)
  • SOC2 g(OCV_m + ERR)
  • g the correspondence function of the mapping used for the calculation
  • 0CV_m the mean measured value of the no-load voltage and the margin of error, here 3mV.
  • the method selects the maximum value in absolute value between:
  • SOC1 can be determined from the maximum value or the minimum value of the open circuit voltage measured during step E1.
  • the state of charge error estimate SOC_err is determined by the mapping from the difference between the value SOC1 corresponding to the maximum value of the measured no-load voltage, and the value SOC2 corresponding to the minimum value measured during step E1.
  • SOC1 is the mean value
  • SOC2 is one of the peak values of the measured no-load voltage, maximum or minimum.
  • the method includes the step of the second test E7 which consists in comparing the error SOC_err calculated in the previous step with the second threshold S2 of state of charge to determine the state of the authorization.
  • the method authorizes in step E8 the readjustment of the state of charge.
  • the result of the test is indicated "OK" in Figure 4.
  • the authorization signal S_AUTH in this example a Boolean signal, is driven high.
  • the battery system control unit once the evaluation phase is complete, activates the readjustment of the state of charge from the correspondence map and the E1 measurement of the no-load voltage. The invention thus improves the robustness of the state of charge information.
  • this case occurs, after a sufficient relaxation time, for a complete recharge reaching 95%-100% of the state of charge of the battery, for a state of charge lower than 30%, or between 60 and 70%.
  • the method inhibits the resetting at step E9.
  • the result of the test is indicated "NOK” in Figure 4. It is estimated that the estimation error is too large, at least with the risk of being greater than the estimation deviation based on consumption. electric.
  • the signal authorization S_AUTH in this example a Boolean signal, is driven low.
  • the battery system control unit once the evaluation phase is complete, retains the last stored state of charge value.
  • the invention applies to any battery-powered device, electrified vehicles with electric traction, car, truck, bus, motorcycle, bicycle, scooter, or even aircraft comprising an on-board electrochemical battery system.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de recalage de l'état de charge d'un système de batterie électrochimique comprenant une phase d'évaluation d'une autorisation du recalage à la suite d'une phase de relaxation comprenant les étapes de la mesure (E1) d'une tension à vide du système de batterie à la suite de la phase de relaxation, la détermination (E2) de la durée de la phase de relaxation, l'exécution d'un premier test (E3) consistant à comparer ladite durée avec un premier seuil (S1), l'exécution d'un deuxième test (E7) se basant sur la mesure (E1) de la tension à vide lorsque ladite durée (D) est supérieure au premier seuil (S1), et la détermination de l'état (E8, E9) d'une autorisation du recalage (S_AUTH) en fonction du résultat du premier test (E3) et du deuxième test (E7), un premier état (E8) de l'autorisation autorisant le recalage et un deuxième état (E9) de l'autorisation inhibant le recalage.

Description

DESCRIPTION
Titre : PROCEDE DE RECALAGE DE L’ETAT DE CHARGE D’UN SYSTEME DE BATTERIE
La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2113544 déposée le 15.12.2021 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
Le domaine de l’invention concerne un procédé de recalage de l’état de charge d’un système de batterie à la suite d’une phase de relaxation comportant une phase d’évaluation d’une autorisation de recalage.
Dans le domaine de l’automobile, notamment des véhicules électrifiés, le système de batterie comporte une unité de commande en charge de la supervision de la batterie, et en particulier d’estimer en permanence l’état de charge, couramment désigné par l’acronyme anglophone SOC pour « State of Charge ». Outre l’importance de délivrer une information d’autonomie fiable au conducteur, elle est essentielle pour la supervision car elle permet de garantir le bon fonctionnement de la batterie, d’optimiser son usage, ainsi que toutes les fonctions énergétiques vitales du véhicule. Classiquement, au réveil de la batterie, l’état de charge est initialisé à une valeur déterminée sur la base d’une mesure de la tension à vide, couramment désignée par l’acronyme OCV pour « Open Circuit Voltage » en anglais. La tension à vide est la tension aux bornes de la batterie à courant nul. La tension se stabilise suite à une période de relaxation d’une durée minimale d’environ trente à quarante minutes selon la chimie de la batterie et de la température. Cette tension stabilisée est intéressante car elle permet d’estimer avec précision l’état de charge au moyen de cartographies obtenues en essai mettant en correspondance des valeurs d’état de charge et des valeurs de la tension à vide.
Ensuite, en fonctionnement, l’état de charge est actualisé par des mesures de courant et par calcul de la variation d’énergie. Cependant, après une certaine durée de fonctionnement et pour certains profils de roulage, de courte durée par exemple ou présentant des pics de courant, ce calcul peut être affecté d’un biais du fait des erreurs de précision des capteurs de courant et de la chaine de traitement numérique des informations, notamment. Il est donc nécessaire de mettre à jour périodiquement de manière précise la valeur d’état de charge afin de garantir un fonctionnement optimal du système de batterie. Cette opération appelée recalage ou initialisation s’effectue au moyen de la cartographie de correspondance et est généralement opérée au réveil du système de batterie.
On connaît le document FR3094796A1 décrivant un procédé d’initialisation de l’état de charge d’un système de batterie. Ce procédé enseigne d’estimer un état de charge sur la base de la valeur délivrée par la cartographie de tension à vide dès que l’on détecte que la durée de relaxation est supérieure à une durée cible. Cette opération est automatique car on considère que la tension à vide est en condition de fournir une estimation précise. Et, lorsque la durée de relaxation n’a pas atteint la durée cible, le recalage s’effectue en prenant en compte une estimation d’erreur entre la valeur de la tension à vide pour la durée cible et la valeur pour la durée effective à l’initialisation.
Cette dernière technique requière des ressources mémoires importantes pour l’enregistrement des cartographies de calibration d’erreurs. Par ailleurs, pour certaines cellules électrochimiques, notamment de type Lithium Fer Phosphate (LFP), le calcul du recalage de l’état de charge peut être affecté d’un biais important de l’ordre de 15 à 30% de points, même lorsque la durée de relaxation cible a été atteinte. En effet, les cartographies pour ce type de cellule se caractérisent par des zones de plateau où une variation d’un demi millivolt entraine une variation de l’état de charge 10 à 15% de points. En outre, les cartographies de correspondance varient de manière conséquente selon la polarisation du courant ayant traversé la batterie avant la phase de relaxation. Cette différence entraine également un biais important lors du recalage.
Il existe donc un besoin de palier les problèmes précités. Un objectif de l’invention est d’améliorer la précision de la valeur d’état de charge lors d’une phase de recalage à la suite d’une relaxation de la batterie, en particulier pour les batteries de type LFP. Un autre objectif de l’invention est d’empêcher le recalage lorsque la valeur de mise à jour est susceptible d’être affectée d’un biais important. Un autre objectif est de proposer une technique de recalage de l’état de charge nécessitant moins de ressources mémoires que les solutions connues.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de recalage d’un paramètre d’état de charge d’un système de batterie électrochimique comprenant une phase d’évaluation d’une autorisation du recalage à la suite d’une phase de relaxation dudit système de batterie, ladite phase d’évaluation comprenant les étapes suivantes : la mesure d’une tension à vide du système de batterie à la suite de la phase de relaxation, la détermination de la durée de la phase de relaxation, l’exécution d’un premier test consistant à comparer ladite durée avec un premier seuil, l’exécution d’un deuxième test se basant sur la mesure de la tension à vide lorsque ladite durée est supérieure au premier seuil et la détermination de l’état d’une autorisation du recalage en fonction du résultat du premier test et du deuxième test, un premier état de l’autorisation autorisant le recalage et un deuxième état de l’autorisation inhibant le recalage.
Selon une variante, le procédé comporte en outre une étape de calcul d’une erreur d’estimation de l’état de charge se basant sur la mesure de la tension à vide, le deuxième test consiste à comparer ladite erreur avec un deuxième seuil et l’autorisation est pilotée dans le premier état si l’erreur est inférieure au deuxième seuil et dans le deuxième état si l’erreur est supérieure au deuxième seuil.
Selon une variante, l’étape de calcul de l’erreur d’estimation de l’état de charge consiste à calculer un écart entre un premier état de charge et un deuxième état de charge, le premier et le deuxième états de charge étant délivrés par une cartographie de correspondance entre la tension à vide et l’état de charge.
Selon un premier mode de calcul de l’erreur, le premier état de charge est déterminé à partir d’une première valeur de la tension à vide mesurée et le deuxième état de charge est déterminé à partir de ladite première valeur et d’une marge d’erreur prédéterminée représentative de la précision de mesure.
Selon une variante du premier mode de calcul, l’étape de mesure comporte un filtrage de la tension à vide durant la mesure et la première valeur est la valeur moyenne de la tension à vide délivrée par le filtrage.
Selon un deuxième mode de calcul de l’erreur, le premier état de charge est déterminé à partir d’une deuxième valeur de la tension à vide mesurée représentative de la tension maximale mesurée et le deuxième état de charge est déterminé à partir d’une troisième valeur de la tension à vide mesurée représentative de la tension minimale mesurée.
Selon une variante, le procédé comporte en outre une étape de détermination de la polarisation du courant traversant le système de batterie préalablement à la phase de relaxation et une étape de sélection de la cartographie parmi au moins une cartographie de charge et une cartographie de décharge en fonction de la polarisation.
Selon une variante, le procédé comporte en outre les étapes suivantes pour déterminer la polarisation du courant : pendant la phase de relaxation, une étape de mesure de deux valeurs successives de la tension, une étape de comparaison desdites deux valeurs successives, en cas de détection d’une tension décroissante, l’enregistrement d’une première information représentative d’une polarisation de courant de recharge, et en cas de détection d’une tension croissante, l’enregistrement d’une deuxième information représentative d’une polarisation de courant de décharge.
Selon une variante, lorsque la durée est inférieure au premier seuil, l’autorisation est pilotée dans le deuxième état.
Il est envisagé en outre un véhicule électrifié comportant un système de batterie électrochimique comprenant une unité de commande, laquelle unité de commande est configurée pour mettre en œuvre le procédé de recalage selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
Le procédé selon l’invention présente l’avantage de prendre en compte les effets indésirables affectant la précision d’une mesure de tension à vide. En particulier, elle évite les effets d’Hystérésis de tension entre une charge et une décharge préalable à la phase de relaxation, les effets de température sur l’estimation de l’état de charge et enfin les effets de zones de plateau avec très peu de variation de tension pour les cartographies de tension à vide. L’invention améliore ainsi la précision d’une estimation de l’état de charge instantané lors d’une mise à jour à la suite d’une phase de relaxation. Enfin, l’invention évite l’opération de recalage si celle-ci est susceptible de présenter un biais important. 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 :
[Fig.1 ] représente un véhicule automobile électrifié comportant un système de batterie configuré pour mettre en œuvre l’invention.
[Fig.2] représente une cartographie de correspondance entre une tension à vide et l’état de charge pour une cellule électrochimique se caractérisant par des plateaux de tension en relaxation.
[Fig.3] est un graphique illustrant l’estimation de l’erreur d’état de charge conditionnant l’autorisation de recalage conformément au procédé selon l’invention.
[Fig .4] représente un mode de réalisation du procédé de recalage comportant une phase d’évaluation d’une autorisation de recalage conformément à l’invention.
L’invention s’applique aux véhicules électrifiés, ayant une motorisation à traction électrique. L’invention concerne plus précisément la supervision d’un système de batterie à cellule électrochimique de type Lithium-ion pour l’estimation du paramètre d’état de charge. Dans la présente description, le terme environ signifie +/-10% de la valeur indiquée et les bornes d’une plage de valeurs sont comprises dans la plage.
En figure 1 , on a représenté schématiquement un véhicule automobile 1 comportant un système de batterie électrochimique 3 prévu pour mettre en œuvre l’invention et une unité de commande 2 du véhicule (couramment appelé également superviseur, ECU (« Electric Control Unit ») ou VCU (« Véhiculé Control Unit ») en charge de piloter les modules fonctionnels du véhicule. Le véhicule comporte un module de traction (non représenté) muni d’une machine électrique de traction alimentée par le système de batterie 3.
Le système de batterie 3 comporte une unité de commande à calculateur 4, désigné par l’acronyme anglophone BMS pour « Battery Management System » ou TBCU pour « Traction Battery Control Unit » et un moyen de stockage d’énergie électrique 5 comprenant au moins une cellule électrochimique, par exemple de type Lithium-ion. Le procédé selon l’invention s’applique dans ce mode de réalisation préférentiel aux cellules de type Lithium Fer Phosphate. L’invention s’applique à d’autres types de chimie, par exemple de type Nickel Manganèse Cobalt (NMC), Nickel Cobalt Aluminium (NCA), ou bien encore de type Lithium Oxyde de Manganèse (LMO).
Classiquement, dans le cas d’une application de véhicule comportant un groupe motopropulseur automobile hybride électrique ou entièrement électrique, le système de batterie 3 est équipé d’un module ou d’une pluralité de modules permettant le stockage et la restitution d’énergie électrique. Le ou chaque module comprend une unique cellule électrochimique ou une pluralité de cellules électrochimiques. Les modules peuvent être connectés électriquement en série et/ou en parallèle selon les spécifications électriques recherchées.
L’unité de commande 4 est adaptée pour superviser les paramètres spécifiques à la batterie au moyen de capteurs de courant et tension, tels l’état de charge 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, par exemple en pourcentage, la tension de circuit ouvert 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. L’unité de commande 4 comporte en outre des capteurs de température prévus pour mesurer la température des cellules électrochimiques ou un estimateur de température apte à délivrer l’information pour l’ensemble du système de batterie.
L’unité de commande 4 est apte à déterminer une valeur de tension à vide à partir de mesures opérées aux bornes d’une cellule, notamment pour déterminer l’état de charge de la cellule. Dans un mode de réalisation, l’unité de commande est apte à sélectionner la tension maximale ou la tension minimale d’un groupe de cellules ou de toutes les cellules formant la batterie 3. Ceci dans le but de choisir une tension à vide pour un groupe de cellule lors de la mise en œuvre du procédé.
En outre, l’unité de commande 4 comporte des moyens d’estimation de l’état de charge en roulage à partir d’une valeur initiale d’état de charge et de mesures de courant de décharge et de recharge traversant la batterie. Ainsi, l’état de charge est estimé en permanence en fonction de la variation d’énergie instantanée. L’unité de commande 4 comporte en outre des moyens de recalage de l’état de charge se basant sur une cartographie prédéterminée de correspondance prenant en entrée un paramètre de tension à vide et délivrant une estimation de l’état de charge. Une cartographie de correspondance entre la tension à vide et l’état de charge est enregistrée en mémoire de l’unité de commande 4.
En outre, afin d’obtenir une estimation précise en fonction des conditions instantanées de fonctionnement de la batterie, l’unité de commande 4 est apte à sélectionner spécifiquement une cartographie en fonction de la température du système, du sens de polarisation du courant ayant traversé la batterie avant la phase de relaxation, et d’un paramètre d’état de vieillissement de la batterie. A cet effet, l’unité de commande 4 peut comprendre en mémoire plusieurs cartographies de correspondance sélectionnâmes spécifiquement en fonction de la polarisation, de la température et de l’état de vieillissement de la batterie. Ces cartographies sont obtenues en essai lors de la calibration du système de batterie et enregistrées en mémoire de l’unité de commande 4.
A titre d’exemple, en figure 2, on a représenté schématiquement une cartographie de correspondance enregistrée en mémoire de l’unité de commande 4. Il s’agit d’une cartographie spécifique à des conditions de température du système de batterie et à une polarisation du courant. La cartographie associe des valeurs de tension à vide, exprimées en Volt sur l’axe des ordonnées, et des valeurs d’état de charge sur l’axe des abscisses, exprimées en pourcentage. Classiquement, une cartographie est élaborée en essai de caractérisation d’une cellule électrique ou du système de batterie et est élaborée conformément à une procédure standard par le fournisseur de la cellule électrochimique ou par le constructeur du système de batterie.
Comme cela est visible sur la figure 2, pour une cellule de type LFP, il existe des zones de plateau, entourées en pointillées, où les valeurs d’état de charge sont particulièrement sensibles à la précision de la tension à vide. Sur les zones de 30% à 60% d’état de charge et 70% à 95% d’état de charge, un écart de 0,5 millivolts entraine une variation de l’estimation de l’état de charge d’environ 10% à 15%. Si les capteurs de mesure et la chaine de traitement délivrent une valeur de tension à vide avec une précision de quelques millivolts, la cartographie est susceptible de délivrer une valeur de d’état de charge avec une variation pouvant atteindre 30% selon la zone de fonctionnement. Un recalage dans ces conditions n’est pas souhaitable. L’invention présente l’avantage d’évaluer la précision de l’estimation de l’état de charge pour autoriser ou inhiber l’opération de recalage à la suite d’une phase de relaxation. A cet effet, l’invention met en œuvre une phase d’évaluation d’une autorisation de recalage qui prend en compte une marge d’erreur de mesure de la tension à vide, en plus de la température du système de batterie, du sens de polarisation du courant avant la phase de relaxation et la durée de relaxation.
On rappelle qu’une phase de relaxation est une phase durant laquelle le courant traversant la batterie est nul. Une phase de relaxation est par exemple un endormissement de la batterie lorsque le véhicule est mis à l’arrêt, en stationnement et véhicule éteint. Le système de batterie est éteint. Dans une autre situation de relaxation, le système de batterie est allumé, mais il n’y a pas de courant traversant la batterie. Le système de batterie fonctionne dans un mode dit « mode d’exposition » utilisé par exemple en foire et salon d’exposition. Le système de batterie est sous tension mais reste sous courant nul.
La durée d’une phase de relaxation permet d’estimer avec précision l’état de charge et doit être généralement au moins supérieure à 30 ou 40 minutes environ selon les conditions de température.
L’unité de commande 4 contient en mémoire un seuil de durée, exprimé en secondes ou minutes, dont la fonction est d’autoriser ou non le recalage conformément au procédé selon l’invention. La valeur du seuil est comprise entre 30 minutes et 180 minutes par exemple. La valeur du seuil est dépendante de la température instantanée selon un modèle élaboré en essai et qui est enregistré en mémoire de l’unité de commande 4.
L’unité de commande 4 est apte à déterminer la durée d’une phase de relaxation, au moyen par exemple de l’horloge du véhicule fonctionnant en permanence au niveau de l’unité de commande 2 ou 4. Au début d’une phase de relaxation, à l’extinction du système de batterie par exemple, l’unité de commande 4 collecte une première valeur temporelle, puis, collecte une deuxième valeur au déclenchement de la phase d’évaluation de l’autorisation de recalage. A partir de ces deux valeurs, l’unité de commande détermine la durée de relaxation utilisée par le procédé selon l’invention. En variante, la durée de relaxation peut être déterminée au moyen d’une temporisation déclenchée lors de la mise à l’arrêt du système de batterie. L’unité de commande 4 est apte en outre à déterminer la polarisation du courant ayant traversé la batterie préalablement à une phase de relaxation. La polarisation est déterminée au début de la phase de relaxation sur la base de la mesure de deux valeurs successives de la tension avant l’endormissement de batterie 3. En effet, suite à un courant de décharge, la tension à vide tend à se stabiliser après une augmentation transitoire. Suite à un courant de recharge, la tension à vide tend à se stabiliser après une diminution transitoire. La détection de la variation transitoire de la tension permet d’enregistrer un paramètre représentatif de la polarisation. On envisage une variante dans laquelle la détermination de la polarisation s’effectue au réveil de batterie lors de l’évaluation de l’autorisation du recalage. Une autre variante prévoit de détecter le signe du courant juste avant la phase de relaxation et d’enregistrer une information de polarisation représentatif du signe.
L’unité de commande 4 comporte en outre un moyen d’estimation de l’erreur de calcul de l’état de charge sur la base de la cartographie de correspondance. A cet effet, l’unité de commande 4 contient en mémoire un paramètre de marge d’erreur de la mesure de la tension à vide. Le paramètre de marge d’erreur est une variable calibrable représentative de la précision de la mesure de la tension à vide, exprimée en millivolts. Le paramètre prend en compte les contraintes matérielles, par exemple la précision des capteurs de mesure et la précision de la chaine de traitement de l’information de la tension. Le paramètre de marge d’erreur est configuré à une valeur comprise entre 0,1 mV et 5mV. Dans un mode de réalisation préférentiel, le paramètre de marge d’erreur est configuré à 3mV.
L’estimation de l’erreur de calcul de l’état de charge est calculée par la mesure de l’écart entre deux valeurs d’état de charge délivrées par la cartographie, par exemple l’écart entre la valeur moyenne de la tension à vide mesurée et la valeur moyenne intégrant le paramètre de marge d’erreur. L’invention utilise avantageusement les cartographies déjà utilisées pour l’estimation de l’état de charge. On évite l’usage de cartographies supplémentaires spécifiques à une calibration d’erreur et on économise ainsi des ressources mémoires.
En figure 3, on a représenté un graphique illustrant l’estimation de l’erreur délivrée par la cartographie de correspondance pour deux niveaux de marge d’erreur d’une mesure de tension à vide. L’axe des ordonnées représente l’erreur SOC_err de l’état de charge, exprimée en % de SOC, et l’axe des abscisses représente le niveau d’état de charge de la batterie correspondant à la tension à vide mesurée. Deux courbes C1 et C2 sont représentées et illustrent l’erreur SOC_err résultant d’une estimation pour une cartographie. C1 illustre l’erreur pour la tension à vide référencée OCVm à laquelle on ajoute une marge d’erreur ERR positive, ici de valeur d’environ +3mV. C2 illustre l’erreur pour la même mesure de tension OCVm à laquelle on soustrait la marge d’erreur ERR, cette fois négative, ici de valeur d’environ -3mV.
Les lignes horizontales en trait pointillé représentent un seuil d’erreur conditionnant l’autorisation de recalage. Dans cet exemple non limitatif, le seuil est calibré à 4%. Comme on le voit sur le graphique, les zones de plateau sur les plages d’environ 30%-60% du SOC et 70%-95% délivrent une estimation de l’erreur du SOC supérieure au seuil de 4%. Au-dessus du seuil, le recalage est inhibé. Sous ce seuil, le recalage est autorisé.
On notera que l’estimation de l’erreur est dépendante de chaque cartographie sélectionnée en fonction d’un courant de charge, courant de décharge, température et état de vieillissement, et de la marge d’erreur calibrée.
Enfin, l’unité de commande 4 comporte un moyen d’autorisation du recalage de l’état de charge. L’autorisation est par exemple un signal, autorisant dans un premier état ou inhibant dans un deuxième état, le recalage de l’état de charge calculé sur la base de la cartographie de correspondance. L’état du signal est dépendant de la valeur de l’erreur par rapport au seuil calibré, par exemple 4%. Le signal peut être un signal booléen. Une autorisation est prévue pour une cellule, pour chaque cellule, pour un groupe de cellules, ou pour l’ensemble des cellules du système de batterie. Lorsqu’une autorisation est évaluée pour un groupe de cellules, la mesure de la tension à vide utilisée pour l’évaluation de l’autorisation est choisie en sélectionnant la tension à vide maximale ou minimale du groupe de cellules comme paramètre d’entrée pris en compte par la cartographie de correspondance.
En figure 4, on a représenté le procédé de recalage de l’état de charge selon l’invention. Le procédé est mis œuvre par l’unité de commande 4 du système de batterie du véhicule. L’unité de commande est munie d’un calculateur à circuits intégrés et de mémoires électroniques, le calculateur et les mémoires étant configurés pour exécuter le procédé de recalage selon l’invention. Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, le calculateur pourrait être externe à l’unité de commande 4, tout en étant couplé à cette dernière 4. Dans ce dernier cas, il peut être lui-même agencé sous la forme d’un calculateur dédié comprenant un éventuel programme dédié, par exemple. Par conséquent, l’unité de commande, selon l’invention, peut être réalisé sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels.
Le recalage de l’état de charge se réalise généralement au réveil du système de batterie. On envisage qu’il puisse être opéré à la suite de toute phase de relaxation de la batterie.
Avant la phase de relaxation, lors d’un arrêt de l’unité de commande du système de batterie, celle-ci exécute des opérations préalables de collecte d’informations pour calculer la durée de relaxation au réveil et des opérations pour la détermination de la polarisation du courant.
A cet effet, le procédé comporte la mesure d’une référence temporelle de début de la phase de relaxation permettant le calcul de la durée de relaxation, par exemple l’information d’une horloge ou le déclenchement d’une temporisation. Au réveil, une nouvelle mesure temporelle sera effectuée.
En outre, le procédé comporte la mesure d’au moins deux valeurs successives de la tension à vide aux bornes d’une ou de chaque cellule, ou d’un groupe de cellules de la batterie. La variation de tension en début de relaxation indique la polarisation du courant, un courant décroissant indiquant un courant de charge et un courant croissant indiquant un courant de décharge. Eventuellement, avant l’arrêt du courant, on mémorise une information représentative de sa polarisation.
Une fois ces mesures préalables effectuées, le système de batterie est mis à l’arrêt, ou en mode exposition. Eventuellement, les cellules électrochimiques sont déconnectées électriquement des systèmes électriques consommateurs.
Ensuite, au réveil, l’unité de commande initie le procédé de recalage. Avant une mise sous courant, le procédé prévoit conformément à l’invention une phase d’évaluation d’une autorisation du recalage. La phase d’évaluation comporte une première étape de mesure E1 d’une tension à vide du système de batterie à la suite de la phase de relaxation. La mesure E1 s’effectue après l’endormissement, c’est-à- dire au réveil à l’instant de déclenchement de la phase d’évaluation lorsque la batterie est encore sous courant nul. La mesure est réalisée de préférence durant une durée prédéterminée d’environ 1 seconde à 2 secondes. La mesure E1 consiste à mesurer la tension à vide, pour au moins une cellule, chaque cellule ou un groupe de cellules du système de batterie.
Durant la mesure E1 , le procédé prévoit préférentiellement le filtrage de la tension mesurée. Le filtrage est par exemple un traitement de calcul de la moyenne glissante ou moyenne pondérée sur la durée de la mesure. Le filtrage a pour fonction d’éliminer le bruit sur la mesure et d’améliorer la précision de la valeur de la tension à vide pour les calculs de l’état de charge sur la base de la cartographie.
Eventuellement, la mesure E1 sert également à déterminer la polarisation du courant durant la phase de fonctionnement de la batterie ayant précédée la phase de relaxation.
A une deuxième étape E2, le procédé comporte la détermination de la durée de relaxation D. A cet effet, au réveil de la batterie, le procédé comporte une étape de collecte de l’information temporelle, par exemple une information de l’horloge du superviseur du véhicule ou d’une horloge du système de batterie. La durée de relaxation D correspond à la période délimitée par l’instant avant l’endormissement et l’instant du réveil.
Ensuite, à une troisième étape E3, le procédé comporte un premier test E3 consistant à comparer la durée de relaxation D avec un seuil de durée S1 représentatif d’une durée de relaxation minimale pour effectuer un recalage de l’état de charge avec suffisamment de précision. Le seuil est compris entre 30 minutes et 180 minutes. La valeur du seuil S1 est déterminée en fonction de la température instantanée T du système de batterie. Un modèle f enregistré en mémoire de l’unité de commande est consulté pour estimer le seuil S1 , où S1 =f(T). La température T est collectée au moyen d’un capteur du système de batterie, d’un capteur de température externe ou d’un estimateur, par exemple. Le modèle est élaboré en essai, puis enregistré en mémoire du système de batterie. A titre d’exemple non limitatif, à températures froides, par exemple proches de zéro degré Celsius ou moins, le seuil S1 peut atteindre une valeur de 60 à 90 minutes. A température d’environ 25 à 40 degrés Celsius, le seuil S1 est compris entre 40 et 60 minutes. Pour les températures extrêmement froides, le seuil peut atteindre une valeur de 90 à 180 minutes. En cas de détection que la durée de relaxation D est inférieure au seuil S1 , le procédé inhibe le recalage et le procédé de recalage passe directement à l’étape E9, ce qui met fin à la phase d’évaluation de l’autorisation. Le résultat du test est indiqué « NOK » sur la figure 4, pour « Not OK » en anglais. A cette étape E9, le signal d’autorisation S_AUTH du recalage est piloté dans un état d’inhibition du recalage. On juge que la tension à vide n’est pas suffisamment stabilisée pour estimer précisément l’état de charge. Le signal d’autorisation S_AUTH, dans cet exemple un signal booléen, est piloté à l’état bas ou état « 0 ». L’unité de commande du système de batterie, une fois la phase d’évaluation terminée, conserve la dernière valeur d’état de charge mémorisée avant l’endormissement.
En cas de détection que la durée de relaxation D est supérieure au seuil S1 (le résultat du test est indiqué « OK » sur la figure 4), la phase d’évaluation comporte une deuxième phase de test correspondant aux étapes E4, E5, E6, visant à calculer l’erreur d’estimation de l’état de charge SOC_err à partir de la mesure E1 de la tension à vide. Et enfin, cette phase d’évaluation comporte le deuxième test E7 qui détermine l’état de l’autorisation du recalage.
La deuxième phase de test vise à vérifier si les cellules fonctionnent sur un niveau de tension électrique correspondant à un plateau, par exemple. Cette situation est susceptible d’altérer la précision de l’estimation de l’état de charge à partir de la cartographie de correspondance. Dans un tel cas, il est prévu d’inhiber le recalage. Dans le cas contraire, le procédé autorise le recalage.
Plus précisément, l’étape E4 a pour fonction de déterminer la polarisation du courant ayant traversé la batterie préalablement à la phase de relaxation. Selon un mode, la polarisation est identifiée en comparant deux mesures successives d’une tension de cellule de la batterie pour détecter si la tension a varié en croissance ou en décroissance. A cette étape, l’unité de commande consulte le paramètre d’information de polarisation qui a été enregistré lors de l’endormissement du système. Alternativement, la comparaison des deux valeurs de la tension s’effectue au réveil pour déterminer la polarisation. Dans un autre mode, l’information de polarisation est obtenue par l’identification du signe du courant traversant la batterie avant la phase de relaxation. L’information de polarisation sert ensuite à sélectionner la cartographie de correspondance d’état de charge et de la tension à vide qui est utilisée pour calculer l’erreur d’état de charge. L’étape E4 peut éventuellement être exécutée lors de la mesure E1 .
Plus précisément, le procédé comporte en outre une étape de sélection E5 de la cartographie de correspondance en fonction de l’information de polarisation déterminée à l’étape E4 et l’information de température T du système de batterie au moment de l’évaluation de l’autorisation. Pour une polarisation de courant de décharge, le procédé sélectionne une cartographie de correspondance entre l’état de charge et la tension à vide qui est spécifique à un courant de décharge. Pour une polarisation de courant de charge, le procédé sélectionne une cartographie de correspondance spécifique à un courant de charge.
La sélection présente l’avantage de prendre en compte l’hystérésis de tension résultant de la polarisation et la température pour améliorer la précision du calcul de l’état de charge. Cela améliore la robustesse de la phase d’évaluation de l’autorisation de recalage.
Ensuite, le procédé comporte en outre une étape de calcul E6 de l’erreur d’estimation de l’état de charge SOC_err, où le calcul E6 consiste à calculer un écart entre un premier état de charge SOC1 et un deuxième état de charge SOC2. Les deux niveaux d’états de charge SOC1 et SOC2 sont délivrés par la cartographie de correspondance qui a été sélectionnée lors de l’étape E5. Cet écart est ensuite comparé avec le seuil calibré S2 d’erreur d’état de charge, par exemple à 4% de points d’état de charge.
Dans un premier mode de calcul, le premier état de charge SOC1 est déterminé à partir de la valeur moyenne 0CV_m de la tension à vide mesurée lors de l’étape E1 et le deuxième état de charge SOC2 est déterminé à partir de cette valeur moyenne 0CV_m et de la marge d’erreur ERR représentative de la précision de mesure. La valeur moyenne 0CV_m est la valeur résultante du filtrage de l’étape E1 .
Plus précisément, SOC1 est égale à la relation suivante, SOC1 = g(OCV_m), et, SOC2 est égale à la relation suivante, SOC2 = g(OCV_m + ERR), où g est la fonction de correspondance de la cartographie utilisée pour le calcul, 0CV_m est la valeur moyenne mesurée de la tension à vide et la marge d’erreur, ici de 3mV. En complément ou alternativement, SOC2 est égale à la relation suivante, SOC2= g(OCV_m - ERR). De préférence, pour déterminer l’estimation d’erreur, le procédé sélectionne la valeur maximum en valeur absolue entre :
[SOC1 - g(OCV_m + ERR)] et [SOC1 - g(OCV_m - ERR)]
Selon une variante du premier mode de calcul, on envisage que SOC1 puisse être déterminée à partir de la valeur maximale ou la valeur minimale de la tension à vide mesurée lors de l’étape E1 .
Dans un deuxième mode de calcul, l’estimation d’erreur d’état de charge SOC_err est déterminée par la cartographie à partir de l’écart entre la valeur SOC1 correspondant à la valeur maximale de la tension à vide mesurée, et la valeur SOC2 correspondant à la valeur minimale mesurée durant l’étape E1. Dans une autre variante, SOC1 est la valeur moyenne et SOC2 est une des valeurs de crêtes de la tension à vide mesurée, maximale ou minimale. Ainsi, l’invention permet d’établir une erreur spécifique à chaque cellule ou chaque groupe de cellule. Ceci présente l’avantage de prendre en compte la déviation de fabrication des cellules.
Ensuite, le procédé comporte l’étape du deuxième test E7 qui consiste à comparer l’erreur SOC_err calculée à l’étape précédente avec le deuxième seuil S2 d’état de charge pour déterminer l’état de l’autorisation.
Si l’erreur SOC_err est inférieure au seuil S2, alors le procédé autorise à l’étape E8 le recalage de l’état de charge. Le résultat du test est indiqué « OK » sur la figure 4. Le signal d’autorisation S_AUTH, dans cet exemple un signal booléen, est piloté à l’état haut. L’unité de commande du système de batterie, une fois la phase d’évaluation terminée active le recalage de l’état de charge à partir de la cartographie de correspondance et de la mesure E1 de la tension à vide. L’invention améliore ainsi la robustesse de l’information d’état de charge.
Pour illustrer cette situation, au regard des figures 2 et 3, ce cas intervient, après une durée de relaxation suffisante, pour une recharge complète atteignant 95%-100% d’état de charge de la batterie, pour un état de charge inférieur à 30%, ou bien compris entre 60 et 70%.
Si l’erreur est supérieure à S2, alors le procédé inhibe le recalage à l’étape E9. Le résultat du test est indiqué « NOK » sur la figure 4. On estime en effet, que l’erreur d’estimation est trop importante, du moins avec le risque d’être supérieure à la déviation d’estimation se basant sur la consommation électrique. Le signal d’autorisation S_AUTH, dans cet exemple un signal booléen, est piloté à l’état bas. L’unité de commande du système de batterie, une fois la phase d’évaluation terminée conserve la dernière valeur d’état de charge mémorisée.
Il est prévu selon l’invention de mettre en œuvre un signal d’autorisation S_AUTH pour une cellule ou chaque cellule du système de batterie. On envisage qu’un unique signal d’autorisation soit mis œuvre pour un groupe de cellules. La tension à vide mesurée est alors la tension maximale ou minimale choisie parmi les tensions du groupe de cellule ou une tension référence d’une unique cellule du groupe.
L’invention s’applique à tout dispositif à batterie, véhicules électrifiés à traction électrique, voiture, camion, bus, motocyclette, bicyclette, trottinette, ou bien encore aéronef comportant un système de batterie électrochimique embarqué.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de recalage d’un paramètre d’état de charge d’un système de batterie électrochimique (3) comprenant une phase d’évaluation d’une autorisation du recalage à la suite d’une phase de relaxation dudit système de batterie (3), ladite phase d’évaluation comprenant les étapes suivantes :
- la mesure (E1 ) d’une tension à vide du système de batterie (3) à la suite de la phase de relaxation,
- la détermination (E2) de la durée (D) de la phase de relaxation,
- l’exécution d’un premier test (E3) consistant à comparer ladite durée (D) avec un premier seuil (S1 ),
- le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre l’exécution d’un deuxième test (E7) se basant sur la mesure (E1 ) de la tension à vide lorsque ladite durée (D) est supérieure au premier seuil (S1 ) et la détermination de l’état (E8, E9) d’une autorisation du recalage (S_AUTH) en fonction du résultat du premier test (E3) et du deuxième test (E7), un premier état (E8) de l’autorisation autorisant le recalage et un deuxième état (E9) de l’autorisation inhibant le recalage.
2. Procédé de recalage selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comporte en outre une étape de calcul (E6) d’une erreur d’estimation de l’état de charge (SOC_err) se basant sur la mesure (E1 ) de la tension à vide, en ce que le deuxième test (E7) consiste à comparer ladite erreur (SOC_err) avec un deuxième seuil (S2) et en ce que l’autorisation (S_AUTH) est pilotée dans le premier état (E8) si l’erreur est inférieure au deuxième seuil (S2) et dans le deuxième état (E9) si l’erreur est supérieure au deuxième seuil (S2).
3. Procédé de recalage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape de calcul (E6) de l’erreur d’estimation de l’état de charge (SOC_err) consiste à calculer un écart entre un premier état de charge (SOC1 ) et un deuxième état de charge (SOC2), le premier et le deuxième états de charge (SOC1 , SOC2) étant délivrés par une cartographie de correspondance entre la tension à vide et l’état de charge.
4. Procédé de recalage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier état de charge (SOC1 ) est déterminé à partir d’une première valeur (OCV_m) de la tension à vide mesurée et en ce que le deuxième état de charge (SOC2) est déterminé à partir de ladite première valeur (OCV_m) et d’une marge d’erreur prédéterminée (ERR) représentative de la précision de mesure.
5. Procédé de recalage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’étape de mesure (E1 ) comporte un filtrage de la tension à vide durant la mesure (E1 ) et en ce que la première valeur (OCV_m) est la valeur moyenne de la tension à vide délivrée par le filtrage.
6. Procédé de recalage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier état de charge (SOC1 ) est déterminé à partir d’une deuxième valeur de la tension à vide mesurée représentative de la tension maximale mesurée et en ce que le deuxième état de charge (SOC2) est déterminé à partir d’une troisième valeur de la tension à vide mesurée représentative de la tension minimale mesurée.
7. Procédé de recalage selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une étape de détermination (E4) de la polarisation du courant traversant le système de batterie (3) préalablement à la phase de relaxation et une étape de sélection (E5) de la cartographie parmi au moins une cartographie de charge et une cartographie de décharge en fonction de la polarisation.
8. Procédé de recalage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comporte en outre les étapes suivantes pour déterminer la polarisation du courant :
- pendant la phase de relaxation, une étape de mesure de deux valeurs successives de la tension,
- une étape de comparaison desdites deux valeurs successives,
- en cas de détection d’une tension décroissante, l’enregistrement d’une première information représentative d’une polarisation de courant de recharge, et en cas de détection d’une tension croissante, l’enregistrement d’une deuxième information représentative d’une polarisation de courant de décharge.
9. Procédé de recalage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lorsque la durée (D) est inférieure au premier seuil (S1 ), l’autorisation est pilotée dans le deuxième état (E9).
10. Véhicule électrifié (1) comportant un système de batterie électrochimique (3) comprenant une unité de commande (4), caractérisé en ce que l’unité de commande (4) est configurée pour mettre en œuvre le procédé de recalage selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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