EP1820039A1 - Method for assessing the state of charge of an electric battery - Google Patents

Method for assessing the state of charge of an electric battery

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EP1820039A1
EP1820039A1 EP04805868A EP04805868A EP1820039A1 EP 1820039 A1 EP1820039 A1 EP 1820039A1 EP 04805868 A EP04805868 A EP 04805868A EP 04805868 A EP04805868 A EP 04805868A EP 1820039 A1 EP1820039 A1 EP 1820039A1
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EP
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charge
battery
state
soc
coulometric
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Application number
EP04805868A
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Inventor
Michel Mottier
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Volvo Truck Corp
Original Assignee
Renault Trucks SAS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3828—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC using current integration
    • G01R31/3832—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC using current integration without measurement of battery voltage

Abstract

The invention concerns a method for assessing the state of charge (SOC) of an electric battery. Typically, it consists in calculating (20) a coulometric state of charge (SOC<SUB>c</SUB>) obtained by temporal integration of the intensity (I) of the battery charge and discharge current. The method is characterized in that it consists in calculating (25), during the battery discharge phases, a theoretical state of charge (SOC<SUB>t</SUB>) determined based on the voltage (U) at the battery terminals, the intensity (I) of the discharge current, the temperature (?) of the battery and its nominal capacity (Q). This theoretical state of charge can be used to reset the coulometric state of charge (SOC<SUB>c</SUB>).

Description

PROCEDE D'EVALUATION DE L'ETAT DE CHARGE D'UNEMETHOD FOR EVALUATING THE CHARGE STATE OF A
BATTERIEELECTRIQUE.BATTERIEELECTRIQUE.
Domaine techniqueTechnical area
L'invention se rattache au domaine des batteries électriques du type plomb- acide, utilisées comme sources d'énergie électrique dans divers engins ou véhicules, en association avec une source d'énergie principale, constituée généralement par alternateur entraîné par un moteur thermique. Elle concerne plus particulièrement un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie. Par "état de charge" (ou « SOC » pour « state of charge »), on entend la charge électrique stockée dans la batterie. Cet état de charge peut être exprimé soit en Ampère.heure, soit encore en pourcentage par rapport à la capacité nominale de la batterie. Selon le cas, on parle également de l'état de décharge (ou SOD pour "State of Discharge"), qui correspond au complément de l'état de charge par rapport à la capacité nominale.The invention relates to the field of lead-acid type electric batteries, used as sources of electrical energy in various vehicles or vehicles, in association with a main source of energy, generally consisting of an alternator driven by a heat engine. It relates more particularly to a method of evaluating the state of charge of a battery. By "state of charge" (or "SOC" for "state of charge") is meant the electric charge stored in the battery. This state of charge can be expressed either in Ampère.heure, or even in percentage relative to the nominal capacity of the battery. Depending on the case, it also refers to the state of discharge (or SOD), which corresponds to the complement of the state of charge with respect to the nominal capacity.
Dans la suite de la description, l'invention sera décrite plus particulièrement dans son application aux véhicules automobiles, et plus précisément aux camions, mais il va de soi qu'elle peut être appliquée à d'autres engins, véhicules ou appareils.In the following description, the invention will be described more particularly in its application to motor vehicles, and more specifically to trucks, but it goes without saying that it can be applied to other vehicles, vehicles or appliances.
Techniques antérieuresPrevious techniques
De façon générale, on constate que de nombreuses immobilisations ou pannes d'un véhicule résultent d'une mauvaise charge de la batterie. En effet, sur les véhicules automobiles, le démarreur électrique utilisé pour les opérations de démarrage est très fortement consommateur de puissance électrique. Il est donc nécessaire que la batterie soit suffisamment chargée pour autoriser le démarrage ou redémarrage des véhicules. En pratique, on considère que l'état de charge d'une batterie doit être supérieure à 50 % pour assurer un redémarrage en toutes circonstances. On conçoit donc que la mesure de l'état de charge de la batterie est une opération très sensible, compte-tenu des conséquences en terme d'immobilisation des véhicules.In general, it is found that many fixed assets or breakdowns of a vehicle result from a bad charge of the battery. Indeed, on motor vehicles, the electric starter used for start-up operations is very strongly consumer of electric power. It is therefore necessary that the battery is sufficiently charged to allow the start or restart of the vehicles. In practice, it is considered that the state of charge of a battery must be greater than 50% to ensure a restart in all circumstances. It is therefore understandable that the measurement of the state of charge of the battery is a very sensitive operation, taking into account the consequences in terms of immobilization of the vehicles.
De nombreuses solutions ont déjà été proposées pour assurer une mesure de la charge de la batterie, selon des principes physiques différents. Parmi les systèmes existants, on peut citer les dispositifs simples qui convertissent la mesure de la tension aux bornes de la batterie en un taux d'état de charge, par l'intermédiaire d'un pont diviseur de tension, et un ensemble de diodes d'affichage. Ce dispositif n'est absolument pas fiable, et ne permet pas d'avoir une idée précise du niveau de charge de la batterie.Many solutions have already been proposed to ensure a measurement of the charge of the battery, according to different physical principles. Among the existing systems are simple devices that convert the measurement of the voltage across the battery into a state of charge, via a voltage divider bridge, and a set of diodes. display. This device is absolutely unreliable, and does not allow to have a precise idea of the level of charge of the battery.
D'autres solutions plus perfectionnées fonctionnent selon le principe de la mesure de la résistance interne de la batterie, comme décrit dans le document US- 4 888 716. En effet, on considère que la résistance interne d'une batterie plomb- acide ne dépend pas du courant, pour des courants relativement intenses supérieurs à deux fois la capacité nominale de la batterie, et ce tant que l'état de charge est supérieur à 50% environ. Ainsi, lorsque l'on détecte une variation de cette résistance interne pour des courants intenses, on en déduit que l'état de charge est inférieur à 50%.Other more advanced solutions operate according to the principle of measuring the internal resistance of the battery, as described in US-4,888,716. Indeed, it is considered that the internal resistance of a lead-acid battery does not depend on no current, for relatively intense currents greater than twice the nominal capacity of the battery, and as long as the state of charge is greater than 50% approximately. Thus, when a variation of this internal resistance is detected for intense currents, it can be deduced that the state of charge is less than 50%.
On connaît également d'autres solutions qui fonctionnement par mesure de la conductance de la batterie, par injection d'une composante de courant alternatif. Ce type de système est relativement efficace et fiable, mais présente l'inconvénient d'être d'un coût très élevé, puisqu'il nécessite un générateur de courant spécifique à cette fonction.Other solutions that operate by measuring the conductance of the battery by injecting an alternating current component are also known. This type of system is relatively efficient and reliable, but has the disadvantage of being very expensive, since it requires a current generator specific to this function.
Parmi les autres dispositifs existants, de nombreux fonctionnent sur le principe de la coulométrie. Ce principe consiste à mesurer la charge électrique entrant ou sortant de la batterie, par intégration temporelle du courant de charge et de décharge de la batterie. Ce principe est notamment décrit dans le document JP- 03-231175. Toutefois, cette méthode se heurte à deux inconvénients majeurs. En effet, la mesure de la charge électrique entrant ou sortant de la batterie est directement fonction du courant mesuré. Or, ce courant peut avoir une intensité très fortement variable, passant de quelques milliampères lorsque le véhicule est à l'arrêt, jusqu'à plusieurs centaines d'ampères lors des phases de démarrage.Among the other existing devices, many operate on the principle of coulometry. This principle consists in measuring the electric charge entering or leaving the battery, by temporal integration of the charging and discharging current of the battery. This principle is described in particular in document JP-03-231175. However, this method faces two major drawbacks. Indeed, the measurement of the electrical charge entering or leaving the battery is directly a function of the measured current. However, this current can have a highly variable intensity, from a few milliamperes when the vehicle is stopped, up to several hundred amps during startup phases.
Pour obtenir une précision nécessaire au bon calcul de la charge sur toute cette plage d'intensité, il serait nécessaire d'utiliser un capteur ou une sonde de courant extrêmement sophistiqué, ou bien encore d'utiliser plusieurs capteurs affectés chacun à une plage particulière. De telles solutions ne sont bien entendu pas satisfaisantes, car elles augmentent exagérément le prix de revient d'un tel dispositif.To obtain a precision necessary for the correct calculation of the load over this entire intensity range, it would be necessary to use an extremely sophisticated sensor or current sensor, or else to use several sensors each assigned to a particular range. Such solutions are of course not satisfactory, because they increase the cost of such a device excessively.
Un autre problème est à prendre en compte lors des mesures de l'état de charge par la méthode de coulométrie. En effet, on a constaté que le rendement de charge d'une batterie évolue dans le temps, et notamment diminue avec l'âge de la batterie. Par « rendement de charge », on entend la charge électrique supplémentaire qui est effectivement stockée pour un nombre d'Ampère.heure donné. Ces constatations ont amené à définir un paramètre de F "état de santé" (ou « SOH » pour « state of health ») de la batterie, permettant de caractériser un état de vieillissement de la batterie. Ce paramètre est généralement considéré comme étant le rapport de la capacité maximale à laquelle peut être chargée la batterie, divisée par sa capacité nominale.Another problem is to be taken into account when measuring the state of charge by the coulometry method. Indeed, it has been found that the charging efficiency of a battery changes over time, and in particular decreases with the age of the battery. By "charge efficiency" is meant the additional electrical charge that is actually stored for a given ampere.time. These findings led to the definition of a "state of health" F parameter (or "SOH") of the battery, which makes it possible to characterize a state of aging of the battery. This parameter is generally considered to be the ratio of the maximum capacity to which the battery can be charged, divided by its nominal capacity.
Par ailleurs, le rendement de charge d'une batterie, même neuve, varie avec l'état de charge, et notamment chute lorsque l'état de charge est maximum. En effet, lorsque la batterie est totalement chargée, un courant de charge provoque des phénomènes de dégazage, car la batterie fonctionne alors en hydrolyseur. Autrement dit, le niveau de charge de la batterie n'augmente alors plus, bien que la mesure coulométrique évolue en intégrant un courant non nul. Le document WO 89/01169 présente une méthode cherchant à compenser ce phénomène. -A- Autrement dit, la méthode de coulométrie présente des imperfections qui obligent à recaler les résultats obtenus avec l'état de charge évalué par une autre méthode.Moreover, the charging efficiency of a battery, even new, varies with the state of charge, and in particular falls when the state of charge is maximum. Indeed, when the battery is fully charged, a charging current causes degassing phenomena, because the battery then operates as hydrolyser. In other words, the charge level of the battery then no longer increases, although the coulometric measurement evolves by integrating a non-zero current. The document WO 89/01169 presents a method seeking to compensate for this phenomenon. In other words, the coulometry method has imperfections which make it necessary to recalibrate the results obtained with the state of charge evaluated by another method.
Ainsi, il est connu de recaler la mesure coulométrique par une mesure de tension à vide de la batterie. En effet, il est généralement admis que la tension à vide d'une batterie, c'est-à-dire sa force électromotriee, est une fonction linéaire de son état de charge. Toutefois, cette linéarité ne s'observe qu'après un certain temps de stabilisation, au cours duquel les phénomènes électrochimiques intervenant à l'intérieur des différents éléments de la batterie atteignent un état d'équilibre. Autrement dit, le réglage de la mesure coulométrique n'est possible par cette méthode qu'après un arrêt suffisant du véhicule, de l'ordre de la dizaine d'heures. Cette méthode ne permet donc pas d'obtenir des résultats pertinents pour des véhicules ayant des arrêts inférieurs à cette durée.Thus, it is known to reset the coulometric measurement by an empty voltage measurement of the battery. Indeed, it is generally accepted that the no-load voltage of a battery, that is to say its electromotive force, is a linear function of its state of charge. However, this linearity is observed only after a certain stabilization time, during which the electrochemical phenomena occurring inside the various elements of the battery reach a state of equilibrium. In other words, the setting of the coulometric measurement is possible by this method only after a sufficient stopping of the vehicle, of the order of ten hours. This method therefore does not make it possible to obtain relevant results for vehicles having stops shorter than this duration.
Il est également possible de recaler la mesure de l'état de charge coulométrique par une mesure de la résistance interne de la batterie, comme déjà évoqué ci-avant.It is also possible to reset the measurement of the coulometric charge state by measuring the internal resistance of the battery, as already mentioned above.
Exposé de l'inventionPresentation of the invention
L'objectif de l'invention est donc de proposer une méthode d'évaluation de l'état de charge, qui donne des résultats fiables en temps réel, et ce sur une large plage de valeurs d'état de charge.The object of the invention is therefore to propose a method of evaluating the state of charge, which gives reliable results in real time over a wide range of state of charge values.
L'invention concerne donc un procédé d'évaluation de l'état de charge d'une batterie électrique. De façon connue, on calcule un état de charge "coulométrique", obtenu par intégration temporelle de l'intensité du courant de charge et de décharge de la batterie.The invention therefore relates to a method for evaluating the state of charge of an electric battery. In a known manner, a "coulometric" charge state, obtained by temporally integrating the intensity of the charging and discharging current of the battery, is calculated.
Conformément à l'invention, ce procédé se caractérise en ce que l'on calcule, pendant les phases de décharge de la batterie, l'écart entre la valeur d'état de charge coulométrique, et une valeur prédéterminée d'un état de charge théorique, qui est calculé en fonction de la tension aux bornes de la batterie, de l'intensité du courant de décharge, de la température de la batterie, et de sa capacité nominale. Cet écart est alors utilisé pour modifier le calcul de l'état de charge coulométrique. En particulier, si cet écart dépasse un premier seuil prédéterminé, on peut modifier la valeur courante de l'état de charge coulométrique par la valeur correspondant à l'état de charge théorique.According to the invention, this method is characterized in that, during the discharge phases of the battery, the difference between the coulometric charge state value and a predetermined value of a charge state is calculated. theoretical, which is calculated based on the voltage across the battery, the discharge current, the battery temperature, and its rated capacity. This difference is then used to modify the calculation of the coulometric charge state. In particular, if this difference exceeds a first predetermined threshold, the current value of the coulometric charge state can be modified by the value corresponding to the theoretical state of charge.
Autrement dit, l'invention consiste à recaler le modèle coulométrique par un modèle théorique, dont la valeur ne dépend, pour un type de batterie donné, que de trois paramètres mesurés que sont la tension aux bornes de la batterie, l'intensité du courant de décharge et la température de la batterie. Ce modèle théorique est pertinent dans les situations de décharge de la batterie, c'est-à-dire en pratique sur un véhicule, lorsque la puissance consommée par les différents appareils alimentés par la batterie est supérieure à la puissance que peut fournir le dispositif de charge généralement constitué par un alternateur.In other words, the invention consists in recalibrating the coulometric model by a theoretical model, the value of which depends, for a given type of battery, only on three measured parameters, namely the voltage at the battery terminals, the intensity of the current discharge and the temperature of the battery. This theoretical model is relevant in situations of battery discharge, that is to say in practice on a vehicle, when the power consumed by the different devices powered by the battery is greater than the power that can provide the device. charge usually consisting of an alternator.
En effet, après de multiples essais, le Demandeur a identifié qu'il était possible, pour un courant de décharge et une température de batterie donnés, de déterminer l'état de charge à partir de la tension mesurée aux bornes de la batterie.Indeed, after multiple tests, the Applicant has identified that it is possible, for a given discharge current and a given battery temperature, to determine the state of charge from the voltage measured across the battery.
En pratique, si pour un nombre déterminé de comparaisons successives, l'écart entre l'état de charge coulométrique et l'état de charge théorique dépasse un second seuil prédéterminé, on peut alors générer une alerte signifiant que le rendement de charge de la batterie est insuffisant, et qu'il est conseillé de procéder au remplacement de la batterie.In practice, if for a given number of successive comparisons, the difference between the coulometric charge state and the theoretical charge state exceeds a second predetermined threshold, then an alert can be generated which means that the charge efficiency of the battery is insufficient, and it is advisable to replace the battery.
En pratique, ce second seuil peut être fixé à une valeur supérieure à valeur de l'état de charge théorique. Autrement dit, lorsque l'état de charge mesuré par coulométrie est supérieur au double de l'état de charge défini par le modèle théorique de l'invention, on en déduit que le rendement de charge est dégradé, et correspond à des batteries dont l'état de santé est insuffisant. Bien entendu, le choix de la valeur de ce second seuil peut être adapté en fonction du niveau d'état de santé minimum jugé acceptable.In practice, this second threshold can be set to a value greater than the value of the theoretical state of charge. In other words, when the state of charge measured by coulometry is greater than twice the state of charge defined by the theoretical model of the invention, it is deduced that the charge efficiency is degraded, and corresponds to batteries whose state of health is insufficient. Of course, the The choice of the value of this second threshold can be adapted according to the minimum level of health considered acceptable.
Avantageusement, en pratique, il est également possible de mesurer un état de charge à vide, déterminé à partir de la mesure de la tension à vide aux bornes de la batterie, après une durée d'arrêt prédéterminée. Ainsi, on calcule, pendant les phases où le courant de décharge de la batterie est resté inférieur à une intensité prédéterminée (typiquement inférieure à quelques Ampère), pendant un temps prédéterminé (de l'ordre de plusieurs heures), l'écart entre la valeur d'état de charge coulométrique (SOCC) et un état de charge à vide, déterminé à partir de la mesure de la tension à vide aux bornes de la batterie. Si cet écart dépasse un seuil prédéterminé, on modifie la valeur courante de l'état de charge coulométrique (SOCC). Ce seuil peut être identique ou différent du seuil choisi pour le recalage décrit ci-dessus. Autrement dit, on utilise alors un second moyen de recalage du modèle coulométrique, utilisable lorsque la consommation de la batterie a été infime pendant une durée suffisante.Advantageously, in practice, it is also possible to measure a state of no-load, determined from the measurement of the no-load voltage across the battery, after a predetermined stopping time. Thus, during the phases in which the discharge current of the battery has remained below a predetermined intensity (typically less than a few amperes), it is calculated for a predetermined time (of the order of several hours), the difference between the coulometric charge state value (SOC C ) and a state of no-load, determined from the measurement of the no-load voltage across the battery. If this difference exceeds a predetermined threshold, the current value of the coulometric charge state (SOC C ) is modified. This threshold may be identical to or different from the threshold chosen for the registration described above. In other words, a second coulometric pattern registration means is then used, which can be used when the consumption of the battery has been minimal for a sufficient length of time.
Description sommaire des figuresBrief description of the figures
La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles :The manner of carrying out the invention, as well as the advantages which result therefrom, will emerge from the description of the embodiment which follows, in support of the appended figures in which:
• la figure 1 est un schéma simplifié illustrant les différents éléments intervenant dans le procédé conforme à l'invention ;FIG. 1 is a simplified diagram illustrating the various elements involved in the process according to the invention;
• la figure 2 est un organigramme illustrant les différentes étapes du procédé conforme à l'invention ;FIG. 2 is a flowchart illustrating the various steps of the method according to the invention;
• les figures 3, 4 et 5 sont des faisceaux de courbes illustrant à trois températures différentes, la variation de l'état de charge d'une même batterie en fonction de la tension mesurée à ses bornes, pour différentes valeurs de courant de décharge. Manière de réaliser l'invention• Figures 3, 4 and 5 are curve beams illustrating at three different temperatures, the variation of the state of charge of the same battery as a function of the voltage measured at its terminals, for different values of discharge current. Way of realizing the invention
Comme illustré à la figure 1, une batterie électrique (1) est destinée à alimenter une pluralité de charges (2,3) consommatrices d'énergie électrique selon des puissances variables et/ou diverses. La borne (5) de la batterie (1) est reliée au circuit électrique (6) sur lequel est également connecté l'alternateur (7) destiné à charger la batterie (1) lorsqu'il est entraîné par une source d'énergie mécanique, et notamment par le moteur thermique du véhicule.As illustrated in Figure 1, an electric battery (1) is intended to supply a plurality of loads (2,3) consuming electrical energy in variable and / or various powers. The terminal (5) of the battery (1) is connected to the electrical circuit (6) on which is also connected the alternator (7) for charging the battery (1) when it is driven by a source of mechanical energy , and in particular by the engine of the vehicle.
De façon connue, l'état de charge de la batterie (1) est mesuré par l'intermédiaire d'un calculateur (8) interface avec un capteur de courant (10), un dispositif de mesure de tension (11) et un capteur de température (12).In known manner, the state of charge of the battery (1) is measured by means of a computer (8) interface with a current sensor (10), a voltage measuring device (11) and a sensor temperature (12).
Plus précisément, le capteur de courant (10) est une sonde utilisée pour la mesure du courant de charge et de décharge de batteries. Cette sonde (10) est apte à délivrer un signal signé, permettant d'identifier si le courant I est un courant de charge ou de décharge. La sonde de courant est disposée sur le circuit électrique (6) en amont de tout consommateur d'énergie électrique, à l'exception du capteur de tension (11). Plus précisément, le capteur de tension (11) est monté sur le circuit électrique (6) le plus près possible de la borne (5) de la batterie, afin de donner une image la plus précise de la tension aux bornes de la batterie (1). Dans le cas où le capteur de tension (11) n'est pas relié directement à la borne (5) de la batterie (1), il est possible de tenir compte du courant mesuré et de la résistance de la fraction du circuit électrique (6) séparant la borne (5) de la batterie du point de connexion (13) du capteur de tension (11), pour corriger la valeur de la tension mesurée, et obtenir une estimation de la tension aux bornes de la batterie.More specifically, the current sensor (10) is a probe used for measuring the charge and discharge current of batteries. This probe (10) is capable of delivering a signed signal, making it possible to identify whether the current I is a charging or discharging current. The current sensor is arranged on the electrical circuit (6) upstream of any consumer of electrical energy, with the exception of the voltage sensor (11). More precisely, the voltage sensor (11) is mounted on the electric circuit (6) as close as possible to the terminal (5) of the battery, in order to give a most accurate image of the voltage at the terminals of the battery ( 1). In the case where the voltage sensor (11) is not connected directly to the terminal (5) of the battery (1), it is possible to take into account the measured current and the resistance of the fraction of the electric circuit ( 6) separating the terminal (5) of the battery from the connection point (13) of the voltage sensor (11), to correct the value of the measured voltage, and obtain an estimate of the voltage across the battery.
Le calculateur (8) est également interface avec un capteur de température (12), destiné à donner une image de la température de la batterie (1). Dans la mesure où il n'est pas possible d'installer le capteur de température directement à l'intérieur de la batterie (1), ce capteur (12) est disposé à proximité immédiate de cette dernière, ou tout au moins dans une zone dans laquelle il règne une température assimilable à la température de la batterie (1). TeI qu'illustré à la figure 2, le procédé conforme à l'invention consiste à calculer (20) l'état de charge de batteries par une intégration temporelle du courant (I) mesuré par le capteur de courant (10), à partir d'une valeur initiale (SOC0). Cet état de charge coulométrique (SOQ) croît lorsque la batterie se charge, et décroît lorsqu'elle se décharge. Tant que la batterie est en phase de charge, le calcul continue (30) à se faire par l'application du modèle coulométrique.The computer (8) is also interfaced with a temperature sensor (12), intended to give an image of the temperature of the battery (1). Since it is not possible to install the temperature sensor directly inside the battery (1), this sensor (12) is arranged in close proximity to the latter, or at least in a zone in which there is a temperature comparable to the temperature of the battery (1). TeI illustrated in Figure 2, the method according to the invention is to calculate (20) the state of charge of batteries by temporal integration of the current (I) measured by the current sensor (10), from an initial value (SOC 0 ). This state of coulometric charge (SOQ) increases as the battery charges, and decreases when it discharges. As long as the battery is charging, the computation continues (30) to be done by applying the coulometric model.
Selon une caractéristique de l'invention, il est possible de recaler le modèle coulométrique, lorsque la batterie est en situation de décharge. Ces situations interviennent essentiellement lorsque le véhicule est à l'arrêt, et que l'alternateur n'est pas entraîné, ou bien encore lorsque la puissance électrique consommée par les différents appareils connectés sur le circuit électrique (6) est supérieure à celle que peut délivrer l'alternateur (7). Dans le cas où le courant mesuré est négatif, correspondant à une décharge de la batterie (21), on procède conformément à l'invention à la détermination (22) d'un état de charge théorique (SOQ). Cette détermination (22) prend en compte un ensemble de paramètres (23) donnant la variation de l'état de charge (SOC) en fonction de la tension U, pour différentes températures et courants donnés. La manière de déterminer ces différents paramétrages (23) est décrite en détail ci-après.According to a characteristic of the invention, it is possible to reset the coulometric model, when the battery is in a discharge situation. These situations essentially occur when the vehicle is stopped, and the alternator is not driven, or even when the electrical power consumed by the various devices connected to the electrical circuit (6) is greater than that which can deliver the alternator (7). In the case where the measured current is negative, corresponding to a discharge of the battery (21), according to the invention, the determination (22) of a theoretical state of charge (SOQ) is carried out. This determination (22) takes into account a set of parameters (23) giving the variation of the state of charge (SOC) as a function of the voltage U, for different given temperatures and currents. The manner of determining these various settings (23) is described in detail below.
Il est à noter que le calcul de l'état de charge peut se faire soit à partir des paramétrages précités (23), soit encore à partir de la loi (24) donnant la valeur de l'état de charge en fonction de la tension à vide aux bornes de la batterie. Toutefois, cette dernière loi (24) ne peut être utilisée de manière pertinente que lorsque le courant de décharge est resté (31) à une valeur très faible (ε), typiquement inférieure à quelques ampères, pendant une durée (t) importante, typiquement supérieure à plusieurs (n) heures (32).It should be noted that the calculation of the state of charge can be done either from the aforementioned settings (23), or again from the law (24) giving the value of the state of charge as a function of the voltage empty at the battery terminals. However, this last law (24) can only be used in a relevant way when the discharge current has remained (31) at a very low value (ε), typically less than a few amperes, for a long time (t), typically greater than several (n) hours (32).
L'écart (Δ) entre l'état de charge (SOQ) mesuré par coulométrie, et l'état de charge théorique (SOQ), est alors évalué (25), et comparé (35) à un premier seuil prédéterminé (Si). Si cet écart dépasse ce seuil, la valeur courante de l'état de charge coulométrique (SOC0) est alors modifiée (26) pour adopter la valeur de l'état de charge théorique (SOCt). Par la suite, le calcul par intégration temporelle du courant I est alors continué, après ce réajustement (34).The difference (Δ) between the state of charge (SOQ) measured by coulometry, and the theoretical state of charge (SOQ), is then evaluated (25), and compared (35) with a first predetermined threshold (Si). . If this difference exceeds this threshold, the current value of the state of coulometric load (SOC 0 ) is then modified (26) to adopt the value of the theoretical state of charge (SOC t ). Subsequently, the temporal integration calculation of the current I is then continued, after this readjustment (34).
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est également possible d'entreprendre une action particulière dans le cas où l'écart (Δ) mesuré entre la valeur obtenue par coulométrie (SOCC) et la valeur théorique (SOCt) sont trop fortement divergentes (27). Dans ce cas, si cet écart dépasse un second seuil prédéterminé (S2), alors un compteur peut être incrémenté (28), et générer une alerte (29) lorsque ce compteur dépasse un nombre prédéterminé.According to another characteristic of the invention, it is also possible to take a particular action in the case where the difference (Δ) measured between the value obtained by coulometry (SOC C ) and the theoretical value (SOC t ) are too much strongly divergent (27). In this case, if this difference exceeds a second predetermined threshold (S 2 ), then a counter can be incremented (28), and generate an alert (29) when the counter exceeds a predetermined number.
En pratique, le second seuil (S2) peut être fixé à une valeur relativement importante, typiquement de l'ordre de la moitié de l'état de charge théorique (SOCt). Dans le cas où cet écart est fréquemment dépassé, typiquement après 4 ou 5 recalages successifs, on peut raisonnablement en déduire que la batterie (1) est dégradée à un point tel que sa charge est difficile, et qu'il convient donc de la remplacer. La comptabilisation (28) permet toutefois d'éviter de déclencher des alertes intempestives, dans le cas où la valeur mesurée par coulométrie s'écarte ponctuellement trop fortement de la valeur théorique, par exemple dans les cas qui suivent une charge prolongée et très importante. En effet, on a vu dans ce cas que le rendement de charge avait tendance à chuter, et que le modèle coulométrique s'écartait de la réalité. Par conséquent, dans le cas d'une charge prolongée, le modèle coulométrique continue à intégrer le courant entrant, ce qui laisse à penser que l'état de charge continue à croître, et peut atteindre une valeur proche de 100%. Ceci n'est pas critique dans le cas des batteries neuves, car après une charge prolongée, l'état de charge s'approche de la valeur nominale. Mais pour les batteries usagées, la valeur de l'état de charge réel peut rester bloquée à un niveau inférieur, qui peut n'être pas très éloigné du niveau en dessous duquel on n'est pas certain d'assurer un redémarrage du véhicule. Il est donc important de pouvoir identifier ces situations. Toutefois, l'apparition ponctuelle d'un écart peut ne pas être un signe alarmant, car même avec une batterie neuve, une charge prolongée se traduit par des phénomènes d'hydrolyse, qui font dévier le modèle coulométrique de la réalité. D. convient au contraire de générer une alerte uniquement lorsque cette situation perdure. L'invention permet donc de recaler le modèle coulométrique, sans générer d'alertes intempestives.In practice, the second threshold (S 2 ) can be set to a relatively large value, typically of the order of one half of the theoretical state of charge (SOC t ). In the case where this difference is frequently exceeded, typically after 4 or 5 successive readjustments, it is reasonable to deduce that the battery (1) is degraded to such a point that its charge is difficult, and that it should therefore be replaced . Accounting (28), however, makes it possible to avoid triggering nuisance alerts, in the case where the value measured by coulometry occasionally deviates too much from the theoretical value, for example in cases following a prolonged and very significant load. Indeed, we saw in this case that the charge efficiency tended to fall, and that the coulometric model deviated from reality. Consequently, in the case of prolonged charge, the coulometric model continues to integrate the incoming current, which suggests that the state of charge continues to grow, and can reach a value close to 100%. This is not critical in the case of new batteries, because after a prolonged charge, the state of charge approaches the nominal value. But for used batteries, the value of the actual state of charge may remain stuck at a lower level, which may not be very far from the level below which it is not certain to ensure a restart of the vehicle. It is therefore important to be able to identify these situations. However, the occasional appearance of a gap may not be an alarming sign, because even with a new battery, a prolonged charge results in hydrolysis phenomena, which deflect the coulometric model of reality. On the contrary, it is appropriate to generate an alert only when this situation persists. The invention therefore allows to recalculate the coulometric model, without generating nuisance alerts.
Selon une caractéristique importante de l'invention, l'état de charge théorique (SOCt) est déterminé en phase de décharge par un paramétrage donnant l'état de charge d'une batterie de capacité nominale (Q), pour une tension (U) mesurée à ses bornes, un courant de charge (I) et une température (θ).According to an important characteristic of the invention, the theoretical state of charge (SOC t ) is determined in the discharge phase by a parameterization giving the state of charge of a battery of nominal capacity (Q), for a voltage (U ) measured at its terminals, a charging current (I) and a temperature (θ).
Des exemples de ce paramétrage sont illustrés aux figures 3, 4 et 5, pour une batterie de capacité nominale de 170 A.h. Le tableau ci après donne la référence numérique de la courbe sur les figures 3 à 5 en fonction de la température et du courant de décharge.Examples of this parameterization are illustrated in FIGS. 3, 4 and 5, for a battery with a nominal capacity of 170 A.h. The table below gives the numerical reference of the curve in FIGS. 3 to 5 as a function of the temperature and the discharge current.
L'ensemble de ces courbes résulte de la compilation d'une pluralité d'essais réalisés sur un ensemble significatif de batteries selon le mode opératoire suivant, en accord avec la norme EN 60-095. Ainsi, tout d'abord, à une température ambiante de 250C, la batterie est amenée à un état de charge donné compris entre 30 et 100 %. Cet état de charge est obtenu conformément à la norme EN 60-095 par une phase de décharge à courant constant, d'intensité Q/20, jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne 10,5 Volts. La batterie est ensuite rechargée jusqu'à un état de charge de 100 %, à courant ou tension constant, selon les préconisations de la norme EN 60-095. Ensuite, la batterie est déchargée à courant constant, d'intensité Q/20, jusqu'à l'état de charge souhaité, compris entre 30% et 100%.All these curves result from the compilation of a plurality of tests carried out on a significant set of batteries according to the following procedure, in accordance with the standard EN 60-095. Thus, firstly, at an ambient temperature of 25 ° C., the battery is brought to a given state of charge of between 30 and 100%. This state of charge is obtained in accordance with EN 60-095 by a constant current discharge phase of Q / 20 intensity until the voltage at its terminals reaches 10.5 volts. The battery is then recharged to a state of charge of 100%, current or constant voltage, according to the recommendations of EN 60-095. Then, the battery is discharged at constant current, Q / 20 intensity, to the desired state of charge, between 30% and 100%.
Dans une deuxième phase, la batterie est amenée à température voulue, pendant une durée suffisante pour que la température de la masse de plomb qui la compose soit stabilisée. Cette mise en température peut durer plusieurs heures.In a second phase, the battery is brought to the desired temperature, for a time sufficient for the temperature of the mass of lead that composes it is stabilized. This heating can last several hours.
Dans une troisième phase, on mesure la tension aux bornes de la batterie, sous différents courants de décharge, compris entre 2 et 200 ampères (voir les courbes illustrées aux figures 3 à 5). Ce courant de décharge est appliqué pendant dix secondes, après lesquelles on mesure la tension aux bornes de la batterie.In a third phase, the voltage at the terminals of the battery, under different discharge currents, is measured between 2 and 200 amps (see the curves illustrated in FIGS. 3 to 5). This discharge current is applied for ten seconds, after which the voltage across the battery is measured.
L'ensemble de ces différents essais permet donc de tracer les faisceaux de courbes (31-38,41-48,51-58) illustrées aux figures 3 à 5. Ces courbes donnent en abscisse l'état de charge mesuré en A.h, pour une plage allant de 50 à 170 A.h, correspondant à la plage d'état de charge de 30 à 100% mentionnée ci-avant. Ainsi, à partir de la température mesurée, on choisit le faisceau de courbes à utiliser, par exemple le faisceau de la figure 4 si la température est de 250C. Pour un courant donné, on détermine la courbe la plus pertinente parmi les courbes du faisceau, par exemple la courbe référencée (47) si le courant mesuré est de 100A. Cette courbe permet donc de déduire qu'une mesure de tension de 11,5 Volts correspond à un état de charge (SOC) de 115 A.h. en suivant les flèches en traits pointillés.All of these different tests thus make it possible to trace the bundles of curves (31-38,41-48,51-58) illustrated in FIGS. 3 to 5. These curves give in abscissa the state of charge measured in Ah, for a range from 50 to 170 Ah, corresponding to the 30 to 100% state of charge range mentioned above. Thus, from the measured temperature, the beam of curves to be used is chosen, for example the beam of FIG. 4 if the temperature is 25 ° C. For a given current, the most relevant curve of the curves is determined. beam, for example the referenced curve (47) if the measured current is 100A. This curve therefore makes it possible to deduce that a voltage measurement of 11.5 volts corresponds to a state of charge (SOC) of 115 Ah following the arrows in dashed lines.
On notera que ces courbes confirment que l'influence de la température sur l'état de charge d'une batterie plomb-acide. En effet, on constate que pour un même courant de décharge, à un état de charge donné, la tension aux bornes de la batterie s'élève avec la température.It will be noted that these curves confirm that the influence of temperature on the state of charge of a lead-acid battery. Indeed, it is found that for the same discharge current, at a given state of charge, the voltage across the battery rises with temperature.
Bien entendu, ce paramétrage peut être programmé à l'intérieur du calculateur (8) de différentes manières. Il est ainsi possible pour une batterie de capacité nominale Q, d'enregistrer dans une table de référence les valeurs de l'état de charge, correspondant à une température, un courant de décharge et une tension aux bornes de la batterie donnés.Of course, this setting can be programmed inside the computer (8) in different ways. It is thus possible for a battery of nominal capacity Q, to record in a reference table the values of the state charge, corresponding to a temperature, a discharge current and a voltage across the given battery.
Dans le cas pratique où plusieurs batteries identiques sont mises en séries, le courant mesuré est le même pour chaque batterie. On peut faire l'hypothèse simplificatrice que la tension est également répartie entre chaque batterie, et que toutes les batteries sont donc dans le même état de charge. De la sorte, le modèle théorique décrit ci-avant s'applique en utilisant pour la capacité nominale commune de l'une des batterie, et la tension globale divisée par le nombre de batterie. Toutefois, il est également possible d'appliquer le procédé de l'invention à chaque batterie individuellement, pour évaluer l'état de charge de chaque batterie. Dans ce cas, on effectue la mesure de tension aux bornes de chaque batterie, par exemple à partir de la tension globale et des tensions mesurées aux points milieux entre batteries. Le procédé conforme à l'invention permet de générer une alerte dès lors qu'une des batteries apparaît comme dégradée.In the practical case where several identical batteries are put in series, the current measured is the same for each battery. We can make the simplifying assumption that the voltage is equally distributed between each battery, and that all the batteries are therefore in the same state of charge. In this way, the theoretical model described above applies using for the common nominal capacity of one of the batteries, and the overall voltage divided by the number of batteries. However, it is also possible to apply the method of the invention to each battery individually, to evaluate the state of charge of each battery. In this case, the voltage measurement is carried out at the terminals of each battery, for example from the global voltage and from the voltages measured at the midpoints between the batteries. The method according to the invention can generate an alert when one of the batteries appears as degraded.
Il ressort de ce qui précède que le procédé conforme à l'invention présente l'avantage de permettre un recalage fréquent du calcul de l'état de charge effectué par coulométrie, de sorte que l'état de charge estimé est plus fiable que ceux élaborés avec les solutions existantes. Des risques de disfonctionnement, par exemple le risque de ne pas pouvoir assurer le démarrage d'un véhicule, sont donc réduits.It follows from the foregoing that the method according to the invention has the advantage of allowing frequent recalibration of the calculation of the state of charge carried out by coulometry, so that the estimated state of charge is more reliable than those elaborated with existing solutions. Risks of malfunction, for example the risk of not being able to ensure the starting of a vehicle, are reduced.
Comme déjà évoqué, l'invention trouve une application directe dans la mesure de la charge de la batterie d'un véhicule automobile, du type camion, voiture, mais également de navires, et de manière générale, dans tous systèmes utilisant une batterie électrique alimentant différents consommateurs électriques, et rechargés par un mécanisme du type alternateur transformant une énergie mécanique en énergie électrique. As already mentioned, the invention finds a direct application in the measurement of the charge of the battery of a motor vehicle, of the truck type, car, but also of ships, and in general, in all systems using an electric battery supplying different electrical consumers, and recharged by a mechanism of the alternator type transforming mechanical energy into electrical energy.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Procédé d'évaluation de l'état de charge (SOC) d'une batterie électrique, dans lequel on calcule (20) un état de charge coulométrique (SOCC) obtenu par intégration temporelle de l'intensité (I) du courant de charge et de décharge de la batterie, caractérisé en ce que l'on calcule (25), pendant les phases de décharge de la batterie, l'écart (Δ) entre la valeur d'état de charge coulométrique (SOCC) et une valeur prédéterminée d'un état de charge théorique (SOCt), déterminé en fonction de la tension (U) aux bornes de la batterie, de l'intensité (I) du courant de décharge, de la température (θ) de la batterie et de sa capacité nominale (Q), et en ce que ledit écart (Δ) est utilisé pour modifier le calcul de l'état de charge coulométrique (SOCC).1 / Method for evaluating the state of charge (SOC) of an electric battery, in which (20) a coulometric charge state (SOC C ) obtained by temporally integrating the intensity (I) of the current is calculated (20) for charging and discharging the battery, characterized in that (25), during the discharge phases of the battery, the difference (Δ) between the coulometric charge state value (SOC C ) and a predetermined value of a theoretical state of charge (SOC t ), determined as a function of the voltage (U) across the battery, the intensity (I) of the discharge current, the temperature (θ) of the battery and its nominal capacity (Q), and in that said difference (Δ) is used to modify the calculation of the coulometric charge state (SOC C ).
2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que si ledit écart (Δ) dépasse un premier seuil prédéterminé (Si), on modifie la valeur courante de l'état de charge coulométrique (SOC0) en la valeur de l'état de charge théorique (SOCt).2 / A method according to claim 1, characterized in that if said deviation (Δ) exceeds a first predetermined threshold (Si), the current value of the coulometric charge state (SOC 0 ) is modified to the value of the state theoretical load (SOC t ).
3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que si pour un nombre prédéterminé de comparaisons consécutives (28), l'écart (Δ) dépasse un second seuil prédéterminé (S2), on génère une alerte (29) signifiant que le rendement de charge est insuffisant.3 / A method according to claim 1, characterized in that if for a predetermined number of consecutive comparisons (28), the difference (Δ) exceeds a second predetermined threshold (S 2 ), an alert (29) is generated, meaning that the charge efficiency is insufficient.
4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second seuil (S2) est supérieur à la valeur de l'état de charge théorique (SOCt).4 / A method according to claim 1, characterized in that the second threshold (S 2 ) is greater than the value of the theoretical state of charge (SOC t ).
5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on calcule, pendant les phases où le courant de décharge de la batterie est resté inférieur à une intensité prédéterminée pendant un temps prédéterminé, l'écart entre la valeur d'état de charge coulométrique (SOCC) et un état de charge à vide, déterminé à partir de la mesure de la tension à vide aux bornes de la batterie, et en ce que si ledit écart dépasse un seuil prédéterminé (S1), on modifie la valeur de l'état de charge coulométrique (SOCC). 5 / A method according to claim 1, characterized in that, during the phases in which the discharge current of the battery has remained below a predetermined intensity for a predetermined time, the difference between the value of the state of coulometric load (SOC C ) and a state of no-load, determined from the measurement of the no-load voltage at the terminals of the battery, and in that if said difference exceeds a predetermined threshold (S 1 ), the value of the coulometric charge state (SOC C ).
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