BATTERIEELECTRIQUE.

Domaine technique

L'invention se rattache au domaine des batteries électriques du type plomb- acide, utilisées comme sources d'énergie électrique dans divers engins ou véhicules, en association avec une source d'énergie principale, constituée généralement par alternateur entraîné par un moteur thermique. Elle concerne plus particulièrement un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie. Par "état de charge" (ou « SOC » pour « state of charge »), on entend la charge électrique stockée dans la batterie. Cet état de charge peut être exprimé soit en Ampère.heure, soit encore en pourcentage par rapport à la capacité nominale de la batterie. Selon le cas, on parle également de l'état de décharge (ou SOD pour "State of Discharge"), qui correspond au complément de l'état de charge par rapport à la capacité nominale.

Dans la suite de la description, l'invention sera décrite plus particulièrement dans son application aux véhicules automobiles, et plus précisément aux camions, mais il va de soi qu'elle peut être appliquée à d'autres engins, véhicules ou appareils.

Techniques antérieures

De façon générale, on constate que de nombreuses immobilisations ou pannes d'un véhicule résultent d'une mauvaise charge de la batterie. En effet, sur les véhicules automobiles, le démarreur électrique utilisé pour les opérations de démarrage est très fortement consommateur de puissance électrique. Il est donc nécessaire que la batterie soit suffisamment chargée pour autoriser le démarrage ou redémarrage des véhicules. En pratique, on considère que l'état de charge d'une batterie doit être supérieure à 50 % pour assurer un redémarrage en toutes circonstances.

On conçoit donc que la mesure de l'état de charge de la batterie est une opération très sensible, compte-tenu des conséquences en terme d'immobilisation des véhicules.

De nombreuses solutions ont déjà été proposées pour assurer une mesure de la charge de la batterie, selon des principes physiques différents. Parmi les systèmes existants, on peut citer les dispositifs simples qui convertissent la mesure de la tension aux bornes de la batterie en un taux d'état de charge, par l'intermédiaire d'un pont diviseur de tension, et un ensemble de diodes d'affichage. Ce dispositif n'est absolument pas fiable, et ne permet pas d'avoir une idée précise du niveau de charge de la batterie.

D'autres solutions plus perfectionnées fonctionnent selon le principe de la mesure de la résistance interne de la batterie, comme décrit dans le document US- 4 888 716. En effet, on considère que la résistance interne d'une batterie plomb- acide ne dépend pas du courant, pour des courants relativement intenses supérieurs à deux fois la capacité nominale de la batterie, et ce tant que l'état de charge est supérieur à 50% environ. Ainsi, lorsque l'on détecte une variation de cette résistance interne pour des courants intenses, on en déduit que l'état de charge est inférieur à 50%.

On connaît également d'autres solutions qui fonctionnement par mesure de la conductance de la batterie, par injection d'une composante de courant alternatif. Ce type de système est relativement efficace et fiable, mais présente l'inconvénient d'être d'un coût très élevé, puisqu'il nécessite un générateur de courant spécifique à cette fonction.

Parmi les autres dispositifs existants, de nombreux fonctionnent sur le principe de la coulométrie. Ce principe consiste à mesurer la charge électrique entrant ou sortant de la batterie, par intégration temporelle du courant de charge et de décharge de la batterie. Ce principe est notamment décrit dans le document JP- 03-231175.

Toutefois, cette méthode se heurte à deux inconvénients majeurs. En effet, la mesure de la charge électrique entrant ou sortant de la batterie est directement fonction du courant mesuré. Or, ce courant peut avoir une intensité très fortement variable, passant de quelques milliampères lorsque le véhicule est à l'arrêt, jusqu'à plusieurs centaines d'ampères lors des phases de démarrage.

Pour obtenir une précision nécessaire au bon calcul de la charge sur toute cette plage d'intensité, il serait nécessaire d'utiliser un capteur ou une sonde de courant extrêmement sophistiqué, ou bien encore d'utiliser plusieurs capteurs affectés chacun à une plage particulière. De telles solutions ne sont bien entendu pas satisfaisantes, car elles augmentent exagérément le prix de revient d'un tel dispositif.

Un autre problème est à prendre en compte lors des mesures de l'état de charge par la méthode de coulométrie. En effet, on a constaté que le rendement de charge d'une batterie évolue dans le temps, et notamment diminue avec l'âge de la batterie. Par « rendement de charge », on entend la charge électrique supplémentaire qui est effectivement stockée pour un nombre d'Ampère.heure donné. Ces constatations ont amené à définir un paramètre de F "état de santé" (ou « SOH » pour « state of health ») de la batterie, permettant de caractériser un état de vieillissement de la batterie. Ce paramètre est généralement considéré comme étant le rapport de la capacité maximale à laquelle peut être chargée la batterie, divisée par sa capacité nominale.

Par ailleurs, le rendement de charge d'une batterie, même neuve, varie avec l'état de charge, et notamment chute lorsque l'état de charge est maximum. En effet, lorsque la batterie est totalement chargée, un courant de charge provoque des phénomènes de dégazage, car la batterie fonctionne alors en hydrolyseur. Autrement dit, le niveau de charge de la batterie n'augmente alors plus, bien que la mesure coulométrique évolue en intégrant un courant non nul. Le document WO 89/01169 présente une méthode cherchant à compenser ce phénomène.

-A- Autrement dit, la méthode de coulométrie présente des imperfections qui obligent à recaler les résultats obtenus avec l'état de charge évalué par une autre méthode.

Ainsi, il est connu de recaler la mesure coulométrique par une mesure de tension à vide de la batterie. En effet, il est généralement admis que la tension à vide d'une batterie, c'est-à-dire sa force électromotriee, est une fonction linéaire de son état de charge. Toutefois, cette linéarité ne s'observe qu'après un certain temps de stabilisation, au cours duquel les phénomènes électrochimiques intervenant à l'intérieur des différents éléments de la batterie atteignent un état d'équilibre. Autrement dit, le réglage de la mesure coulométrique n'est possible par cette méthode qu'après un arrêt suffisant du véhicule, de l'ordre de la dizaine d'heures. Cette méthode ne permet donc pas d'obtenir des résultats pertinents pour des véhicules ayant des arrêts inférieurs à cette durée.

Il est également possible de recaler la mesure de l'état de charge coulométrique par une mesure de la résistance interne de la batterie, comme déjà évoqué ci-avant.

Exposé de l'invention

L'objectif de l'invention est donc de proposer une méthode d'évaluation de l'état de charge, qui donne des résultats fiables en temps réel, et ce sur une large plage de valeurs d'état de charge.

L'invention concerne donc un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie électrique. De façon connue, on calcule un état de charge "coulométrique", obtenu par intégration temporelle de l'intensité du courant de charge et de décharge de la batterie.

Conformément à l'invention, ce procédé se caractérise en ce que l'on calcule, pendant les phases de décharge de la batterie, l'écart entre la valeur d'état de charge coulométrique, et une valeur prédéterminée d'un état de charge théorique,

qui est calculé en fonction de la tension aux bornes de la batterie, de l'intensité du courant de décharge, de la température de la batterie, et de sa capacité nominale. Cet écart est alors utilisé pour modifier le calcul de l'état de charge coulométrique. En particulier, si cet écart dépasse un premier seuil prédéterminé, on peut modifier la valeur courante de l'état de charge coulométrique par la valeur correspondant à l'état de charge théorique.

Autrement dit, l'invention consiste à recaler le modèle coulométrique par un modèle théorique, dont la valeur ne dépend, pour un type de batterie donné, que de trois paramètres mesurés que sont la tension aux bornes de la batterie, l'intensité du courant de décharge et la température de la batterie. Ce modèle théorique est pertinent dans les situations de décharge de la batterie, c'est-à-dire en pratique sur un véhicule, lorsque la puissance consommée par les différents appareils alimentés par la batterie est supérieure à la puissance que peut fournir le dispositif de charge généralement constitué par un alternateur.

En effet, après de multiples essais, le Demandeur a identifié qu'il était possible, pour un courant de décharge et une température de batterie donnés, de déterminer l'état de charge à partir de la tension mesurée aux bornes de la batterie.

En pratique, si pour un nombre déterminé de comparaisons successives, l'écart entre l'état de charge coulométrique et l'état de charge théorique dépasse un second seuil prédéterminé, on peut alors générer une alerte signifiant que le rendement de charge de la batterie est insuffisant, et qu'il est conseillé de procéder au remplacement de la batterie.

En pratique, ce second seuil peut être fixé à une valeur supérieure à valeur de l'état de charge théorique. Autrement dit, lorsque l'état de charge mesuré par coulométrie est supérieur au double de l'état de charge défini par le modèle théorique de l'invention, on en déduit que le rendement de charge est dégradé, et correspond à des batteries dont l'état de santé est insuffisant. Bien entendu, le

choix de la valeur de ce second seuil peut être adapté en fonction du niveau d'état de santé minimum jugé acceptable.

Avantageusement, en pratique, il est également possible de mesurer un état de charge à vide, déterminé à partir de la mesure de la tension à vide aux bornes de la batterie, après une durée d'arrêt prédéterminée. Ainsi, on calcule, pendant les phases où le courant de décharge de la batterie est resté inférieur à une intensité prédéterminée (typiquement inférieure à quelques Ampère), pendant un temps prédéterminé (de l'ordre de plusieurs heures), l'écart entre la valeur d'état de charge coulométrique (SOC _C ) et un état de charge à vide, déterminé à partir de la mesure de la tension à vide aux bornes de la batterie. Si cet écart dépasse un seuil prédéterminé, on modifie la valeur courante de l'état de charge coulométrique (SOC _C ). Ce seuil peut être identique ou différent du seuil choisi pour le recalage décrit ci-dessus. Autrement dit, on utilise alors un second moyen de recalage du modèle coulométrique, utilisable lorsque la consommation de la batterie a été infime pendant une durée suffisante.

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles :

• la figure 1 est un schéma simplifié illustrant les différents éléments intervenant dans le procédé conforme à l'invention ;

• la figure 2 est un organigramme illustrant les différentes étapes du procédé conforme à l'invention ;

• les figures 3, 4 et 5 sont des faisceaux de courbes illustrant à trois températures différentes, la variation de l'état de charge d'une même batterie en fonction de la tension mesurée à ses bornes, pour différentes valeurs de courant de décharge.

Manière de réaliser l'invention

Comme illustré à la figure 1, une batterie électrique (1) est destinée à alimenter une pluralité de charges (2,3) consommatrices d'énergie électrique selon des puissances variables et/ou diverses. La borne (5) de la batterie (1) est reliée au circuit électrique (6) sur lequel est également connecté l'alternateur (7) destiné à charger la batterie (1) lorsqu'il est entraîné par une source d'énergie mécanique, et notamment par le moteur thermique du véhicule.

De façon connue, l'état de charge de la batterie (1) est mesuré par l'intermédiaire d'un calculateur (8) interface avec un capteur de courant (10), un dispositif de mesure de tension (11) et un capteur de température (12).

Plus précisément, le capteur de courant (10) est une sonde utilisée pour la mesure du courant de charge et de décharge de batteries. Cette sonde (10) est apte à délivrer un signal signé, permettant d'identifier si le courant I est un courant de charge ou de décharge. La sonde de courant est disposée sur le circuit électrique (6) en amont de tout consommateur d'énergie électrique, à l'exception du capteur de tension (11). Plus précisément, le capteur de tension (11) est monté sur le circuit électrique (6) le plus près possible de la borne (5) de la batterie, afin de donner une image la plus précise de la tension aux bornes de la batterie (1). Dans le cas où le capteur de tension (11) n'est pas relié directement à la borne (5) de la batterie (1), il est possible de tenir compte du courant mesuré et de la résistance de la fraction du circuit électrique (6) séparant la borne (5) de la batterie du point de connexion (13) du capteur de tension (11), pour corriger la valeur de la tension mesurée, et obtenir une estimation de la tension aux bornes de la batterie.

Le calculateur (8) est également interface avec un capteur de température (12), destiné à donner une image de la température de la batterie (1). Dans la mesure où il n'est pas possible d'installer le capteur de température directement à l'intérieur de la batterie (1), ce capteur (12) est disposé à proximité immédiate de cette dernière, ou tout au moins dans une zone dans laquelle il règne une température assimilable à la température de la batterie (1).

TeI qu'illustré à la figure 2, le procédé conforme à l'invention consiste à calculer (20) l'état de charge de batteries par une intégration temporelle du courant (I) mesuré par le capteur de courant (10), à partir d'une valeur initiale (SOC ₀ ). Cet état de charge coulométrique (SOQ) croît lorsque la batterie se charge, et décroît lorsqu'elle se décharge. Tant que la batterie est en phase de charge, le calcul continue (30) à se faire par l'application du modèle coulométrique.

Selon une caractéristique de l'invention, il est possible de recaler le modèle coulométrique, lorsque la batterie est en situation de décharge. Ces situations interviennent essentiellement lorsque le véhicule est à l'arrêt, et que l'alternateur n'est pas entraîné, ou bien encore lorsque la puissance électrique consommée par les différents appareils connectés sur le circuit électrique (6) est supérieure à celle que peut délivrer l'alternateur (7). Dans le cas où le courant mesuré est négatif, correspondant à une décharge de la batterie (21), on procède conformément à l'invention à la détermination (22) d'un état de charge théorique (SOQ). Cette détermination (22) prend en compte un ensemble de paramètres (23) donnant la variation de l'état de charge (SOC) en fonction de la tension U, pour différentes températures et courants donnés. La manière de déterminer ces différents paramétrages (23) est décrite en détail ci-après.

Il est à noter que le calcul de l'état de charge peut se faire soit à partir des paramétrages précités (23), soit encore à partir de la loi (24) donnant la valeur de l'état de charge en fonction de la tension à vide aux bornes de la batterie. Toutefois, cette dernière loi (24) ne peut être utilisée de manière pertinente que lorsque le courant de décharge est resté (31) à une valeur très faible (ε), typiquement inférieure à quelques ampères, pendant une durée (t) importante, typiquement supérieure à plusieurs (n) heures (32).

L'écart (Δ) entre l'état de charge (SOQ) mesuré par coulométrie, et l'état de charge théorique (SOQ), est alors évalué (25), et comparé (35) à un premier seuil prédéterminé (Si). Si cet écart dépasse ce seuil, la valeur courante de l'état de

charge coulométrique (SOC ₀ ) est alors modifiée (26) pour adopter la valeur de l'état de charge théorique (SOC _t ). Par la suite, le calcul par intégration temporelle du courant I est alors continué, après ce réajustement (34).

Selon une autre caractéristique de l'invention, il est également possible d'entreprendre une action particulière dans le cas où l'écart (Δ) mesuré entre la valeur obtenue par coulométrie (SOC _C ) et la valeur théorique (SOC _t ) sont trop fortement divergentes (27). Dans ce cas, si cet écart dépasse un second seuil prédéterminé (S ₂ ), alors un compteur peut être incrémenté (28), et générer une alerte (29) lorsque ce compteur dépasse un nombre prédéterminé.

En pratique, le second seuil (S ₂ ) peut être fixé à une valeur relativement importante, typiquement de l'ordre de la moitié de l'état de charge théorique (SOC _t ). Dans le cas où cet écart est fréquemment dépassé, typiquement après 4 ou 5 recalages successifs, on peut raisonnablement en déduire que la batterie (1) est dégradée à un point tel que sa charge est difficile, et qu'il convient donc de la remplacer. La comptabilisation (28) permet toutefois d'éviter de déclencher des alertes intempestives, dans le cas où la valeur mesurée par coulométrie s'écarte ponctuellement trop fortement de la valeur théorique, par exemple dans les cas qui suivent une charge prolongée et très importante. En effet, on a vu dans ce cas que le rendement de charge avait tendance à chuter, et que le modèle coulométrique s'écartait de la réalité. Par conséquent, dans le cas d'une charge prolongée, le modèle coulométrique continue à intégrer le courant entrant, ce qui laisse à penser que l'état de charge continue à croître, et peut atteindre une valeur proche de 100%. Ceci n'est pas critique dans le cas des batteries neuves, car après une charge prolongée, l'état de charge s'approche de la valeur nominale. Mais pour les batteries usagées, la valeur de l'état de charge réel peut rester bloquée à un niveau inférieur, qui peut n'être pas très éloigné du niveau en dessous duquel on n'est pas certain d'assurer un redémarrage du véhicule. Il est donc important de pouvoir identifier ces situations.

Toutefois, l'apparition ponctuelle d'un écart peut ne pas être un signe alarmant, car même avec une batterie neuve, une charge prolongée se traduit par des phénomènes d'hydrolyse, qui font dévier le modèle coulométrique de la réalité. D. convient au contraire de générer une alerte uniquement lorsque cette situation perdure. L'invention permet donc de recaler le modèle coulométrique, sans générer d'alertes intempestives.

Selon une caractéristique importante de l'invention, l'état de charge théorique (SOC _t ) est déterminé en phase de décharge par un paramétrage donnant l'état de charge d'une batterie de capacité nominale (Q), pour une tension (U) mesurée à ses bornes, un courant de charge (I) et une température (θ).

Des exemples de ce paramétrage sont illustrés aux figures 3, 4 et 5, pour une batterie de capacité nominale de 170 A.h. Le tableau ci après donne la référence numérique de la courbe sur les figures 3 à 5 en fonction de la température et du courant de décharge.

L'ensemble de ces courbes résulte de la compilation d'une pluralité d'essais réalisés sur un ensemble significatif de batteries selon le mode opératoire suivant, en accord avec la norme EN 60-095. Ainsi, tout d'abord, à une température ambiante de 25 ⁰ C, la batterie est amenée à un état de charge donné compris entre 30 et 100 %. Cet état de charge est obtenu conformément à la norme EN 60-095 par une phase de décharge à courant constant, d'intensité Q/20, jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne 10,5 Volts. La batterie est ensuite rechargée jusqu'à un état de charge de 100 %, à courant ou tension constant, selon les préconisations

de la norme EN 60-095. Ensuite, la batterie est déchargée à courant constant, d'intensité Q/20, jusqu'à l'état de charge souhaité, compris entre 30% et 100%.

Dans une deuxième phase, la batterie est amenée à température voulue, pendant une durée suffisante pour que la température de la masse de plomb qui la compose soit stabilisée. Cette mise en température peut durer plusieurs heures.

Dans une troisième phase, on mesure la tension aux bornes de la batterie, sous différents courants de décharge, compris entre 2 et 200 ampères (voir les courbes illustrées aux figures 3 à 5). Ce courant de décharge est appliqué pendant dix secondes, après lesquelles on mesure la tension aux bornes de la batterie.

L'ensemble de ces différents essais permet donc de tracer les faisceaux de courbes (31-38,41-48,51-58) illustrées aux figures 3 à 5. Ces courbes donnent en abscisse l'état de charge mesuré en A.h, pour une plage allant de 50 à 170 A.h, correspondant à la plage d'état de charge de 30 à 100% mentionnée ci-avant. Ainsi, à partir de la température mesurée, on choisit le faisceau de courbes à utiliser, par exemple le faisceau de la figure 4 si la température est de 25 ⁰ C. Pour un courant donné, on détermine la courbe la plus pertinente parmi les courbes du faisceau, par exemple la courbe référencée (47) si le courant mesuré est de 100A. Cette courbe permet donc de déduire qu'une mesure de tension de 11,5 Volts correspond à un état de charge (SOC) de 115 A.h. en suivant les flèches en traits pointillés.

On notera que ces courbes confirment que l'influence de la température sur l'état de charge d'une batterie plomb-acide. En effet, on constate que pour un même courant de décharge, à un état de charge donné, la tension aux bornes de la batterie s'élève avec la température.

Bien entendu, ce paramétrage peut être programmé à l'intérieur du calculateur (8) de différentes manières. Il est ainsi possible pour une batterie de capacité nominale Q, d'enregistrer dans une table de référence les valeurs de l'état

de charge, correspondant à une température, un courant de décharge et une tension aux bornes de la batterie donnés.

Dans le cas pratique où plusieurs batteries identiques sont mises en séries, le courant mesuré est le même pour chaque batterie. On peut faire l'hypothèse simplificatrice que la tension est également répartie entre chaque batterie, et que toutes les batteries sont donc dans le même état de charge. De la sorte, le modèle théorique décrit ci-avant s'applique en utilisant pour la capacité nominale commune de l'une des batterie, et la tension globale divisée par le nombre de batterie. Toutefois, il est également possible d'appliquer le procédé de l'invention à chaque batterie individuellement, pour évaluer l'état de charge de chaque batterie. Dans ce cas, on effectue la mesure de tension aux bornes de chaque batterie, par exemple à partir de la tension globale et des tensions mesurées aux points milieux entre batteries. Le procédé conforme à l'invention permet de générer une alerte dès lors qu'une des batteries apparaît comme dégradée.

Il ressort de ce qui précède que le procédé conforme à l'invention présente l'avantage de permettre un recalage fréquent du calcul de l'état de charge effectué par coulométrie, de sorte que l'état de charge estimé est plus fiable que ceux élaborés avec les solutions existantes. Des risques de disfonctionnement, par exemple le risque de ne pas pouvoir assurer le démarrage d'un véhicule, sont donc réduits.

Comme déjà évoqué, l'invention trouve une application directe dans la mesure de la charge de la batterie d'un véhicule automobile, du type camion, voiture, mais également de navires, et de manière générale, dans tous systèmes utilisant une batterie électrique alimentant différents consommateurs électriques, et rechargés par un mécanisme du type alternateur transformant une énergie mécanique en énergie électrique.