Domaine de l’invention

La présente invention concerne une méthode d’estimation de l’état de santé d’une batterie. Elle concerne notamment les batteries prévues pour alimenter les véhicules automobiles électriques ou hybrides.

Art antérieur

La détermination de l’état de santé, ou du vieillissement, d’une batterie est un critère essentiel pour caractériser l’état d’une batterie, afin d’optimiser la décharge/charge d’énergie, ainsi que la durée de vie des accumulateurs de la batterie.

L’état de santé d’une batterie, ou SOH (de l’anglais « State of Health ») peut être défini par le ratio de la capacité de la batterie à stocker de l’énergie à un instant t, par rapport à la capacité nominale de la batterie à stocker de l’énergie (c’est-à- dire la capacité de la batterie neuve, avant toute utilisation). Il s’agit donc d’un indicateur de l’état de santé d’une batterie rendant compte du niveau de dégradation de l’autonomie de la batterie, du fait notamment de l’âge de la batterie et des conditions d’utilisation de cette dernière.

La connaissance de l’état de santé d’une batterie, et tout particulièrement des batteries de traction de véhicule, est cruciale pour des raisons techniques, économiques et légales. L’état de santé d’une batterie doit en effet être connu avec précision afin d’éviter le risque d’une défaillance intempestive, ou d’une dégradation inattendue des performances du système alimenté par ladite batterie. En particulier, le système électronique permettant de gérer et de contrôler les différents paramètres d'une batterie, appelé BMS (de l’anglais « Battery Management System »), prend par exemple en compte un SOH estimé pour calculer la puissance maximale disponible, ou encore pour estimer l’état de charge ou SOC (de l’anglais « State Of Charge ») de la batterie. Par ailleurs, la valeur économique de la batterie est liée à son SOH qui permet d’estimer la durée de vie restante de la batterie. La valeur économique d’un véhicule électrique ou hybride est par conséquent également liée au SOH de sa batterie de traction. Enfin, la règlementation des véhicules électriques et hybrides évolue et il est prévu d’imposer que l’état de santé d’une batterie de traction estimé par le BMS soit déterminé avec une précision de l’ordre de 5%. Actuellement, l’état de charge d’une batterie de traction est estimé par le BMS à partir de modèles physiques ou empiriques. Certains modèles utilisent des propriétés et/ou performances électrochimiques mesurables pendant l’usage de la batterie. On parle alors d’estimation «en ligne » du SOH. Ainsi, par exemple, le document CN113296010 décrit une méthode d’évaluation en ligne de l’état de santé d’une batterie basée sur l’analyse de la tension différentielle qui comprend l’établissement d’une courbe représentant la variation de tension en fonction de la variation de la capacité dans des conditions de décharge données. La méthode décrite établit ensuite un modèle dans lequel la pente d’une tangente à cette courbe est corrélée au SOH. Ce modèle est utilisé pour estimer le SOH d’une batterie déchargée dans les mêmes conditions que celles qui ont servi à établir la courbe.

La précision de l’estimation du SOH peut toutefois varier selon le type de modèle et la qualité de ses calibrations. Par exemple, des modèles empiriques de dégradation d’une batterie peuvent permettre une estimation du SOH avec une bonne précision jusqu’à un SOH donné, par exemple un SOH de 70%. Au-delà, l’erreur de l’estimation est susceptible d’augmenter car la dégradation est plus complexe à modéliser.

Une détermination précise du SOH d’une batterie peut aussi être réalisée par une mesure directe de la capacité disponible de la batterie. Ce type de mesure nécessite cependant de sortir la batterie du véhicule, ce qui peut s’avérer complexe et coûteux.

Il existe donc toujours un besoin pour estimer de manière fiable et précise le SOH d’une batterie, notamment en ligne, et tout particulièrement lorsque le véhicule roule, sans toutefois perturber le fonctionnement du véhicule.

Résumé de l’invention

A cet effet, la présente invention propose une méthode d’estimation de l’état de santé d’une batterie d’un véhicule électrique ou hybride, comprenant :

(a) une étape de charge de la batterie jusqu’à ce que la batterie atteigne un état de charge maximal SOCmax,

(b) une première étape de relaxation pendant laquelle la batterie n’est pas sollicitée pendant une première durée,

(c) une étape de décharge de la batterie jusqu’à ce que la batterie atteigne un état de charge inférieur ou égal à un état de charge cible non nul SOCcibie, cette étape de décharge étant réalisée en un nombre k de cycles de roulage du véhicule, k étant un nombre entier non nul, et, pour chaque cycle de roulage n où 1 <n<k, on détermine la capacité Q _n déchargée par la batterie, (d) à la fin du cycle de roulage k, une deuxième étape de relaxation pendant laquelle la batterie n’est pas sollicitée pendant une deuxième durée,

(e) une étape de détermination d’un état de charge SOCocv de la batterie en fonction de la tension en circuit ouvert, la batterie n’étant pas sollicitée,

(f) une étape de détermination d’une capacité de décharge initiale Q' de la batterie à un état neuf à partir de l’état de charge déterminé à l’étape (e) et d’une corrélation préalablement établie pour la batterie à un état neuf et corrélant la capacité de décharge initiale à l’état de charge de la batterie, et

(g) une étape d’estimation de l’état de santé SOH de la batterie à partir de la capacité totale déchargée par la batterie lors de l’étape de décharge (c) et de la capacité de décharge initiale déterminée à l’étape (f).

La méthode selon l’invention permet une estimation précise de l’état de la santé du véhicule sans avoir à extraire la batterie du véhicule et sans que le conducteur n’ait à modifier le type de roulage de son véhicule.

La méthode selon l’invention peut comprendre en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : lors de l’étape d’estimation (g), l’état de santé SOH de la batterie peut être estimé au moyen de l’équation suivante :

[Math 1 ] 100 (Eq 1 ) où Q _n représente la capacité déchargée par la batterie au cours d’un cycle de roulage n, n nombre entier non nul allant de 1 à k, et Q' représente la capacité de décharge initiale, entre la première étape (b) de relaxation et l’étape (c) de décharge, une étape de vérification peut être prévue, au cours de laquelle on vérifie que l’état de charge de la batterie à l’état relaxé a atteint l’état de charge maximal, lors de l’étape (c) de décharge, pour chaque cycle de roulage, la capacité déchargée par la batterie peut prendre en compte une capacité de charge reçue par la batterie, lors de l’étape (c) de décharge, on peut déterminer la capacité déchargée par la batterie (i) par comptage coulométrique des ampères-heures sortant de la batterie, ou (ii) par comptage coulométrique des ampères-heures sortant et entrant dans la batterie puis par soustraction des ampères-heures entrant aux ampères-heures sortant, pour chaque cycle de roulage n de l’étape (c) de décharge, on peut estimer une valeur de l’état de charge SOCn de la batterie (i) par une mesure de la tension de la batterie en cours de roulage ou (ii) par comptage coulométrique, puis on compare la valeur de l’état de charge SOCn à la valeur d’état de charge cible SOCcibie et on détermine que l’étape (c) est terminée lorsque SOCn est inférieure ou égale à SOCcibie, la corrélation utilisée lors de l’étape (f) ayant été établie pour un intervalle de température défini, lors de chaque cycle de roulage de l’étape de décharge (c), (i) la batterie peut être maintenue à une température comprise dans cet intervalle de température défini, ou (ii) on peut appliquer à la capacité Q _n déchargée par la batterie un facteur correctif fonction de la température de la batterie.

L’invention a également pour objet un programme informatique comprenant les instructions pour exécuter les étapes de la méthode d’estimation selon l’invention, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un ou plusieurs processeurs.

L’invention a encore pour objet un support lisible par ordinateur sur lequel est stocké le programme informatique de l’invention.

Par "Support lisible par ordinateur" on entend toute mémoire, tout dispositif de stockage, tout mécanisme de stockage et tout autre mécanisme de stockage et de signalisation, y compris les interfaces et les dispositifs tels que les cartes d'interface réseau et les mémoires tampons qui s'y trouvent, ainsi que tout dispositif de communication et tout signal reçu et transmis, et toute autre technologie actuelle et évolutive qu'un système informatisé peut interpréter, recevoir et/ou transmettre. Ce concept comprend non seulement un support lisible par ordinateur tel qu'un disque dur connecté à une unité centrale et avec lequel le programme enregistré est directement exécuté, mais aussi un support lisible par ordinateur tel qu'un CD-ROM qui enregistre un programme à exécuter après l'avoir installé sur un disque dur. Un programme comprend ici non seulement un programme qui peut être exécuté directement, mais aussi un programme au format source, un programme compressé et un programme chiffré.

Le procédé d’estimation selon l’invention peut notamment être mis en œuvre au moyen du système de gestion de l’invention décrit ci-après.

L’invention a ainsi également pour objet un système de gestion d’une batterie configuré pour estimer l’état de charge d’une batterie par mise en œuvre des étapes de la méthode d’estimation selon l’invention.

L’invention a enfin pour objet un véhicule automobile équipé d’une batterie de traction comprenant un système de gestion de batterie selon l’invention. Description des figures

La figure 1 représente un logigramme de la méthode d’estimation selon un mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée de l’invention

La présente invention est basée sur une estimation de l’état de santé SOH d’une batterie à partir d’une capacité.

La première étape (a) est une étape de charge complète de la batterie, autrement dit jusqu’à ce que la batterie atteigne un état de charge maximal noté SOCmax.

Ainsi, lors de cette étape de charge (a), on pourra surveiller l’état de charge de la batterie. On pourra ainsi (i) mettre en charge la batterie, (ii) surveiller l’état de charge de la batterie pendant cette charge et (iii) poursuivre la charge tant que cet état de charge n’a pas atteint un état de charge maximal. Lors de cette surveillance, on peut déterminer la valeur de l’état de charge, par exemple à partir d’une mesure de la tension de la batterie, et le comparer à la valeur d’un état de charge maximal.

On peut par exemple procéder de la manière suivante :

(i) on met en charge la batterie,

(ii) on mesure la valeur de la tension aux bornes de la batterie,

(iii) on compare la valeur de la tension mesurée à une valeur de tension seuil correspondant à un état de charge maximal de la batterie,

(iv) si la valeur de la tension mesurée atteint ladite valeur de tension seuil, on arrête la charge de la batterie, on détermine que la batterie est dans un état de charge maximal et on arrête la charge, sinon, on poursuit la charge de la batterie. La fréquence de réitération pourra être déterminée par l’homme du métier en fonction du type de batterie. La valeur de la tension mesurée aux bornes de la batterie correspond ici à la tension en circuit ouvert, le véhicule à l’arrêt. La valeur de tension seuil et l’état de charge maximal correspondant peuvent être déterminés par l’homme du métier en fonction du type de batterie à partir de courbes de l’état de charge en fonction de la tension en circuit ouvert. Ces valeurs de tension seuil et d’état de charge maximal peuvent être enregistrées dans un système de gestion, par exemple sous forme de cartographies ou de courbes.

Cette étape (a) de charge est suivie d’une première étape (b) de relaxation pendant laquelle la batterie n’est pas sollicitée pendant une première durée t_relax_1. Ce temps de pause permet d’assurer notamment la stabilisation en température de la batterie en fin de charge et d’améliorer ainsi la précision de l’estimation de son état de charge. Cette première durée de l’étape de relaxation peut être préalablement déterminée par l’homme du métier. Elle est par exemple de de 15 minutes à 6 heures, typiquement de 30 minutes à 1 heure.

Afin d’améliorer la précision de la détermination de l’état de charge, la méthode selon l’invention peut comprendre, après la première étape (b) de relaxation et avant l’étape (c) de décharge, une étape de vérification au cours de laquelle on vérifie que l’état de charge de la batterie à l’état relaxé a atteint l’état de charge maximal SOCmax. Si c’est le cas, la méthode passe à l’étape (c), sinon, la méthode peut être interrompue, ou les étapes (a) et (b) réitérées jusqu’à ce que l’étape de vérification confirme que la batterie à l’état relaxé a atteint l’état de charge maximal.

Au cours de cette étape de vérification, on peut par exemple :

(i) déterminer la valeur d’un état de charge de la batterie à l’état relaxé SOCreiax, par exemple par une mesure de la tension ouverte aux bornes de la batterie,

(ii) comparer la valeur de l’état de charge de la batterie à l’état relaxé SOCreiax avec la valeur de l’état de charge maximal SOCmax,

(iii) déterminer que la charge est complète et passer à l’étape (c) si la valeur de SOCreiax est égale à la valeur SOCmax, sinon, réitérer les étapes (a) et (b).

On peut encore procéder de la manière suivante :

(i) mesurer la valeur de la tension aux bornes de la batterie à l’état relaxé,

(ii) comparée la valeur de la tension mesurée à une valeur de tension seuil correspondant à un état de charge maximal de la batterie,

(iii) déterminer que la charge est complète et passer à l’étape (c) si la valeur de la tension mesurée est égale à la valeur de tension seuil, sinon, réitérer les étapes (a) et (b).

Ensuite, au cours de l’étape de décharge (c), le conducteur utilise de manière habituelle le véhicule. Cette étape de décharge dure tant que la batterie n’a pas atteint un état de charge égal ou inférieur à un état de charge cible SOCcibie, ce qui peut se produire en un ou plusieurs cycles de roulage. On notera que lorsque cette étape de décharge (c) est réalisée en plusieurs cycles de roulage, la batterie n’est pas rechargée. Dit autrement, cette étape est mise en œuvre sans mise en charge de la batterie entre deux cycles de roulage consécutifs.

Cet état de charge cible SOCcibie, est un état de charge non nul, typiquement supérieur à un état de charge minimal nécessaire pour un fonctionnement du véhicule pendant un cycle de roulage. Cet état de charge cible SOCcibie peut par exemple correspondre à un état de charge de 10 à 15% de l’état de charge maximal SOCmax.

L’étape (c) est mise en œuvre jusqu’à ce que la batterie atteigne un état de charge inférieur ou égal à cet état de charge cible SOCcibie. A cet effet, on pourra par exemple surveiller la valeur de l’état de charge.

On peut par exemple procéder de la manière suivante. Pour chaque cycle de roulage de l’étape de décharge : on estime la valeur de l’état de charge SOCn (i) par une mesure de la tension de la batterie en cours de roulage ou (ii) par comptage coulométrique, puis, on compare la valeur de l’état de charge SOCn à la valeur d’état de charge cible SOCcibie, et on détermine que l’étape c) est terminée lorsque SOCn est inférieure ou égale à SOCcibie.

Dans le cas de l’estimation de la valeur de l’état de charge SOCn par une mesure de la tension de la batterie, la tension mesurée ne correspond pas à une tension en circuit ouvert aux bornes de la batterie. Il est alors possible de déterminer la tension en circuit ouvert à partir de la tension mesurée, par exemple par modélisation du type filtrage de Kalman, puis d’estimer l’état de charge SOCn à partir de la tension en circuit ouvert ainsi déterminée.

Au cours de cette étape (c), pour chaque cycle de roulage n (n nombre entier non nul), on détermine la capacité Q _n déchargée par la batterie, laquelle peut notamment prendre en compte une capacité de charge reçue par la batterie, par exemple lors du freinage.

Cette capacité Q _n déchargée est par exemple déterminée (i) par comptage coulométrique des ampères-heures sortant de la batterie, ou (ii) par comptage coulométrique des ampères-heures sortant et entrant dans la batterie et par soustraction des ampères-heures entrant aux ampères-heures sortant.

Cette capacité Q _n déchargée peut ainsi s’écrire :

[Math 2]

Ahdéch-rouiage n est la capacité en ampères-heures déchargée pendant le cycle de roulage n et s’écrit :

[Math 3]

,

^"déch-roulage où I est le courant sortant de la batterie en ampères, et t est le temps,

Ahch-rouiage n est la capacité en ampères-heures chargée pendant le cycle de roulage n et s’écrit :

[Math 4] où I est le courant entrant dans la batterie en ampères, et t est le temps.

On pourra notamment prévoir d’enregistrer pour chaque cycle de roulage la valeur de l’état de charge estimé SOC _n et la valeur de la capacité déchargée Q _n .

A la fin de l’étape (c), à savoir à la fin du dernier cycle de roulage noté k, une deuxième étape de relaxation (d) est mise en œuvre pendant laquelle la batterie n’est pas sollicitée pendant une deuxième durée t_relax_2. Ce temps de pause permet d’assurer un retour de la tension en circuit ouvert de la batterie à un état d’équilibre. Plus ce temps de pause est long, plus la mesure de la tension en circuit ouvert est proche de la réalité. La durée de cette étape deuxième de relaxation peut être préalablement déterminée par l’homme du métier. Elle est par exemple de de 15 minutes à 6 heures, typiquement de 30 minutes à 1 heure.

Puis, on détermine au cours de l’étape de détermination (e) l’état de charge SOCocv de la batterie en fonction de la tension en circuit ouvert, la batterie n’étant pas sollicitée.

En fin d’une étape de décharge, l’estimation du SOC peut être associée à une erreur assez importante due à l’augmentation de la résistance interne de la batterie résultant de son vieillissement. Une estimation précise du SOC pourrait être obtenue lorsque la batterie est complètement déchargée (SOC de 0%). Cette solution impliquerait de réaliser l’étape de décharge jusqu’à ce que le véhicule ne puisse pas rouler, ce qui n’est pas pratique pour le conducteur. La deuxième étape de relaxation permet d’estimer le SOC avec précision sans avoir à atteindre un état de charge minimal dans lequel le véhicule ne peut plus rouler. En effet, l’estimation du SOC (noté SOCocv) à partir de la mesure de la tension en circuit ouvert (aussi notée OCV de l’anglais « Open Circuit Voltage ») n’est pas affectée par l’augmentation de la résistance interne de la batterie due à son vieillissement.

On peut alors déterminer (f) la capacité de décharge initiale Q'de la batterie à un état neuf partir de l’état de charge SOCocv déterminé à l’étape (e) et d’une corrélation préalablement établie pour la batterie à un état neuf et corrélant la capacité de décharge initiale à l’état de charge de la batterie.

Cette capacité de décharge initiale Q' correspond ainsi à la capacité qui aurait été déchargée par la batterie à l’état neuf au cours de l’étape de décharge (c) entre l’état de charge maximal et l’état de charge SOCocv déterminé à l’étape (e).

On peut alors estimer (g) l’état de santé SOH de la batterie à partir de la capacité totale déchargée par la batterie lors de l’étape de décharge (c) et de la capacité de décharge initiale déterminée à l’étape (f).

Notamment, l’état de santé SOH de la batterie peut être estimé au moyen de l’équation Eq 1 citée plus haut.

Les mesures de capacité dépendent de la température de la batterie. Aussi, pour estimer le SOH avec une meilleure précision, il est préférable que les capacités Qn et Q' soient déterminées lorsque la batterie est dans une même plage de température. Ainsi, de préférence, lors de la mise en œuvre de la méthode selon l’invention, lorsque la corrélation utilisée lors de l’étape (f) a été établie pour un intervalle de température défini, alors, lors de chaque cycle de roulage n de l’étape de décharge (c), (i) la batterie est maintenue à une température comprise dans cet intervalle de température défini, ou (ii) on applique à la capacité Q _n déchargée par la batterie un facteur correctif fonction de la température de la batterie.

Dans le cas (i), on pourra maintenir la température de la batterie dans cet intervalle de température par un contrôle approprié d’un système de refroidissement/chauffage de la batterie. Dans le cas (ii), on pourra mesurer la température de la batterie au moyen d’une sonde et utiliser un modèle exprimant le facteur correctif en fonction de la température, ce modèle étant préétabli de manière empirique ou autre. La méthode d’estimation selon l’invention est mise en œuvre au moyen d’un système de gestion. Ce système de gestion comprend typiquement un ou plusieurs processeurs (par exemple un microprocesseur, un microcontrôleur ou autre), notamment programmés pour mettre en œuvre la méthode selon l’invention. Il peut également comprendre des moyens de communication, optionnellement bidirectionnels, avec les batteries, et des moyens de mesure de la tension et aussi de la température de la batterie. Le ou les processeurs peuvent comporter des moyens de stockage qui peuvent être une mémoire vive (RAM), une mémoire morte programmable effaçable électriquement (EEPROM), une mémoire flash, une mémoire externe ou autre. Ces moyens de stockage peuvent, entre autres, stocker des données reçues, un modèle de contrôle, une ou plusieurs cartographies et un ou plusieurs programmes informatiques. Le système de gestion fait par exemple partie, ou forme, le système de gestion des batteries du véhicule, aussi appelé BMS.

La méthode d’estimation selon l’invention peut être déclenchée à tout moment soit par le conducteur de la batterie, soit par un technicien dans le cadre d’une opération de maintenance. Ce déclenchement peut intervenir à tout moment de la vie du véhicule, par exemple en cas de revente de celui-ci, de problème d’autonomie ou pour simple information.

On notera que si les étapes de relaxation ne sont pas respectées, par exemple si elles sont interrompues avant la fin de la durée prescrite, et/ou si la température de la batterie pendant l’étape de décharge n’est pas dans l’intervalle de température défini, il peut être prévu d’interrompre la méthode d’estimation, ou de la poursuivre en mode dégradé. L’état de santé ainsi estimé présente en effet une précision plus faible que s’il avait été déterminé dans les conditions de durée prescrite des étapes de relaxations et/ou de température de la batterie pendant l’étape de décharge.

Lorsque la méthode d’évaluation est en cours, on pourra prévoir :

(i) à chaque fin d’un cycle de roulage n, l’enregistrement de la capacité Q _n déchargée au cours du cycle de roulage n et de l’état de charge SOCn pour le cycle de roulage n,

(ii) à la mise sous tension suivante du système de gestion, autrement dit au démarrage suivant du véhicule, la comparaison de l’état de charge SOCn déterminé lors du dernier cycle de roulage n à l’état de charge cible SOCcibie, et : a. si cet état de charge SOCn est inférieur ou égal à l’état de charge cible SOCcibie, et si la batterie n’a pas été sollicitée pendant la durée prescrite par la deuxième étape de relaxation, alors les étapes (e) à (g) sont mises en œuvre, b. si cet état de charge est supérieur à l’état de charge cible, le nombre de cycles de roulage est incrémenté de 1 (égal à n+1 ) et l’étape (e) poursuivie, à savoir on détermine la capacité déchargée pour ce cycle de roulage SOC _n +i puis on retourne à l’étape (i) pour ce cycle (n+1 ).

Par ailleurs, le système de gestion peut être configuré (programmé) pour réaliser des tests à chaque fois qu’il est mis sous tension afin de vérifier l’état de la méthode d’estimation selon l’invention. Il pourra par exemple réaliser les tests suivants :

Test T1 : la batterie est-elle complètement chargée (Etat de charge maximal atteint) ?

(i) Si la réponse est oui, il peut alors être prévu une réinitialisation des variables enregistrées telles que :

- mise à zéro de la capacité de décharge Q _n , de la valeur SOCn, et de l’index n de comptage du nombre de cycles de roulage en décharge,

- mise à zéro de grandeurs de temps utilisées pour enregistrer les temps absolu de démarrage de chacune des phases de roulage et de grandeurs de SOC initiale au début de chaque roulage, ces grandeurs permettent de vérifier l’influence du nombre de roulage pour aller de l’état de charge maximal (100%) à un état de charge inférieur au SOCcibie.

Le système est alors prêt pour démarrer la méthode d’estimation selon l’invention.

(ii) Si la réponse est non, on passe au test T2.

Test T2 : si le véhicule se met à rouler et SOC > SOCcibie et la méthode de détermination selon l’invention est en cours, alors, on incrémente l’index n de 1 , on détermine Q _n et l’état de charge SOCn. Si non, on passe au test T3.

Test T3 : si la batterie est dans un état relaxé et SOC<SOCcibie (ce qui correspond à la fin de l’étape (d) de la méthode selon l’invention), alors on détermine l’état de charge de la batterie SOCocv (étape (e) de la méthode), la capacité de décharge initiale Q' (étape (f) de la méthode) et l’état de santé SOH (étape (g)). Si ce n’est pas le cas, on passe au test T4.

Test T4 : la batterie est-elle en charge ? Si oui, on interrompt la méthode d’estimation selon l’invention.