WO2016113481A1 - Procede d'identification de la courbe de tension a vide d'une cellule electrique en vieillissement - Google Patents

Procede d'identification de la courbe de tension a vide d'une cellule electrique en vieillissement Download PDF

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voltage
polynomial
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Mbala Junior FRANCISCO
Agnieszka NOURY
Franck Guillemard
Mathieu MOZE
Jocelyn Sabatier
Loïc LAVIGNE
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
PSA Automobiles SA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Peugeot Citroen Automobiles SA
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the field of the invention relates to a method for identifying the curve of a vacuum voltage of a cell for storing electrical energy in aging.
  • Hybrid and electric vehicles draw their traction energy from on-board electrical stores. Efficient management of electrical energy is essential to reduce the cost of the vehicle. This makes it possible to dimension the storer to correspond to the closest to the electrical needs of the vehicle and to configure the control device of the electrical storer (commonly called "Battery Management System" in English) with efficient control laws and preserving the electrical properties of the storers. during the use of the vehicle.
  • Battery Management System commonly called "Battery Management System” in English
  • the electric storer of a motor vehicle is generally composed of several cells for storing electrical energy.
  • the rest of the description defines the electric storage of a vehicle as the set of cells connected together to obtain the voltage and the desired capacity for the supply of energy of the vehicle.
  • An energy storage cell is characterized by operating indicators, in particular an internal resistance, a voltage at its terminals, operating voltage limits, a capacitance, an open-circuit voltage (commonly called “Open Circuit Voltage”). English), a state of charge (commonly known as “State of Charge”), and the operating temperature.
  • the electrical storer is characterized by these same indicators.
  • the main task of the electrical storage control device is to monitor the electrical and thermal indicators of the electric storage system to ensure safe use and optimal operation of the vehicle.
  • the no-load voltage curve is of great importance because it is indispensable for determining the state of charge of the electric storage unit as well as other indicators of the control device.
  • the no-load voltage of an electric accumulator corresponds to the existing voltage at the terminals of the electric accumulator in the absence of any electric current at its terminals and at the end of a sufficiently long time so that the voltage no longer changes.
  • the vacuum voltage curve of an accumulator is generally defined as the representation of the no-load voltage for all the states of charge of the accumulator between a minimum state of charge and a maximum state of charge.
  • the energy recoverable by the electrical storer within the maximum and minimum operating voltage limits is determined from the operating indicator of the no-load voltage curve. We therefore understand the importance of this indicator to obtain a good efficiency of the control of the electrical storage.
  • the indicator of the vacuum voltage curve changes over time under the effect of aging. This results in a deterioration of the ability of the storer to accumulate and deliver electrical energy. This causes a decrease in performance of the vehicle related to a loss of performance. In the worst cases, poor detection of aging, therefore the state of charge or available power, can lead to immobilization of the vehicle, or even the risk of fire or explosion. In parallel with these technical constraints, poor management of these indicators leads to additional costs for use both for the user, in case of early change of the electrical storage, and for the manufacturer who sees the cost impact on the delivery of the guarantee offered.
  • the parameters of the indicator of the empty voltage curve of the electric storage of a vehicle are specific to each cell of the storer. This is due to the production dispersions of the electrochemical cells but also to the differentiated aging of the cells. These have their own story and therefore individual aging. It is therefore necessary to update the indicator of the empty voltage curve of each cell to propose a device for controlling the high-performance storer.
  • French patent FR2964464B1 proposes a method for identifying the vacuum voltage curve based on the measurement of the capacitance during aging of the storer. This measurement can for example be performed in the garage or during the charging of the vehicle by the user. It is also assumed that the vacuum voltage curve thus defined is invariant with aging provided that the capacity is updated. The major disadvantage of the method lies in the measurement of the capacity. Each cell having its own vacuum voltage curve must measure capacitance for each of them, which requires, for all the cells of an electrical storer, to completely load and unload all the cells. The implementation time of the measurement of the capacity can thus be long and induce energy expenses related to the complete discharge of the cells.
  • the French patent FR2966250B1 aims to overcome the major defects of the patent described in the previous paragraph.
  • the method no longer seeks to directly measure the capacity during aging of the storer.
  • the proposed method consists in accessing the capacity via a mapping specific to each cell by connecting different capacitance values to different internal resistance values.
  • the major flaw of this method is that it assumes prior knowledge of the link at any level of aging between the value of the internal resistance of a cell and the value of its actual capacity.
  • the existence of a link between the resistance of a cell and its capacity is not justified. It has not been proven that there is a correlation between these two values.
  • this mapping introduces an inaccuracy of estimation.
  • the hypothesis made on the non-dependence the aging of the vacuum voltage curve with respect to the state of charge is still not valid for all types of electrochemistry.
  • the method proposes to obtain the vacuum voltage curve as the limit, when the current tends to zero, of a model giving the voltage of the cell in response to a constant current type bias. It considers the case of a cell undergoing several complete charging and discharging cycles for different decreasing current values. This method has the disadvantage of a very heavy calculation procedure to implement in real time.
  • the characterization procedure which consists of subjecting the storer several cycles of charging and discharging under different currents, is performed only initially, it does not appear then to take into account the aging. Moreover, if the characterization procedure is performed at each identification, the method then becomes very long. We no longer see the advantage over a method requiring only one charge or discharge cycle. In addition, the method would be inapplicable to hybrid vehicles, almost without complete charge / discharge cycles.
  • the invention relates to a method for identifying the aging of a vacuum voltage curve of an electric energy storage cell.
  • the method comprises the following successive steps: the determination of a polynomial representing a reference voltage curve of reference of the cell,
  • the aging function corresponds to the following formula:
  • control further comprises maintaining at a plurality of third vacuum voltage stages
  • the measurement further comprises measuring a plurality of third vacuum voltages for the third bearings and a plurality of second load variations of the between each of the third bearings and between the second bearing and at least one of the third bearings, the determination of the coefficient of loss of the capacitance of the cell comprises a further selection from the first loss factor i and a plurality of second factors of losses t, each second loss factor t is calculated identically to the first loss factor i as a function of the third voltages to empty and second load variations.
  • the calculation of the first loss factor a1 comprises:
  • the first measured no-load voltage being the no-load voltage for the maximum state of charge of the cell
  • the calculation of the first loss factor a1 comprises:
  • control of the cell to maintain the first, second and third stages of vacuum voltage is operated in the same cell recharge cycle.
  • the polynomial corresponds to the vacuum voltage curve for a new state of the cell.
  • At least the successive steps of the method in the step of determining the polynomial are performed when the cell is installed in a host equipment and when it operates by means of the electrical energy supplied by said cell.
  • the invention also provides a control device for an electrical storage unit, said electrical storage unit comprising a plurality of electric cells.
  • the device comprises:
  • calculation means operating the aging identification method of the vacuum voltage curve according to any one of the variants described above for each of said storage cells, means for determining the operating indicators of the electrical storage device, by for example, an unloaded voltage curve of the storer and a state of charge, from the vacuum voltage curves of each of said cells calculated by said identification method.
  • the invention provides a motor vehicle comprising an electric storage unit, an electric traction machine and a control device for the electrical storage unit.
  • the control device is in accordance with the control device described above.
  • the identification process is feasible on any type of lithium-ion technology electric cell without the need to fully recharge or discharge the cell.
  • the knowledge of the initial voltage curve for example obtained by the manufacturer's data, allows the aging function to calculate a vacuum voltage curve of an aging cell by measuring two empty voltage stages. Several levels will help identify more accurate aging.
  • FIG. 1 is a diagram of an electronic equipment comprising an electrical storer composed of cells for storing electrical energy
  • FIG. 2 is a diagram representing the method of identifying the aging of an electric cell according to the invention.
  • FIG. 3A is a graph representing the measured data of the electric cell during the execution of a first embodiment of the identification method according to the invention
  • FIG. 3B is a graph representing the measured data of the electric cell during the execution of a second embodiment of the identification method according to the invention
  • FIG. 4 is a graph representing a polynomial of the nine-cell no-load voltage curve and the measurements of the no-load voltage of the cell during the execution of the second embodiment of the method, the graph having on the abscissa the state of charge of the cell and ordinate the empty voltage of the cell;
  • FIG. 5 shows a formula of the aging function of the new vacuum voltage curve of the cell and a procedure for selecting the capacity loss coefficient a of the cell;
  • FIG. 6 is a graph showing a polynomial of the vacant voltage curve at nine of the cell and the vacuum voltage curve of the aging cell.
  • the invention applies to any electronic equipment, comprising an electrical storage unit formed of one or more cells for storing electrical energy.
  • the invention applies preferably to a lithium-ion type electric cell which is a technology requiring a secure control to avoid the effects of overheating or explosion.
  • the invention proposes a method of identifying the aging of the vacuum voltage curve of an electric cell in order to improve energy management and to propose a secure control adapted to the aging of the electric cell.
  • the method according to the invention can be performed by any type of electronic equipment having a control means of the electrical storage. It therefore applies for example to a portable electronic equipment type mobile phone or computer, a motor vehicle electric or hybrid electric and a large electrical installation including an electrical storage.
  • the invention will be described for an electric motor vehicle (or electric hybrid). It will be noted that any of the variants of the method described below can be applied to any electronic device comprising an electrical storage unit. Application to a motor vehicle is not limiting the scope of the invention.
  • FIG. 1 is a simplified diagram showing a motor vehicle 11.
  • the motor vehicle comprises an electrical storage 12 consisting of several cells 121 of lithium-ion type electrical energy storage.
  • the number of cells 121 is adapted according to the electrical needs of the vehicle 11 and is not a limiting factor of the invention.
  • the motor vehicle also comprises a control device 13 of the electric storage unit 12.
  • the control device 13 is the supervision computer of the vehicle which also controls electronic equipment 14 and 15.
  • This equipment is for example an electric machine traction 14 associated with its inverter 15 and a voltage converter for an electrical network of the vehicle.
  • This network supplies, for example, the on-board network.
  • control device 13 of the storage unit 12 can also be a decentralized computer to the supervision computer and dedicated to the management functions the power supply and the control functions of the storage unit 12 and of each electric cell 121.
  • the control device comprises means for measuring various indicators of operation of each of the cells.
  • the control device 13 comprises in particular voltage and current sensors of each of the electric cells 121.
  • the control device 13 also comprises one or more computers capable of calculating operating indicators as a function of the measured data. For example, from the data of the variation of the load of a cell, the computers determine changes in the state of charge of the electric cells and of the storer in its entirety as a function of a reference state of charge.
  • control device 13 comprises means for controlling the cells 121 to control them in voltage and current.
  • each cell can be controlled by vehicle energy management functions to deliver electrical energy to an electronic equipment of the vehicle or to be recharged.
  • the management functions are the functions of energy strategies controlling the different modes of driving of a hybrid vehicle. These are controls operating the electric traction machine to recover kinetic energy or to provide torque to the wheels. It can also be commands for an electric machine to help start a vehicle engine.
  • the state of charge of a cell 121 is defined as the level of charge in electrical energy of the cell 121, and the state of charge of the storage unit 12 as the charge level of the totality of the cells 121.
  • variation The charge rate of a cell is obtained by calculating the integration between two given instants of the variation of the measured current of a cell.
  • the electrical storer 12 comprises a plurality of electrical cells 121 arranged to provide a total energy capacity of the storer 12.
  • a cell comprises two electrodes, a cathode and an anode, called terminals in the following description.
  • the empty voltage of a cell is the stabilized voltage difference between its terminals when no current flows. It is said that the cell is in a state of equilibrium.
  • the lithium insertion rate of the terminals of a cell is also dependent on the state of charge of an electric cell 121. It can thus be affirmed that the aging can be modeled from a modeling of a reference vacuum voltage curve, corresponding to the vacuum voltage curve in the new state, that is to say at the output of the manufacturer, and a capacitance loss coefficient parameterization of the cell and a definition specific state of charge.
  • the reference vacuum voltage curve is modeled by a polynomial interpolation CO. From the polynomial CO, an aging function 50 parameterized by a coefficient of loss of capacity of the cell a, it is possible to identify the empty voltage curve of the cell after aging according to the reference time .
  • the vacuum voltage curve identified by the method is a C1 polynomial.
  • FIG. 6 represents a modelization Cl of the empty voltage curve of a cell after aging and a modelization CO of the polynomial of the reference vacuum voltage curve.
  • the coefficient of loss of the capacity of the cell following the aging of the cell after a reference time, corresponding here to the instant for which the reference vacuum voltage curve has been determined, is called a.
  • the aging function 50 of the cell 121 exploited in the context of the method of the invention by the control device of the storage device 12 is a function of the polynomial CO of the reference vacuum voltage curve and is then described by the following formula, represented in FIG. 5: with:
  • FIG. 2 represents the method for identifying the empty voltage curve of the cell 121. It comprises the following successive steps that can be performed according to two distinct calculation modes of the capacity loss coefficient a of the cell.
  • the method comprises a first step of determining the polynomial CO representing a reference vacuum voltage curve of the cell 121.
  • the CO polynomial can be obtained by two methods.
  • a first method is the measurement at the reference time, that is to say for a factory output state of the manufacturer of the storer 12, the no-load voltage for each of the cells 121 of the storer 12 for all state of charge of the cell 121.
  • a second method is the use of the reference measurements provided by the manufacturer of the storer 12.
  • the factors constituting the polynomial CO are stored in a memory accessible by the control device 13 of the storer. The polynomial CO of each of the cells is thus memorized and exploitable by the control device.
  • the method then comprises a second step of driving the cell 22 to maintain at least first and second vacuum voltage stages PI, P2 at least first and second load states SOC11, SOC21 respectively.
  • FIGS. 3A and 3B show the control of the cell during the implementation of the second control step 22. More precisely, FIGS. 3A and 3B show the control of four levels of voltage PI, P2, P3, P4 for four charge states SOC11, SOC21, SOC31 and SOC41 separate from the cell 121 during a recharging phase of the cell 121.
  • a voltage plateau is defined by an equilibrium phase of the cell when it is relaxed.
  • the cell is in equilibrium when the current flowing through it is very small, substantially zero, and when the voltage does not vary.
  • the control device 13 of the electric storage unit 12 does not load or unload the storage unit 12 and therefore the cells 121.
  • a request is made when a charger to the electrical network is in operation (s'). it is a vehicle with a connection socket) or when equipment 14 or 15 (electrical machine or on-board system) consumes electrical energy or delivers electrical energy.
  • the second step 22 of the method can be controlled in a first variant during a recharging phase of the storer 13 on the electrical network (for the case of a vehicle having a connection socket), or in a second variant during the phases of life between two stops of the electric machine 14 (for the case of a hybrid electric vehicle).
  • a third variant controls during the rolling of the vehicle the tension bearings P1, P2, P3, P4 at times when no stress is exerted on the storer 12.
  • the piloting of a sequence of bearings is controlled when the control device 13 receives or issues a request for identification of the empty voltage curve of a cell, for example on request external to the vehicle or on request of a diagnostic program of the storer 12 internal to the vehicle.
  • pilot sequences with only two stages are possible, preferably at the minimum state of charge of the cell and the maximum state of charge of the cell.
  • the second step of controlling the cell further comprises maintaining a plurality of third vacuum voltage stages intermediate the bearing corresponding to a minimum charge state P2 and the bearing corresponding to a maximum state of charge PI.
  • the identification method comprises a third measurement step 23 of the first and second voltages vacuum Ull, U21 for the first and second bearings respectively and a first load variation of the cell between the first and second bearings Ull and U21.
  • the third measurement step 23 comprises the measurement of a plurality of third vacuum voltages U31 and U41 for the third levels P3, P4 respectively and a plurality of second load variations of the cell 121 between each of the third bearings P3 and P4 and between the second bearing and at least one of the third bearings.
  • the load variations of the cell 121 between the levels P1, P2, P3 and P4 are obtained by measuring the variation of the intensity between the voltage levels and by calculating the integral of the variation of the current.
  • the identification method comprises a fourth step of determining a loss coefficient ⁇ of the capacity of the cell 121 from at least a first loss factor ⁇ calculated according to the aging function 50 of the polynomial C0 specifically applied with the first and second vacuum voltages Ull, U21 and the first load variation. This method of calculation is justified by the following assumptions:
  • the no-load voltage is identical regardless of the aging of the cell for the maximum state of charge of the cell in the operating range.
  • the method proposes two methods of calculating the loss factors al, at which can be achieved by the control device 13.
  • a first method, shown in FIG. 2 and FIG. 3A, for the bearing torque PI, P2 comprises:
  • FIG. 2 A second method of calculating a loss factor for the bearing torque P1, P2 is represented by FIG. 2, FIG. 3B and FIG. 4.
  • FIG. 3B represents the steps of the identification method for measuring the voltages. Vacuum Ull, U21, U31 and U41 bearings PI, P2, P3 and P4.
  • the charge states SOC11, SOC21, SOC31 and SOC41 of each bearing PI, P2, P3 and P4 are calculated as a function of the variation of current during the piloting of the bearings. This calculation method exploits the fact that the variation of the state of charge is different at each aging state of a cell.
  • the calculation of a loss factor al (for the bearing torque PI, P2) comprises:
  • SOC 00 being a state of charge of the cell for the CO polynomial
  • SOC being a state of charge of the aging cell calculated in step 24
  • the load state variation 34 is equal to the load state variation 37 divided by the loss factor a1.
  • the coefficient of loss al is the coefficient of loss al.
  • the identification method comprises a plurality of voltage steps PI, P2, P3, P4, and the fourth step 24 of determining the loss coefficient a further comprises a selection from the first loss factor ai and from a plurality of second oi loss factors t, each second loss factor t is calculated identically to the first loss factor have and according to the third voltages to empty U31, U41 and second load variations measured during the third measurement step 23 .
  • the selection can be carried out according to several variants of selective method.
  • a first method represented in FIG. 5, the selection is a function of calculating the average 51.
  • An average of the set of loss factors obtained ai, at is calculated according to the following formula:
  • M the number of piloted voltage steps and the loss factor calculated from a pair of step measurements, t being the index of the loss factor among the calculated MI loss factors.
  • the selective method for determining the loss coefficient consists of using the least squares method and using a criterion J adapted to the method of calculating the loss factors i, a t .
  • the criterion to be minimized is the difference between the measured no-load voltage and the calculated no-load voltage with the plurality of loss factors at t and the application of the aging function. for a given state of charge is as follows:
  • the criterion to be minimized is the difference between the load state variations measured ASOC (Ui; U t ) and load state variations calculated with several values of an ASOC loss factor (Ui; U t ; a).
  • ASOC loss factor Ui; U t ; a
  • the criterion to be minimized can be represented by the following formula: / ⁇ *) - ⁇ , - as c (i / i, u t,> ")) *
  • the least squares method is one of the selection methods among others and does not limit the scope of the invention in any case.
  • the method comprises a fifth calculation step 25 of the vacuum voltage curve C1 according to the aging function 50 parameterized with the loss coefficient a determined in step 24 and applied to all the coefficients of the polynomial CO of the reference vacuum voltage curve.
  • FIG. 6 is a graph having on the abscissa the states of charge of the cell and on the ordinate the voltages with no load.
  • the graph represents the polynomial CO of the reference vacuum voltage curve and the vacuum voltage curve C1 obtained by the calculation for each coefficient of the polynomial CO by applying the parameterized aging function 50 with the coefficient of loss of capacitance of the cell.
  • the method is operable in any type of equipment having a device for controlling the cell. Indeed, the steps 22, 23, 24, 25 of the method successive to the step of determining the polynomial CO 21 are executed when the cell 121 is installed in a host equipment 11 and when it operates by means of the electrical energy supplied by said cell 121.
  • the empty voltage curve of each cell can be identified.
  • the invention provides a control device for an electrical storage device comprising a calculation means operating the aging identification method of the vacuum voltage curve for each of said storage cells, and a means for determining the operating indicators of the electrical storer, for example a storer voltage curve of the storer and a state of charge, from the open-circuit voltage curves of each of said cells calculated by said identification method.
  • the method favors the piloting of several levels in order to obtain a more precise measurement.
  • the estimated actual capacity does not require a complete charge or discharge.
  • the invention makes it possible to improve the accuracy and reliability of the energy level indicator in the storer and the piloting precision by the control device and an improvement in the life of the storer. It also makes it possible to reduce the dimensioning of the storer, and thus the cost, and to improve the diagnosis of the storer.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'identification d'une courbe de tension à vide d'une cellule d'accumulation d'énergie électrique en vieillissement. Le procédé comprend une étape d'identification (21) d'une courbe de tension à vide de référence, par exemple l'indicateur du constructeur de la cellule, puis une étape de pilotage (22) de paliers de tension à vide afin d'opérer ensuite une étape de mesure (23) de données électriques, puis une étape de détermination (24) de la perte de la capacité de la cellule, et finalement une étape de calcul (25) d'une fonction de vieillissement paramétrée en fonction du coefficient de perte de capacité et de la courbe de tension à vide de référence. L'invention s'applique à tout dispositif de pilotage d'une cellule électrique et à tout équipement électrique alimenté par la cellule, par exemple un véhicule électrique ou un dispositif portable électronique.

Description

PROCEDE D'IDENTIFICATION DE LA COURBE DE TENSION A VIDE D'UNE CELLULE ELECTRIQUE EN VIEILLISSEMENT
Le domaine de l'invention concerne un procédé d'identification de la courbe d'une tension à vide d'une cellule d'accumulation d'énergie électrique en vieillissement.
Les véhicules hybrides et électriques puisent leur énergie de traction dans des stockeurs électriques embarqués. Une gestion efficiente de l'énergie électrique est primordiale pour réduire le coût du véhicule. Cela permet de dimensionner le stockeur pour correspondre au plus proche des besoins électriques du véhicule et de configurer le dispositif de pilotage du stockeur électrique (communément appelé « Battery Management System » en anglais) avec des lois de pilotage efficientes et préservant les propriétés électriques des stockeurs durant l'utilisation du véhicule.
Plus précisément, le stockeur électrique d'un véhicule automobile est généralement composé de plusieurs cellules d'accumulation d'énergie électrique. On définit dans la suite de la description le stockeur électrique d'un véhicule comme l'ensemble des cellules reliées entre elles pour obtenir la tension et la capacité désirée pour la fourniture d'énergie du véhicule .
Une cellule d'accumulation d'énergie est caractérisée par des indicateurs de fonctionnement, notamment une résistance interne, une tension à ses bornes, des limites de tension de fonctionnement, une capacité, une tension à vide (communément appelée « Open Circuit Voltage » en anglais), un état de charge (communément appelé « State of Charge » en anglais), et la température de fonctionnement. Par extension, le stockeur électrique est caractérisé par ces mêmes indicateurs . Le dispositif de pilotage du stockeur électrique a pour tâche principale de surveiller les indicateurs de fonctionnement électrique et thermique du stockeur électrique pour assurer un usage sécurisé et un fonctionnement optimal du véhicule .
Parmi ces indicateurs de fonctionnement, la courbe de tension à vide est d'une grande importance car elle est indispensable pour déterminer l'état de charge du stockeur électrique ainsi que d'autres indicateurs du dispositif de pilotage .
La tension à vide d'un accumulateur électrique correspond à la tension existante aux bornes de l'accumulateur électrique en absence de tout courant électrique à ses bornes et au bout d'un temps suffisamment long de sorte que la tension n'évolue plus. Ainsi, on définit généralement la courbe de tension à vide d'un accumulateur comme la représentation de la tension à vide pour l'ensemble des états de charge de l'accumulateur entre un état de charge minimum et un état de charge maximum.
Par exemple, l'énergie récupérable par le stockeur électrique dans les limites de tension de fonctionnement maximale et minimale est déterminée à partir de l'indicateur de fonctionnement de la courbe de tension à vide. On comprend donc l'importance de cet indicateur pour obtenir une bonne efficience du pilotage du stockeur électrique.
Or, l'indicateur de la courbe de tension à vide, ainsi que d'autres indicateurs du stockeur électrique, évolue au cours du temps sous l'effet du vieillissement. Il s'ensuit une dégradation de l'aptitude du stockeur à accumuler et délivrer de l'énergie électrique. Ceci provoque une baisse de performance du véhicule liée à une perte de son rendement. Dans les pires cas, une mauvaise détection du vieillissement, par conséquent de l'état de charge ou de la puissance disponible, peut conduire à une immobilisation du véhicule, voire des risques d'incendie ou d'explosion. Parallèlement à ces contraintes techniques, une mauvaise gestion de ces indicateurs conduit à des surcoûts à l'usage tant pour l'utilisateur, en cas de changement précoce du stockeur électrique, que pour le constructeur qui voit le coût se répercuter sur la prestation de la garantie proposée.
Par ailleurs, les paramètres de l'indicateur de la courbe de tension à vide du stockeur électrique d'un véhicule sont propres à chaque cellule du stockeur. Ceci provient des dispersions de fabrication des cellules électrochimiques mais aussi du vieillissement différencié des cellules. Celles-ci ont en effet une histoire propre et donc un vieillissement individuel. Il est par conséquent nécessaire de mettre à jour l'indicateur de la courbe de tension à vide de chaque cellule pour proposer un dispositif de pilotage du stockeur performant .
On connaît de l'état de la technique les documents nommés ci-après qui décrivent des propositions techniques pour identifier l'indicateur de la courbe de tension à vide d'un stockeur électrique.
Le brevet français FR2964464B1 propose une méthode d'identification de la courbe de tension à vide reposant sur la mesure de la capacité lors du vieillissement du stockeur. Cette mesure peut par exemple être réalisée en garage ou encore lors de la recharge du véhicule par l'utilisateur. Il est également supposé que la courbe de tension à vide ainsi définie est invariante avec le vieillissement à condition de réactualiser la capacité. L'inconvénient majeur de la méthode réside dans la mesure de la capacité. Chaque cellule ayant sa propre courbe de tension à vide il faut mesurer la capacité pour chacune d'elles ce qui nécessite, pour toutes les cellules d'un stockeur électrique, de charger et décharger complètement toutes les cellules. Le temps de mise en œuvre de la mesure de la capacité peut donc être long et induire des dépenses énergétiques liées à la décharge complète des cellules. Même si une charge et décharge complète est possible dans le cas d'un véhicule électrique ou hybride disposant d'une interface de rechargement du stockeur (véhicule dit « plug-in » en anglais pour interface de rechargement) la méthode reste néanmoins difficile car il faut pouvoir équilibrer en tension toutes les cellules du stockeur à la tension minimale et la tension maximale. Par ailleurs, dans le cas d'un véhicule hybride classique il n'y a pas d'interface de rechargement, ce qui complique la mesure de la capacité. Enfin, l'hypothèse faite sur la non dépendance au vieillissement de la courbe de tension à vide par rapport à l'état de charge n'est pas justifiée pour tous les types d 'électrochimie .
Le brevet français FR2966250B1 a pour objectif de palier les défauts majeurs du brevet décrit dans le paragraphe précédent. La méthode ne cherche plus à mesurer directement la capacité lors du vieillissement du stockeur. La méthode proposée consiste à accéder à la capacité via une cartographie propre à chaque cellule en reliant différentes valeurs de capacité à différentes valeurs de résistance interne. Le défaut majeur de cette méthode est qu'elle suppose la connaissance au préalable du lien à tout niveau de vieillissement entre la valeur de la résistance interne d'une cellule et la valeur de sa capacité réelle. Or, l'existence d'un lien entre la résistance d'une cellule et sa capacité n'est pas justifiée. Il n'a pas été prouvé qu'il y ait une corrélation entre ces deux valeurs. Par ailleurs, même si un lien existe, cette cartographie introduit une imprécision d'estimation. De plus, l'hypothèse faite sur la non dépendance au vieillissement de la courbe de tension à vide par rapport à l'état de charge, n'est toujours pas valable pour tous les types d ' électrochimie .
L'article intitulé « Battery open-circuit voltage estimation by a method of statistical analysis », publié en 2006 par Snihir et accessible dans la publication « Journal of Power Sources, 159(2), pp.1484-1487 », divulgue une estimation de la courbe de tension à vide par approche statistique. La méthode propose d'obtenir la courbe de tension à vide comme la limite, lorsque le courant tend vers zéro, d'un modèle donnant la tension de la cellule en réponse à une sollicitation de type courant constant. Il y est considéré le cas d'une cellule subissant plusieurs cycles de charge et décharge complets pour différentes valeurs de courant décroissantes. Cette méthode présente l'inconvénient d'une procédure de calcul très lourde à implémenter en temps réel. Si la procédure de caractérisâtion, qui consiste à faire subir au stockeur plusieurs cycles de charge et décharge sous des courants différents, n'est réalisée qu'initialement, on ne voit alors pas apparaître la prise en compte du vieillissement. De plus, si la procédure de caractérisâtion est réalisée à chaque identification, la méthode devient alors très longue. On ne voit alors plus l'avantage par rapport à une méthode ne nécessitant qu'un seul cycle de charge ou décharge complet. De plus, la méthode serait inapplicable aux véhicules hybrides, quasi dépourvus de cycles de charge/décharge complets.
L'article intitulé « Analysis and prédiction of the open circuit potential of lithium-ion cells », publié en 2013 par Schmidt et accessible dans la publication « Journal of Power Sources, 239, 696-704 », divulgue une première méthode de paramétrage de l'évolution de la tension à vide en fonction du vieillissement et une deuxième méthode d'identification de la courbe de tension à vide reposant sur la connaissance du potentiel d'équilibre de chaque électrode. Ces méthodes présentent l'inconvénient de la nécessité de connaître le potentiel d'équilibre de chaque électrode, cette courbe n'étant en général pas fournie par le constructeur du stockeur et encore moins pour chaque cellule. En outre, la mise en œuvre en temps réel est très difficile.
Au regard des documents décrits dans l'état de la technique et des inconvénients de chaque méthode, il existe donc un besoin de proposer une méthode d'identification de la courbe de tension à vide du stockeur électrique pouvant être mise en œuvre en temps réel et de façon autonome par le calculateur de supervision d'un véhicule.
En outre, Il est recherché une méthode d'identification de la courbe de tension à vide pouvant être opérée en cours de vie du véhicule par un diagnostic autonome afin d'adapter les fonctions de commandes du dispositif de pilotage du stockeur électrique .
Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'identification du vieillissement d'une courbe de tension à vide d'une cellule d'accumulation d'énergie électrique. Selon l'invention, le procédé comprend les étapes successives suivantes : la détermination d'un polynôme représentant une courbe de tension à vide de référence de la cellule,
- le pilotage de la cellule pour maintenir au moins des premier et deuxième paliers de tension à vide à au moins des premier et deuxième états de charge respectivement,
- la mesure des première et deuxième tensions à vide pour les premier et deuxième paliers respectivement et d'une première variation de charge de la cellule entre les premier et deuxième paliers, - la détermination d'un coefficient de perte a de la capacité de la cellule à partir d'au moins un premier facteur de perte i calculé selon une fonction de vieillissement du polynôme spécifiquement appliquée avec les première et deuxième tensions à vide et la première variation de charge,
- le calcul de la courbe de tension à vide selon la fonction de vieillissement paramétrée avec le coefficient de perte a et appliquée à l'ensemble du polynôme.
Avantageusement, la fonction de vieillissement correspond à la formule suivante :
Figure imgf000009_0001
avec :
- U représentant la courbe de tension à vide,
- k, un indice de coefficient constituant le polynôme parmi N coefficients du polynôme,
- Dk init un coefficient du polynôme et correspondant à un indice k,
- SOC un état de charge de la cellule,
- SOC 100%, l'état de charge maximum de la cellule,
- a , le coefficient de perte de capacité de la cellule.
De préférence, pour le procédé : le pilotage comprend en outre le maintien à une pluralité de troisièmes paliers de tension à vide,
- la mesure comprend en outre la mesure d'une pluralité de troisièmes tensions à vide pour les troisièmes paliers et d'une pluralité de deuxièmes variations de charge de la cellule entre chacun des troisièmes paliers et entre le deuxième palier et au moins un des troisièmes paliers, la détermination du coefficient de perte de la capacité de la cellule comprend une outre une sélection parmi le premier facteur de perte i et une pluralité de deuxièmes facteurs de pertes at, chaque deuxième facteur de perte at étant calculé identiquement au premier facteur de perte i en fonction des troisièmes tensions à vide et des deuxièmes variations de charge.
Selon une première variante du procédé, pour la détermination du coefficient de perte a, le calcul du premier facteur de perte al comprend :
- le calcul d'une première variation d'état de charge de la cellule entre les première et deuxième tensions à vide mesurées, la première tension à vide mesurée étant la tension à vide pour l'état de charge maximum de la cellule,
- le calcul de l'état de charge de la cellule pour la deuxième tension à vide en soustrayant la première variation d'état de charge à l'état de charge maximum de la cellule,
- le calcul du premier facteur de perte al selon la tension à vide mesurée et la fonction de vieillissement appliquée pour l'état de charge et pour la deuxième tension à vide de la cellule.
Selon une deuxième variante du procédé, pour la détermination du coefficient de perte a, le calcul du premier facteur de perte al comprend:
- le calcul d'une deuxième variation d'état de charge de la cellule entre les première et deuxième tensions à vide mesurée, et d'une troisième variation d'état de charge de la cellule entre les tensions à vide correspondante du polynôme, - le calcul du premier facteur de perte i en fonction du rapport entre la deuxième variation et la troisième variation .
Selon une variante de déroulement du procédé, le pilotage de la cellule pour maintenir le premier, deuxième et les troisièmes paliers de tension à vide est opéré dans un même cycle de recharge de la cellule.
De préférence, le polynôme correspond à la courbe de tension à vide pour un état neuf de la cellule.
Avantageusement, au moins les étapes du procédé successives à l'étape de détermination du polynôme sont exécutées lorsque la cellule est installée dans un équipement hôte et lorsque celui-ci fonctionne au moyen de l'énergie électrique fournie par la dite cellule.
L'invention prévoit également, un dispositif de pilotage d'un stockeur électrique, le dit stockeur électrique comprenant une pluralité de cellules électriques. Le dispositif comprend :
un moyen de calcul opérant le procédé d'identification du vieillissement de la courbe de tension à vide conformément à l'une quelconque des variantes décrites précédemment pour chacune des dites cellules du stockeur, un moyen de détermination des indicateurs de fonctionnement du stockeur électrique, par exemple une courbe de tension à vide du stockeur et un état de charge, à partir des courbes de tension à vide de chacune des dites cellules calculées par le dit procédé d'identification.
L'invention prévoit un véhicule automobile comprenant un stockeur électrique, une machine de traction électrique et un dispositif de pilotage du stockeur électrique. Avantageusement, le dispositif de pilotage est conforme au dispositif de pilotage décrit précédemment.
Grâce à l'invention, le procédé d'identification est réalisable sur tout type de cellule électrique de technologie lithium-ion sans le besoin de recharger ou décharger complètement la cellule. La connaissance de la courbe de tension initiale, par exemple obtenue par les données de constructeur permet au moyen de la fonction de vieillissement de calculer une courbe de tension à vide d'une cellule en vieillissement par la mesure de deux paliers de tension à vide. Plusieurs paliers permettront d'identifier un vieillissement plus précis.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente un schéma d'un équipement électronique comprenant un stockeur électrique composé de cellules d'accumulation d'énergie électrique ;
- la figure 2 est un diagramme représentant le procédé de d'identification du vieillissement d'une cellule électrique selon l'invention ;
- la figure 3A est un graphique représentant les données mesurées de la cellule électrique lors de l'exécution d'un premier mode de réalisation du procédé d'identification selon l'invention ;
- la figure 3B est un graphique représentant les données mesurées de la cellule électrique lors de l'exécution d'un deuxième mode de réalisation du procédé d'identification selon l'invention ; - la figure 4 est un graphique représentant un polynôme de la courbe de tension à vide à neuf de la cellule et les mesures de tension à vide de la cellule lors de l'exécution du deuxième mode de réalisation du procédé, le graphique ayant en abscisse l'état de charge de la cellule et en ordonnée la tension à vide de la cellule ;
- la figure 5 représente une formule de la fonction de vieillissement de la courbe de tension à vide à neuf de la cellule et un mode opératoire pour la sélection du coefficient de perte a de capacité de la cellule ;
- la figure 6 est un graphique représentant un polynôme de la courbe de tension à vide à neuf de la cellule et la courbe de tension à vide de la cellule en vieillissement.
L'invention s'applique à tout équipement électronique, comprenant un stockeur électrique formé d'une ou plusieurs cellules d'accumulation d'énergie électrique. L'invention s'applique de préférence à une cellule électrique de type lithium-ion qui est une technologie requérant un pilotage sécurisé pour éviter les effets de surchauffe ou d'explosion. L'invention propose un procédé d'identification du vieillissement de la courbe de tension à vide d'une cellule électrique dans le but d'améliorer la gestion de l'énergie et proposer un pilotage sécurisé s 'adaptant au vieillissement de la cellule électrique.
Le procédé selon l'invention peut être exécuté par tout type d'équipement électronique disposant d'un moyen de pilotage du stockeur électrique. Il s'applique donc par exemple à un équipement électronique portable de type téléphone mobile ou ordinateur, à un véhicule automobile électrique ou hybride électrique et ainsi qu'à une installation électrique de grande dimension comprenant un stockeur électrique. Dans la suite de la description, l'invention sera décrite pour un véhicule automobile électrique (ou hybride électrique) . On notera que l'une quelconque des variantes du procédé décrit par la suite peut s'appliquer à tout dispositif électronique comprenant un stockeur électrique. L'application à un véhicule automobile n'est pas limitative de la portée de 1 ' invention .
La figure 1 est un schéma simplifié représentant un véhicule automobile 11. Le véhicule automobile comporte un stockeur électrique 12 constitué de plusieurs cellules 121 d'accumulation d'énergie électrique de type lithium-ion. Le nombre de cellules 121 est adapté selon les besoins électriques du véhicule 11 et n'est pas un facteur limitatif de l'invention.
Le véhicule automobile comprend également un dispositif de pilotage 13 du stockeur électrique 12. Par simplification de représentation, le dispositif de pilotage 13 est le calculateur de supervision du véhicule qui commande également des équipements électroniques 14 et 15. Ces équipements sont par exemple une machine électrique de traction 14 associée à son onduleur 15 et un convertisseur de tension pour un réseau électrique du véhicule. Ce réseau alimente par exemple le réseau de bord.
On notera que ce mode de réalisation n'est pas limitatif et d'autres équipements électriques du véhicule non représentés sur la figure 1 sont pilotés par le calculateur de supervision et alimentés par le stockeur électrique 12, ou alimentent le stockeur électrique 12, par exemple un chargeur embarqué qui à partir du réseau électrique 220V recharge le stockeur électrique. Le dispositif de pilotage 13 du stockeur 12 peut également être un calculateur décentralisé au calculateur de supervision et dédié aux fonctions de gestion de l'alimentation électrique et aux fonctions de pilotage du stockeur 12 et de chaque cellule électrique 121.
Pour la mise en œuvre du procédé d'identification de vieillissement de la courbe de tension à vide d'une cellule, le dispositif de pilotage comprend des moyens de mesures de divers indicateurs de fonctionnement de chacune des cellules. Le dispositif de pilotage 13 comprend notamment des capteurs de tension et de courant de chacune des cellules électriques 121. Le dispositif de pilotage 13 comprend également un ou plusieurs calculateurs aptes à calculer des indicateurs de fonctionnement en fonction des données mesurées. Par exemple, à partir des données de la variation de la charge d'une cellule, les calculateurs déterminent des variations d'état de charge des cellules électriques et du stockeur dans son intégralité en fonction d'un état de charge de référence.
En outre, le dispositif de pilotage 13 comprend des moyens de pilotage des cellules 121 pour les commander en tension et en courant. Ainsi chaque cellule peut être commandée par des fonctions de gestion d'énergie du véhicule pour délivrer de l'énergie électrique à un équipement électronique du véhicule ou pour être rechargée. Les fonctions de gestion sont les fonctions de stratégies énergétiques commandant les différents modes de roulage d'un véhicule hybride. Il s'agit des commandes mettant en fonctionnement la machine électrique de traction pour récupérer de l'énergie cinétique ou pour fournir un couple aux roues. Il peut s'agir également de commandes pour une machine électrique d'aide au démarrage d'un moteur thermique du véhicule.
On définit dans la description l'état de charge d'une cellule 121 comme le niveau de charge en énergie électrique de la cellule 121, et l'état de charge du stockeur 12 comme le niveau de charge de la totalité des cellules 121. La variation de charge d'une cellule est obtenue par le calcul de l'intégration entre deux instants donnés de la variation du courant mesuré d'une cellule.
Plus précisément, le stockeur électrique 12 comprend une pluralité de cellules électriques 121 agencées pour fournir une capacité d'énergie totale du stockeur 12. Une cellule comprend deux électrodes, une cathode et une anode, appelées bornes dans la suite de la description. La tension à vide d'une cellule est la différence de tension stabilisée entre ses bornes lorsqu'aucun courant ne circule. On dit que la cellule est en état d'équilibre.
La littérature, notamment la publication de Karthikeyan et al. Divulgué en 2008 et intitulé "Thermodynamic model development for lithium intercalâtion électrodes », numéro 185, page 1398-1407, a démontré que le vieillissement d'une cellule est dépendant du taux d'insertion en lithium des bornes d'une cellule.
On notera que le taux d'insertion en lithium des bornes d'une cellule est également dépendant de l'état de charge d'une cellule électrique 121. On peut donc affirmer que le vieillissement peut être modélisé à partir d'une modélisation d'une courbe de tension à vide de référence, correspondant à la courbe de tension à vide à l'état neuf, c'est à dire en sortie du constructeur, et d'un paramétrage de coefficient de perte de capacité de la cellule et une définition spécifique de l'état de charge.
On prend également l'hypothèse que les conditions de température durant l'exécution du procédé d'identification du vieillissement de la courbe de tension à vide n'impactent pas le procédé. Dans la suite de la description, on prend l'hypothèse que la courbe de tension à vide de référence est modélisée par une interpolation polynomiale CO . A partir du polynôme CO, d'une fonction de vieillissement 50 paramétrée par un coefficient de perte de capacité de la cellule a, il est possible d'identifier la courbe de tension à vide de la cellule après le vieillissement suivant l'instant de référence. La courbe de tension à vide identifiée par le procédé est un polynôme Cl .
La figure 6 représente une modélisation Cl de la courbe de tension à vide d'une cellule après vieillissement et une modélisation CO du polynôme de la courbe de tension à vide de référence .
On appelle a le coefficient de perte de la capacité de la cellule suivant le vieillissement de la cellule après un instant de référence, correspondant ici à l'instant pour lequel la courbe de tension à vide de référence a été déterminée .
On prend également l'hypothèse que la variation de la tension à vide de l'anode de la cellule 121 est invariante au vieillissement sur les plages de valeur de fonctionnement d'une cellule électrique. Cette hypothèse est prouvée dans l'article publié par Schmidt et mentionné dans l'état de la technique décrivant la variation des tensions à vide en fonction des taux d'insertion en lithium de chaque borne.
La fonction de vieillissement 50 de la cellule 121 exploitée dans le cadre du procédé de l'invention par le dispositif de pilotage du stockeur 12 est fonction du polynôme CO de la courbe de tension à vide de référence et est alors décrite par la formule suivante, représentée en figure 5:
Figure imgf000018_0001
avec :
- U représentant la courbe de tension à vide pour les différents états de charge de la cellule,
- k, un indice de coefficient constituant le polynôme CO parmi N coefficients du polynôme CO,
- Dk init un coefficient du polynôme CO et correspondant à un indice k compris entre 0 et N,
- SOC un état de charge de la cellule 121,
- SOCioo%? l'état de charge maximum de la cellule 121,
- a, le coefficient de perte de capacité de la cellule.
La figure 2 représente le procédé d'identification de la courbe de tension à vide de la cellule 121. Il comprend les étapes successives ci-après pouvant être réalisées selon deux modes de calcul distincts du coefficient de perte de capacité a de la cellule.
Tout d'abord, le procédé comprend une première étape de détermination 21 du polynôme CO représentant une courbe de tension à vide de référence de la cellule 121. Le polynôme CO peut être obtenu selon deux méthodes. Une première méthode est la mesure à l'instant de référence, c'est à dire pour un état de sortie d'usine du constructeur du stockeur 12, de la tension à vide pour chacune des cellules 121 du stockeur 12 pour l'ensemble des états de charge de la cellule 121. Une deuxième méthode est l'utilisation des mesures de référence fournies par le constructeur du stockeur 12. A la suite des deux méthodes d'obtention du polynôme CO modélisant la courbe de tension à vide d'une cellule, les facteurs composants le polynôme CO sont mémorisés dans une mémoire accessible par le dispositif de pilotage 13 du stockeur. Le polynôme CO de chacune des cellules est ainsi mémorisé et exploitable par le dispositif de pilotage.
Lors du fonctionnement du véhicule, le procédé comprend ensuite une deuxième étape de pilotage 22 de la cellule pour maintenir au moins des premier et deuxième paliers de tension à vide PI, P2 à au moins des premier et deuxième états de charge SOC11, SOC21 respectivement.
Les figures 3A et 3B représentent le pilotage de la cellule lors de la mise en œuvre de la deuxième étape de pilotage 22. Plus précisément, les figures 3A et 3B représentent le pilotage de quatre paliers de tension PI, P2, P3, P4 pour quatre états de charge SOC11, SOC21, SOC31 et SOC41 distincts de la cellule 121 lors d'une phase de recharge de la cellule 121.
On notera qu'un palier de tension est défini par une phase d'équilibre de la cellule lorsque celle-ci est relaxée. La cellule est en équilibre lorsque le courant qui la traverse est très faible, sensiblement nul, et lorsque la tension ne varie pas.
Dans le cadre du véhicule automobile, le dispositif de pilotage 13 du stockeur électrique 12 ne sollicite ni en charge ni en décharge le stockeur 12 et donc les cellules 121. Une sollicitation est opérée lorsqu'un chargeur au réseau électrique est en fonctionnement (s'il s'agit d'un véhicule disposant d'une prise de branchement) ou lorsqu'un équipement 14 ou 15 (machine électrique ou réseau de bord) consomme de l'énergie électrique ou délivre de l'énergie électrique. Ainsi, la deuxième étape 22 du procédé peut être commandée dans une première variante lors d'une phase de recharge du stockeur 13 sur le réseau électrique (pour le cas d'un véhicule disposant d'une prise de branchement), ou dans une deuxième variante lors des phases de vie entre deux arrêts de la machine électrique 14 (pour le cas d'un véhicule hybride électrique) . Une troisième variante commande durant le roulage du véhicule les paliers de tension PI, P2, P3, P4 à des instants lorsqu ' aucune sollicitation n'est exercée sur le stockeur 12.
Par ailleurs, le pilotage d'une séquence de paliers est commandé lorsque le dispositif de pilotage 13 reçoit ou émet une demande d'identification de la courbe de tension à vide d'une cellule, par exemple sur requête extérieure au véhicule ou sur demande d'un programme de diagnostic du stockeur 12 interne au véhicule.
D'autres séquences de pilotages comportant seulement deux paliers sont possibles, préfèrentiellement à l'état de charge minimum de la cellule et à l'état de charge maximum de la cellule.
Cependant, l'identification de la courbe de tension à vide de la cellule en vieillissement sera préférée avec une séquence d'une pluralité de paliers successifs entre l'état de charge minimum et l'état de charge maximum de la cellule 121. Ainsi, selon une variante du procédé comportant de multiples paliers de tension à vide, la deuxième étape de pilotage de la cellule comporte en outre le maintien à une pluralité de troisièmes paliers de tension à vide intermédiaires entre le palier correspondant à un état de charge minimum P2 et le palier correspondant à un état de charge maximum PI .
Ensuite, le procédé d'identification comprend une troisième étape de mesure 23 des première et deuxième tensions à vide Ull, U21 pour les premier et deuxième paliers respectivement et d'une première variation de charge de la cellule entre les premier et deuxième paliers Ull et U21.
Selon la variante du procédé comportant de multiples paliers PI, P2, P3 et P4, la troisième étape de mesure 23 comporte la mesure d'une pluralité de troisièmes tensions à vide U31 et U41 pour les troisièmes paliers P3, P4 respectivement et une pluralité de deuxièmes variations de charge de la cellule 121 entre chacun des troisièmes paliers P3 et P4 et entre le deuxième palier et au moins un des troisièmes paliers.
On notera que les variations de charge de la cellule 121 entre les paliers PI, P2, P3 et P4 sont obtenues par la mesure de la variation de l'intensité entre les paliers de tension et par le calcul de l'intégrale de la variation du courant .
En outre, le procédé d'identification comporte une quatrième étape de détermination 24 d'un coefficient de perte a de la capacité de la cellule 121 à partir d'au moins un premier facteur de perte al calculé selon la fonction de vieillissement 50 du polynôme C0 spécifiquement appliquée avec les première et deuxième tensions à vide Ull, U21 et la première variation de charge. Cette méthode de calcul est justifiée par les hypothèses suivantes :
- le polynôme C0 est strictement croissant, l'application de la fonction de vieillissement 50 pour une tension à vide mesurée permet d'obtenir la relation suivante entre les états de charge correspondant SOCti= at*SOCto+SOCmax ( 1- t) , avec SOCti correspondant à l'état de charge pour une mesure de tension à vide mesurée Uti, SOCto l'état de charge pour le polynôme C0 pour une tension à vide Uto égale à Uti, SOCmax l'état de charge de la cellule maximum et oit le coefficient de perte pour la mesure de tension à vide mesurée,
- la tension à vide est identique quel que soit le vieillissement de la cellule pour l'état de charge maximum de la cellule dans la plage de fonctionnement.
En outre, le procédé propose deux méthodes de calcul des facteurs de perte al, at pouvant être réalisées par le dispositif de pilotage 13.
Une première méthode, représentée sur la figure 2 et la figure 3A, pour le couple de palier PI, P2 comprend :
- le calcul 241 d'une première variation 31 d'état de charge de la cellule 121 entre les première et deuxième tensions à vide mesurées Ull, U21, la première tension à vide mesurée Ull étant la tension à vide pour l'état de charge maximum SOC11 de la cellule,
- le calcul 242 de l'état de charge SOC21 de la cellule 121 pour la deuxième tension à vide U21 en soustrayant la première variation d'état de charge 31 à l'état de charge maximum SOC11 de la cellule,
- le calcul 243 du premier facteur de perte al selon la tension à vide mesurée U21 et la fonction de vieillissement 50 appliquée pour l'état de charge SOC21 et pour la deuxième tension à vide U21 de la cellule.
Grâce à un couple de paliers de tension à vide (PI, P2 par exemple) , on déduit la tension à vide mesurée U21 et son état de charge SOC21, la tension à vide pour le polynôme C0 de la courbe de tension à vide de référence et l'état de charge correspondant SOC20. De ces valeurs on déduit un premier facteur de perte de la capacité de la cellule. Une deuxième méthode de calcul d'un facteur de perte pour le couple de palier PI, P2 est représenté par la figure 2, la figure 3B et la figure 4. La figure 3B représente les étapes du procédé d'identification pour la mesure des tensions à vide Ull, U21, U31 et U41 des paliers PI, P2, P3 et P4. Les états de charge SOC11, SOC21, SOC31 et SOC41 de chaque palier PI, P2, P3 et P4 sont calculées en fonction de la variation de courant lors du pilotage des paliers. Cette méthode de calcul exploite le fait que la variation de l'état de charge est différente à chaque état de vieillissement d'une cellule.
Ainsi, pour la détermination 24, le calcul d'un facteur de perte al (pour le couple de palier PI, P2) comprend:
- le calcul 244 de la variation 34 d'état de charge de la cellule entre les première et deuxième tensions à vide mesurée Ull, U21, et de la variation 37 d'état de charge de la cellule entre les tensions à vide correspondante U10, U20 du polynôme CO, (avec U20=U21 et U10=U11),
- le calcul 245 du facteur de perte al en fonction du rapport entre la variation 34 et la variation 37.
Du fait de l'application de la fonction de vieillissement 50 et en considérant les états de charge d'une cellule en vieillissement et les états de charge du polynôme CO de la courbe de tension à vide de référence, deux états de charge de même tension à vide sont liés par la relation suivante : î ·■
SOC™— I — G£^QQ¾! '!| +■ SQCIQÇ,!ÎA
a '
SOC00, étant un état de charge de la cellule pour le polynôme CO, SOC, étant un état de charge de la cellule en vieillissement calculé lors de l'étape 24,
SOCioo%? étant l'état de charge maximum de la cellule.
Ainsi, on peut affirmer pour le couple de palier de tension à vide PI et P2 que la variation d'état de charge 34 est égale à la variation d'état de charge 37 divisée par le facteur de perte al. Et, connaissant la variation des états de charge du polynôme CO et les variations d'états de charges mesurés, on calcule le coefficient de perte al.
De préférence, le procédé d'identification comporte une pluralité de paliers de tension PI, P2, P3, P4, et la quatrième étape de détermination 24 du coefficient de perte a comporte en outre une sélection parmi le premier facteur de perte ai et parmi une pluralité de deuxièmes facteurs de perte oit, chaque deuxième facteur de perte at étant calculé identiquement au premier facteur de perte ai et en fonction des troisièmes tensions à vide U31, U41 et des deuxièmes variations de charge mesurées durant la troisième étape de mesure 23.
La sélection peut être réalisée selon plusieurs variantes de méthode sélective. Selon une première méthode, représentée en figure 5, la sélection est une fonction de calcul de la moyenne 51. Une moyenne de l'ensemble des facteurs de perte obtenus ai, at est calculée selon la formule suivante :
Figure imgf000024_0001
Avec a le coefficient de perte, M le nombre de paliers de tension piloté et at le facteur de perte calculé à partir d'un couple de mesures de palier, t étant l'indice du facteur de perte parmi les M-l facteurs de perte calculés.
Dans une variante privilégiée, la méthode sélective pour déterminer le coefficient de perte consiste à utiliser la méthode des moindres carrées et à utiliser un critère J adapté à la méthode de calcul des facteurs de perte i , at .
Selon la première méthode de calcul représentée par la figure 3A, le critère à minimiser est la différence entre la tension à vide mesurée et la tension à vide calculée avec la pluralité de facteurs de perte at et l'application de la fonction de vieillissement 50 pour un état de charge donné est le suivant :
M-l
Figure imgf000025_0001
Avec, Ut la mesure de la tension à vide mesurée pour un état de charge de la cellule étudié, Dk neuf le coefficient du polynôme correspondant à l'état de charge de la cellule étudié, SOCt l'état de charge de la cellule étudié correspondant à la mesure de tension à vide Ut et a le facteur de perte propre à la courbe de tension à vide Cl.
Selon la deuxième méthode de calcul, représentée par la figure 3B et la figure 4, à chaque variation d'état de charge entre le palier de tension à vide minimum et un palier de tension à vide, le critère à minimiser est la différence entre les variations d'état de charge mesurées ASOC( Ui ; Ut ) et les variations d'état de charge calculées avec plusieurs valeurs d'un facteur de perte ASOC ( Ui ; Ut ; a ) . Selon cette méthode de calcul, le critère à minimiser peut être représenté par la formule suivante : /<*) - υ, - âs c(î/i; ut,> «))*
Figure imgf000026_0001
On notera que la méthode des moindres carrés est une méthode de sélection parmi d'autres et ne limite en aucun cas la portée de l'invention.
Par ailleurs, une fois que le coefficient de perte de la capacité de la cellule est déterminé on peut calculer la courbe de tension à vide de la cellule en vieillissement. Le procédé comporte une cinquième étape de calcul 25 de la courbe de tension à vide Cl selon la fonction de vieillissement 50 paramétrée avec le coefficient de perte a déterminée lors de l'étape 24 et appliquée à l'ensemble des coefficients du polynôme CO de la courbe de tension à vide de référence.
La figure 6 est un graphique ayant en abscisse les états de charge de la cellule et en ordonnée les tensions à vide. Le graphique représente le polynôme CO de la courbe de tension à vide de référence et la courbe de tension à vide Cl obtenu par le calcul pour chaque coefficient du polynôme CO en appliquant la fonction de vieillissement 50 paramétrée avec le coefficient de perte de capacité de la cellule.
La justesse du procédé a été validée par des mesures sur une cellule d'accumulation d'énergie électrique après deux ans de vieillissement. Le procédé présente de nombreux avantages cités ci-après.
Il suffit d'identifier une courbe de tension à vide de référence avant l'utilisation de la cellule électrique (obtenue par les données du constructeur ou une procédure de mesure initiale) .
Le procédé est opérable dans tout type d'équipement disposant d'un dispositif de pilotage de la cellule. En effet, les étapes 22, 23, 24, 25 du procédé successives à l'étape de détermination 21 du polynôme CO sont exécutées lorsque la cellule 121 est installée dans un équipement hôte 11 et lorsque celui-ci fonctionne au moyen de l'énergie électrique fournie par la dite cellule 121.
Dans le cas d'un stockeur, la courbe de tension à vide de chaque cellule peut être identifiée. En outre, l'invention prévoit un dispositif de pilotage d'un stockeur électrique comprenant un moyen de calcul opérant le procédé d'identification du vieillissement de la courbe de tension à vide pour chacune des dites cellules du stockeur, et un moyen de détermination des indicateurs de fonctionnement du stockeur électrique, par exemple une courbe de tension à vide du stockeur et un état de charge, à partir des courbes de tension à vide de chacune des dites cellules calculées par le dit procédé d'identification.
Il n'est pas nécessaire de réaliser un processus de charge et décharge complet de la cellule car les mesures peuvent être réalisées à partir de deux paliers de tension à vide seulement. Cependant, la méthode privilégie le pilotage de plusieurs paliers afin d'obtenir une mesure plus précise.
La capacité réelle estimée ne nécessite pas de charge ni décharge complète.
Grâce à l'identification du vieillissement de la courbe de tension à vide, notamment dans un véhicule électrique ou hybride, l'invention permet une amélioration de la précision et de la fiabilité de l'indicateur de niveau d'énergie dans le stockeur et la précision de pilotage par le dispositif de pilotage et une amélioration de la durée de vie du stockeur. Il permet aussi de réduire le dimensionnement du stockeur, et ainsi le coût, et d'améliorer le diagnostic du stockeur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'identification du vieillissement d'une courbe de tension à vide (Cl) d'une cellule d'accumulation d'énergie électrique (121), comprenant les étapes successives suivantes :
- la détermination (21) d'un polynôme (CO) représentant une courbe de tension à vide de référence de la cellule (121), le pilotage (22) de la cellule pour maintenir au moins des premier et deuxième paliers de tension à vide (PI, P2) à au moins des premier et deuxième états de charge (SOC11, SOC21) respectivement,
- la mesure (23) des première et deuxième tensions à vide (Ull, U21) pour les premier et deuxième paliers respectivement et d'une première variation de charge de la cellule entre les premier et deuxième paliers (Ull, U21), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes successives suivantes :
- la détermination (24) d'un coefficient de perte a de la capacité de la cellule à partir d'au moins un premier facteur de perte i calculé selon une fonction de vieillissement (50) du polynôme (CO) spécifiquement appliquée avec les première et deuxième tensions à vide (Ull, U21) et la première variation de charge,
- le calcul (25) de la courbe de tension à vide (Cl) selon la fonction de vieillissement (50) paramétrée avec le coefficient de perte a et appliquée à l'ensemble du polynôme (CO) , et en ce que la fonction de vieillissement (50) correspond à la formule suivante :
Figure imgf000029_0001
avec :
- U représentant la courbe de tension à vide (Cl),
- k, un indice de coefficient constituant le polynôme (CO) parmi N coefficients du polynôme (CO),
Dk init un coefficient du polynôme (CO) et correspondant à un indice k,
- SOC un état de charge de la cellule (121),
- SOCioo%, l'état de charge maximum de la cellule (121),
-a, le coefficient de perte de capacité de la cellule.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que :
- le pilotage (22) comprend en outre le maintien à une pluralité de troisièmes paliers de tension à vide (P3, P4),
- la mesure (23) comprend en outre la mesure d'une pluralité de troisièmes tensions à vide (U31, U41) pour les troisièmes paliers (P3, P4) et d'une pluralité de deuxièmes variations de charge de la cellule (121) entre chacun des troisièmes paliers (P3, P4) et entre le deuxième palier et au moins un des troisièmes paliers,
- la détermination (24) du coefficient de perte a de la capacité de la cellule comprend une outre une sélection (51) parmi le premier facteur de perte i et une pluralité de deuxièmes facteurs de pertes at, chaque deuxième facteur de perte at étant calculé identiquement au premier facteur de perte i en fonction des troisièmes tensions à vide (U31, U41) et des deuxièmes variations de charge.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour la détermination (24) du coefficient de perte a, le calcul du premier facteur de perte ai comprend : - le calcul (241) d'une première variation (31) d'état de charge de la cellule entre les première et deuxième tensions à vide mesurées (Ull, U21), la première tension à vide mesurée (Ull) étant la tension à vide pour l'état de charge maximum (SOC11) de la cellule,
- le calcul (242) de l'état de charge (SOC21) de la cellule pour la deuxième tension à vide (U21) en soustrayant la première variation d'état de charge (31) à l'état de charge maximum (SOC11) de la cellule,
- le calcul (243) du premier facteur de perte i selon la tension à vide mesurée (U21) et la fonction de vieillissement (50) appliquée pour l'état de charge (SOC21) et pour la deuxième tension à vide (U21) de la cellule.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour la détermination (24) du coefficient de perte a , le calcul du premier facteur de perte i comprend:
- le calcul (244) d'une deuxième variation (34) d'état de charge de la cellule entre les première et deuxième tensions à vide mesurée (Ull, U21), et d'une troisième variation (37) d'état de charge de la cellule entre les tensions à vide correspondante (U10, U20) du polynôme (C0),
- le calcul (245) du premier facteur de perte ai en fonction du rapport entre la deuxième variation (34) et la troisième variation (37).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le pilotage de la cellule pour maintenir le premier (PI), deuxième (P2) et les troisièmes (P3, P4) paliers de tension à vide est opéré dans un même cycle de recharge de la cellule (121) .
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polynôme (C0) correspond à la courbe de tension à vide pour un état neuf de la cellule (121) .
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins les étapes (22, 23, 24, 25) du procédé successives à l'étape de détermination (21) du polynôme (CO) sont exécutées lorsque la cellule (121) est installée dans un équipement hôte (11) et lorsque celui-ci fonctionne au moyen de l'énergie électrique fournie par la dite cellule (121).
8. Dispositif de pilotage (13) d'un stockeur électrique (12), le dit stockeur électrique comprenant une pluralité de cellules électriques (121), caractérisé en ce qu'il comprend : un moyen de calcul opérant le procédé d'identification du vieillissement de la courbe de tension à vide conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour chacune des dites cellules (121) du stockeur (12),
un moyen de détermination des indicateurs de fonctionnement du stockeur électrique (12), par exemple une courbe de tension à vide du stockeur et un état de charge, à partir des courbes de tension à vide de chacune des dites cellules (121) calculées par le dit procédé d'identification.
9. Véhicule automobile comprenant un stockeur électrique, une machine de traction électrique et un dispositif de pilotage du stockeur électrique, caractérisé en ce que le dispositif de pilotage est conforme à la revendication 8.
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