FR3121643A1 - Systeme d’estimation de tension en circuit ouvert de batterie de traction de vehicule automobile, procede et vehicule comprenant un tel systeme - Google Patents

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Alain Charlet
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Universite d Orleans UFR de Sciences
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Universite d Orleans UFR de Sciences
PSA Automobiles SA
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Abstract

L’invention concerne un système d’estimation (3a) d’une tension en circuit ouvert d’une batterie de traction (1) de véhicule automobile (5), le système comprenant - des données expérimentales de paramètres de fonctionnement de la batterie (1), et de tensions en circuit ouvert correspondantes ; - un modèle d’estimation de la tension en circuit ouvert actuelle à partir d’une tension mesurée, de paramètres de fonctionnement actuels de batterie (1) et desdites données expérimentales,les paramètres de fonctionnement comprenant une intégrale de courant sur un horizon passé. L’invention porte en outre sur un procédé et véhicule comprenant un tel système. Figure 1

Description

SYSTEME D’ESTIMATION DE TENSION EN CIRCUIT OUVERT DE BATTERIE DE TRACTION DE VEHICULE AUTOMOBILE, PROCEDE ET VEHICULE COMPRENANT UN TEL SYSTEME
L’invention se rapporte au domaine des systèmes et procédés d’estimation de tension en circuit ouvert de batterie, en particulier pour une batterie de traction de véhicule automobile, plus particulièrement pour un véhicule hybride ou électrique.
Les véhicules automobiles comportant une batterie de traction ont besoin d’une gestion poussée de l’autonomie. La gestion de l’autonomie passe par une estimation au plus juste de l’état de charge qui dépend notamment de la tension en circuit ouvert (OCV). Ainsi, l’estimation de la tension en circuit ouvert est un point crucial pour l’utilisateur, notamment en termes de confort, d’utilisation d’autres dispositifs électriques du véhicule automobile, et d’estimation précise du vieillissement de la batterie.
À l’heure actuelle, l’estimation de la tension en circuit ouvert dans la batterie ne peut se faire qu’au repos après relaxation, c'est-à-dire la fin du processus de diffusion de la concentration d’ions lithium au sein des électrodes, et est estimée via des modèles simples à circuit électrique équivalent entre chaque relaxation.
L’estimation de la tension en circuit ouvert est notamment utilisée pour déterminer l’état de charge de la batterie qui est une donnée essentielle des systèmes de gestion de batterie (BMS - Battery Management System). Or aujourd’hui, la tension en circuit ouvert ne peut être mesurée avec précision qu’uniquement lors des phases de repos relativement longues. De fait lors des longs trajets il est handicapant de ne pouvoir se fier qu’au modèle simplifié de la batterie intégré dans le système de gestion de batterie en boucle ouverte, susceptible de diverger avec la réalité à cause des imprécisions de mesures.
La méthode d’estimation de la tension en circuit ouvert en cours de roulage de l’art antérieur se base sur l’intégration du courant depuis le début du cycle. Cependant l’incertitude de la mesure de courant provoque une erreur non négligeable et il est donc nécessaire de proposer une méthode plus précise.
Un premier objectif de la présente invention est de proposer une solution permettant d’avoir une estimation précise de la tension en circuit ouvert quelle que soit la situation du véhicule automobile, en particulier en cours de fonctionnement.
Un deuxième objectif est de proposer une méthode simple d’estimation de la tension en circuit ouvert de la batterie tenant compte des processus de diffusion de la concentration d’ions lithium au sein des électrodes via un modèle plus complet que dans l’art antérieur.
Pour atteindre ces objectifs, l’invention propose un système d’estimation d’une tension en circuit ouvert d’une batterie de traction de véhicule automobile, le système comprenant
- des données expérimentales de paramètres de fonctionnement de la batterie et de tensions en circuit ouvert correspondantes ;
- un modèle d’estimation de la tension en circuit ouvert actuelle à partir d’une tension mesurée, de paramètres de fonctionnement actuels de batterie et desdites données expérimentales,
les paramètres de fonctionnement comprenant une intégrale de courant sur un horizon passé.
En particulier, l’invention propose d’appliquer un modèle pour estimer la tension en circuit ouvert dans la batterie sur la base d’une une méthode de type statistique : après un apprentissage sur une quantité suffisante de données, un algorithme est capable d’estimer la tension en circuit ouvert courante du véhicule à partir de certaines informations sur le fonctionnement du véhicule.
Avantageusement, la prise en compte de l’intégrale du courant sur un horizon passé permet d’inclure le comportement complet de la batterie dans l’estimation, et tenir compte de manière simple des changements de concentrations en ions à la surface et à l’intérieur de la batterie.
Selon d’autres aspects pris isolément, ou combinés selon toutes les combinaisons techniquement réalisables :
- les paramètres de fonctionnement de la batterie sont en outre choisis parmi une durée du trajet au moment de l’estimation, un courant tel qu’un courant moyen pendant le trajet au moment de l’estimation, un état de charge initial, une dérivée de la tension en circuit ouvert, un paramètre ambiant tel que la température, un état de charge estimé, une dérivée d’une tension à l’instant présent, ou plusieurs de ces paramètres ; et/ou
- l’intégrale de courant sur l’horizon passé est relative à environ 300 secondes ; et/ou
- ledit modèle est choisi parmi des modèles basés sur une chaîne de Markov, des cartographies, des fonctions polynomiales ou une combinaison d’au moins deux de ces modèles ; et/ou
- ledit modèle est un modèle d’apprentissage automatique par réseau de neurones ; et/ou
- le modèle d’apprentissage automatique comprend une couche cachée à au moins cinq neurones.
L’invention porte en outre sur un procédé d’estimation d’une tension en circuit ouvert d’une batterie de traction de véhicule automobile, le procédé comprenant des étapes pour
- réaliser un modèle d’estimation d’une tension en circuit ouvert à partir de données expérimentales de paramètres de fonctionnement de la batterie, et de tensions en circuit ouvert correspondantes ;
- mettre en œuvre ledit modèle d’estimation pour estimer une tension en circuit ouvert actuelle à partir d’une tension mesurée, de paramètres de fonctionnement actuels de batterie et desdites données expérimentales,
les paramètres de fonctionnement comprenant une intégrale de courant sur un horizon passé.
Un autre objet de l’invention concerne un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’estimation selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.
L’invention porte également sur un véhicule automobile comprenant un système d’estimation selon l’invention.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :
- illustre schématiquement un système d’estimation d’une tension en circuit ouvert selon une variante préférée de l’invention dans un véhicule automobile ;
- illustre schématiquement les périodes de relaxation nécessaires pour atteindre un équilibre chimique correspondant à la mesure de tension en circuit ouvert, en roulage ; et
- illustre schématiquement un histogramme d’erreurs d’estimations obtenues en appliquant le système d’estimation selon la variante préférée avec un modèle d’apprentissage automatique à 5 neurones.
L’invention concerne un système d’estimation 3a d’une tension en circuit ouvert d’une batterie 1, en particulier une batterie de traction de véhicule automobile 5. Il s’agit par exemple d’un véhicule hybride ou électrique.
Le système 3a est basé sur un modèle d’estimation qui peut être ou comprendre un modèle statistique donné tel qu’un modèle basé sur une chaîne de Markov, une ou plusieurs cartographies ou des fonctions polynomiales.
De préférence, le modèle d’estimation est ou comprend un modèle d’apprentissage automatique par réseau de neurones. En particulier, il s’agit d’un modèle d’apprentissage automatique qui comprend une couche cachée de préférence à cinq neurones.
Le modèle d’estimation peut être une combinaison d’au moins deux de ces modèles, c'est-à-dire que le résultat obtenu avec deux modèles (ou plus) est corrigé ou moyenné pour augmenter davantage la précision. L’invention peut être utilisée conjointement à un autre système d’estimation par exemple basé sur un filtre de Kalman.
Le modèle d’estimation est réalisé à partir de données d’entrée qui sont liées aux paramètres de fonctionnement de la batterie 1. Ces paramètres peuvent comprendre une durée du trajet au moment de l’estimation, un courant tel qu’un courant moyen pendant le trajet au moment de l’estimation, une tension de cellule, une dérivée de la tension en circuit ouvert, un paramètre ambiant tel que la température initiale ou la température moyenne pendant la décharge, un état de charge estimé, un état de charge initial, une dérivée de la tension à l’instant présent, une intégrale de courant pendant un temps passé donné (ou horizon passé).
L’invention peut être mise en œuvre avec des paramètres supplémentaires liés au fonctionnement de la batterie 1 et/ou des paramétrées ambiants supplémentaires liés à l’environnement de la batterie 1. Les paramètres listés ci-dessus ont l’avantage de pouvoir être facilement mesurés avec précision dans le véhicule automobile 5 (ou être issus de mesures dans le véhicule 5).
Des variations de ces paramètres permettent d’obtenir des données expérimentales portant sur les paramètres de fonctionnement de la batterie 1, ainsi que les tensions en circuit ouvert correspondantes.
Une fois les données expérimentales obtenues, elles sont prises en compte dans la mise en œuvre du modèle d’estimation en utilisation dans un véhicule automobile 5 correspondant aux expérimentations.
Ainsi, sur la base d’une tension mesurée, le modèle d’estimation détermine une tension en circuit ouvert actuelle, en prenant en compte les paramètres de fonctionnement actuels de batterie 1 et lesdites données expérimentales.
Selon l’invention, les paramètres de fonctionnement comprenant une intégrale de courant sur un horizon passé, de préférence de 300 secondes.
En particulier, l’invention propose d’appliquer un modèle pour estimer la tension en circuit ouvert dans la batterie 1 sur la base d’une une méthode de type statistique : après un apprentissage sur une quantité suffisante de données, un algorithme est capable d’estimer la tension en circuit ouvert courante du véhicule 5 à partir de certaines informations sur le fonctionnement du véhicule 5, en particulier la durée du trajet au moment de l’estimation, le courant moyen pendant le trajet au moment de l’estimation, l’intégrale du courant sur les 5 dernières minutes, la tension de cellule mesurée, et l’état de charge initial.
Avantageusement, la prise en compte de l’intégrale du courant sur un horizon passé permet d’inclure le comportement complet de la batterie 1 dans l’estimation, et de tenir compte de manière simple des changements de concentrations en ions à la surface et à l’intérieur de la batterie 1.
L’invention est basée sur une estimation statistique prenant en compte à la fois le courant à travers une intégrale sur le passé proche et une moyenne sur tout le trajet, mais également la valeur courante de tension, permettant une estimation plus précise de la tension en circuit ouvert.
Ainsi, la connaissance plus précise et temps-réel de la tension en circuit ouvert de la batterie 1, permet non seulement davantage de confort pour l’utilisateur, mais également une amélioration de certains aspects du fonctionnement du véhicule 5 par le biais d’un meilleur fonctionnement des algorithmes embarqués, notamment l’estimation de l’autonomie restante, les profils de charge ou encore une amélioration de l’estimation du taux de vieillissement.
La illustre un schéma de fonctionnement d’une chaîne de traction électrique. La batterie 1 est le système de stockage d’énergie. La ou les machines électriques 2 prélèvent du courant dans la batterie 1 pour transmettre du couple C aux roues 4, ou la rechargent lors de phases de freinage récupératif.
Le système de contrôle 3 comprenant un ou plusieurs calculateurs a pour fonction de contrôler (Ct) la machine électrique 2 sur la base de la demande en couple du conducteur (et sur la base de la consigne fournie par la gestion d’énergie dans le cadre d’un véhicule hybride). Il a également pour fonction de gérer la batterie 1 et notamment d’estimer la charge restante. Il inclut donc le système d’estimation 3a de l’invention.
Il est possible d’intégrer un courantIà chaque instant pour en déduire la quantité d’énergie prélevée au fur et à mesure par la batterie 1. Cependant, l’imprécision sur la mesure du courant peut se traduire par une erreur sur l’estimation de l’état de charge pouvant être de l’ordre du pourcent. Pour améliorer ce résultat, il est possible de prendre en compte l’information fournie par la mesure de tension.
La concentration en ions des électrodes va varier dans le temps lors de la charge ou la décharge de la batterie 1. La concentration n’est pas homogène spatialement : en fonctionnement, la concentration va d’abord varier en surface des particules constituant les électrodes, avant de diffuser vers l’intérieur de ces particules et réciproquement.
La tension mesurable aux bornes de la cellule (UCell) est l’image de la concentration en surface des particules constituant les électrodes, auxquelles viennent s’ajouter des chutes ohmiques liées à la résistance interne de la cellule et une chute de tension liée à la cinétique électrochimique (DR : Dynamique de réaction). En revanche, la tension en circuit ouvert (OCVRL), à courant nul, est représentative de l’état de charge et est fonction des concentrations moyennes.
Ces dernières ne sont appréciables qu’à l’équilibre électrochimique soit après une longue période de relaxation tel que le montre la partie gauche de la après un pulse de courant. La partie droite de la montre qu’il est impossible d’estimer une tension en circuit ouvert (OCVCalc) pendant le roulage (Dr : dynamique de relaxation) dans le modèle simplifié de l’art antérieur. La référence Dd concerne une dynamique de décharge.
S’il est donc impossible en fonctionnement d’estimer la tension en circuit ouvert de la batterie directement à partir de la mesure de la tension, cette mesure porte toutefois une information pertinente et peut donc être intégrée dans une estimation statistique au moyen du système tel que décrit précédemment.
Le modèle d’estimation peut être réutilisé pour d’autres situations, notamment pour réaliser un apprentissage sur des données de charge ou de charge rapide pour estimer les tensions en circuit ouvert et les états de charge.
L’invention concerne également un procédé d’estimation correspondant.
Le procédé comprend une étape pour réaliser un modèle d’estimation de tension en circuit ouvert à partir de données expérimentales de paramètres de fonctionnement de la batterie 1, et de tensions en circuit ouvert correspondantes.
Le modèle peut être un modèle du type mathématique et statistique pour estimer la tension en circuit ouvert à partir d’au moins les entrées suivantes correspondant aux paramètres de fonctionnement et d’environnement ambiant de la batterie :
- la durée du trajet au moment de l’estimation,
- le courant moyen pendant le trajet, au moment de l’estimation,
- l’intégrale du courant sur les 5 dernières minutes,
- la tension de cellule mesurée,
- l’état de charge initial.
Pour réaliser l’apprentissage du modèle on a besoin de données. Pour les obtenir on peut utiliser un modèle haute-fidélité qui est très précis :
- On génère N profils de courants, par exemple en piochant de manière aléatoire des séquences issues de roulages réels ;
- Une fois ces profils générés, on les simule à l’aide du modèle haute-fidélité ;
- À l’issue des N simulations, on a donc N combinaisons d’entrées telles que décrites précédemment, associées à N tensions en circuit ouvert correspondantes, en sortie.
Une fois ces données obtenues, il est possible d’utiliser une méthode d’apprentissage donnée pour réaliser un estimateur de la tension en circuit ouvert.
Ainsi, le procédé comprend une étape pour mettre en œuvre ledit modèle d’estimation pour estimer une tension en circuit ouvert actuelle à partir d’une tension mesurée, de paramètres de fonctionnement actuels de batterie 1 et desdites données expérimentales. Les paramètres de fonctionnement comprennent une intégrale de courant sur un horizon passé comme expliqué plus haut.
Une étude a été réalisée avec comme modèle un réseau de neurones avec une couche cachée à 5 neurones, en simulant 500 nouveaux profils de charge, qui n’ont donc pas servis à l’apprentissage.
La illustre un histogramme d’erreurs d’estimations de tension en circuit ouvert (ErOCV) obtenues avec ces 500 nouveaux profils p.
Cette estimation peut avoir lieu à tout instant (même en roulage), et fournit donc la tension en circuit ouvert, soit la valeur de tension vers laquelle le système converge si le véhicule s’arrêtait à l’instant présent. Une estimation précise de la tension en circuit ouvert est précieuse dans le cadre de l’estimation de l’état de charge. Ici on constate que la quasi-totalité des estimations présentent moins de 5mV d’erreur, ce qui est un très bon résultat.
L’invention porte également sur un véhicule automobile 5 comprenant un système d’estimation 3a tel que décrit précédemment. Il s’agit par exemple d’un véhicule électrique ou d’un véhicule hybride.
Par ailleurs, le système et le procédé permettent d’estimer une tension en circuit ouvert d’une batterie auxiliaire de véhicule équipé d’une pile à combustible.

Claims (9)

  1. Système d’estimation (3a) d’une tension en circuit ouvert d’une batterie de traction (1) de véhicule automobile (5), le système comprenant
    - des données expérimentales de paramètres de fonctionnement de la batterie (1), et de tensions en circuit ouvert correspondantes ;
    - un modèle d’estimation de la tension en circuit ouvert actuelle à partir d’une tension mesurée, de paramètres de fonctionnement actuels de batterie (1) et desdites données expérimentales,
    les paramètres de fonctionnement comprenant une intégrale de courant sur un horizon passé.
  2. Système d’estimation (3a) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres de fonctionnement de la batterie (1) sont en outre choisis parmi une durée du trajet au moment de l’estimation, un courant tel qu’un courant moyen pendant le trajet au moment de l’estimation, un état de charge initial, une dérivée de la tension en circuit ouvert, un paramètre ambiant tel que la température, un état de charge estimé, une dérivée d’une tension à l’instant présent, ou plusieurs de ces paramètres.
  3. Système d’estimation (3a) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l’intégrale de courant sur l’horizon passé est relative à environ 300 secondes.
  4. Système d’estimation (3a) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit modèle est choisi parmi des modèles basés sur une chaîne de Markov, des cartographies, des fonctions polynomiales ou une combinaison d’au moins deux de ces modèles.
  5. Système d’estimation (3a) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit modèle est un modèle d’apprentissage automatique par réseau de neurones.
  6. Système d’estimation (3a) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le modèle d’apprentissage automatique comprend une couche cachée à au moins cinq neurones.
  7. Procédé d’estimation d’une tension en circuit ouvert d’une batterie de traction (1) de véhicule automobile (5), le procédé comprenant des étapes pour
    - réaliser un modèle d’estimation d’une tension en circuit ouvert à partir de données expérimentales de paramètres de fonctionnement de la batterie (1), et de tensions en circuit ouvert correspondantes ;
    - mettre en œuvre ledit modèle d’estimation pour estimer une d’une tension en circuit ouvert actuelle à partir d’une tension mesurée, de paramètres de fonctionnement actuels de batterie (1) et desdites données expérimentales,
    les paramètres de fonctionnement comprenant une intégrale de courant sur un horizon passé.
  8. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’estimation selon la revendication 7, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.
  9. Véhicule automobile (5) comprenant un système d’estimation (3a) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
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