L'invention concerne un procédé de calibration d'un accumulateur électrochimique, ainsi qu'un procédé d'estimation de l'énergie disponible au sein d'un tel accumulateur. Elle concerne aussi tout dispositif ou système intégrant un accumulateur électrochimique dont la gestion est basée sur le procédé de calibration précédent.

Pour maîtriser le fonctionnement de tout appareil ou système intégrant au moins un accumulateur électrochimique, il est essentiel de connaître et maîtriser les performances d'un tel accumulateur, pour notamment gérer ses phases de charge et décharge et au final optimiser le fonctionnement de l'appareil ou du système. Il est en effet avantageux de connaître à tout instant l'état de l'accumulateur et de pouvoir prévoir si sa réserve énergétique est suffisante pour fournir une énergie demandée. Cela exige donc la connaissance de l'énergie disponible de manière dynamique.

Une approche traditionnelle de l'état de la technique consiste d'une part à étudier le courant que peut fournir l'accumulateur, et d'autre part à estimer de manière découplée sa tension de sortie, pour en déduire sa puissance par le produit du courant et de la tension.

Dans cette approche traditionnelle, la loi de Peukert est appliquée, permettant de déterminer la capacité C_{td_mes} en Ampère-heure de l'accumulateur, qui correspond à la quantité de charge susceptible d'être fournie pendant un temps t_{d_mes} jusqu'à sa complète décharge, en fonction du courant constant de décharge imposé I_{d_imp}, de la durée de décharge t_{d_mes} mesurée, en fonction d'une constante K et du coefficient de Peukert n, selon la relation suivante : $${\mathrm{C}}_{\mathrm{td\_mes}}={\mathrm{t}}_{\mathrm{d\_mes}}\mathrm{X}{\mathrm{I}}_{\mathrm{d\_imp}}=\mathrm{K}/{\left({\mathrm{l}}_{\mathrm{d\_imp}}\right)}^{\mathrm{n}-\mathrm{1}}$$

Ensuite, cette approche-traditionnelle est complétée par l'estimation de l'état de charge de l'accumulateur, appelé par sa dénomination anglo-saxonne « State Of Charge », et couramment plus simplement SOC. Ce paramètre de SOC représente la capacité disponible de l'accumulateur sur une échelle de 0 à 100%. La valeur de SOC est établie et connue pour différents régimes de décharge imposés, tout au long de la vie de l'accumulateur. Pour cela, des algorithmes itératifs sont basés sur la loi de Peukert, adaptée pour tenir compte de différents facteurs comme le vieillissement de l'accumulateur et la température. Cette approche est en pratique très difficile et imprécise car de nombreux facteurs influencent le SOC. De plus, le coefficient de Peukert n nécessite aussi une grande précision, de l'ordre de 10^-3, pour approcher des résultats satisfaisants, ce qui exige des expérimentations complexes et très précises.

En parallèle, il est nécessaire de prédire les variations de la tension dans le temps aux bornes de l'accumulateur. Cette estimation est réalisée par calcul à l'aide d'un modèle.

Enfin, le produit du courant de décharge par la tension permet d'atteindre la puissance de décharge de l'accumulateur, dont l'intégration dans le temps permet d'en déduire l'énergie disponible.

La figure 1 représente une telle approche conventionnelle, dans laquelle un accumulateur 1 est d'une part étudié par une première approche A1 comprenant l'étude de son courant de sortie, la détermination de la loi de Peukert et l'état de charge SOC, puis par une seconde approche A2 permettant de déterminer sa caractérisation électrique pour modéliser sa tension. Enfin, il est possible de calculer dans un dernier bloc 2 son énergie disponible pour différentes puissances de décharge.

Comme cela a été explicité précédemment, l'approche de l'état de la technique est très complexe à mettre en oeuvre et donc insatisfaisante. Elle entraîne une mauvaise maîtrise des systèmes intégrant un ou plusieurs accumulateur(s) électrochimique(s).

Les documents US5,650,712A, US6,300,763B1 et WO02/42786A2 divulguent d'autres approches de l'estimation de l'état de charge et de l'état d'énergie connues dans l'état de la technique.

Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une autre solution pour déterminer l'énergie disponible d'un accumulateur électrochimique.

A cet effet, l'invention repose sur un procédé de calibration d'un accumulateur électrochimique selon la revendication indépendante 1. Des exemples de réalisation avantageux sont définis dans les revendications dépendantes.

L'invention comprend une phase de modélisation de l'énergie disponible E_d dans l'accumulateur électrochimique représentant l'énergie qui serait obtenue lors d'une décharge complète de l'accumulateur à partir d'une puissance de décharge donnée et d'un état initial d'énergie donné. Le procédé de calibration comprend aussi une première phase de mesures d'au moins une valeur d'énergie disponible E_d, comprenant une première étape de détermination d'au moins une valeur de puissance de décharge P_d et une seconde étape de détermination d'au moins une valeur d'état d'énergie initial SOE₀ pour laquelle des mesures de calibration de l'énergie disponible sont à effectuer.

Le procédé de calibration comprend aussi une étape de mesure de la valeur d'énergie disponible dans l'accumulateur électrochimique comprenant la mise en oeuvre des sous-étapes suivantes :

• chargement à charge pleine de l'accumulateur ;
• décharge de l'accumulateur à puissance constante, égale à la puissance nominale P_N de l'accumulateur prédéterminée, jusqu'à une énergie déchargée définie par la valeur (1-SOE₀) E_N où E_N correspond à l'énergie nominale de l'accumulateur ;
• décharge totale de l'accumulateur à puissance constante égale à une puissance de décharge choisie P_d de l'accumulateur ;
• mesure de l'énergie totale déchargée E_d lors de l'étape précédente, soit directement, soit à partir du temps de décharge.

La première phase de mesures d'au moins une valeur d'énergie disponible E_d comprend une première étape de détermination d'un nombre n_p de valeurs de puissance de décharge P_di supérieur à un et une seconde étape de détermination d'un nombre n_soe de valeurs d'états d'énergie initial SOE_0j supérieur à un.

Le nombre n_p de valeurs de puissance de décharge P_di peut être compris entre 5 et 15 et le nombre n_soe de valeurs d'état d'énergie initial SOE_0j peut être compris entre 4 et 12.

Les différentes valeurs de puissance de décharge P_di déterminées peuvent être comprises dans une plage de puissance d'utilisation de l'accumulateur électrochimique, incluant une puissance nominale P_N prédéterminée, et ces différentes valeurs de puissance peuvent être réparties uniformément ou réparties non uniformément, en plus grand nombre vers les fortes et/ou les faibles valeurs.

Le procédé de calibration d'un accumulateur électrochimique comprend une étape de mesures de valeurs d'énergie disponible dans l'accumulateur électrochimique comprenant la mise en oeuvre des sous-étapes suivantes, répétées successivement pour chacune des n_soe valeurs d'état d'énergie initial SOE_0j choisies :

• chargement à charge pleine de l'accumulateur ;
• décharge de l'accumulateur à puissance constante, égale à la puissance nominale P_N de l'accumulateur prédéterminée, jusqu'à une énergie déchargée définie par la valeur (1-SOE_0j).E_N où EN correspond à l'énergie nominale de l'accumulateur;
• décharge totale de l'accumulateur à puissance constante égale à une puissance de décharge choisie P_di de l'accumulateur ;
• mesure de l'énergie totale déchargée E_dij lors de l'étape précédente, soit directement, soit à partir du temps de décharge ;

et les sous-étapes précédentes peuvent être réitérées jusqu'à atteindre la mesure pour toutes les n_p valeurs de puissance de décharge P_di prédéfinies, avant la réitération pour une nouvelle valeur d'état d'énergie initial SOE_0j+1.

Le procédé de calibration peut comprendre une période de relaxation d'au moins dix minutes entre les deux premières sous-étapes puis après la dernière sous-étape.

Le procédé de calibration peut comprendre une quatrième étape de détermination de valeurs d'énergie disponible supplémentaires associées à des valeurs supplémentaires de couples de puissance de décharge et d'état d'énergie initial (Pd ; SOE₀) de l'accumulateur déduites des valeurs mesurées par extrapolation/intrapolation, lors de la phase de modélisation (P2) de l'énergie disponible.

Le procédé de calibration peut comprendre un calcul d'une énergie disponible E_d à une puissance de décharge donnée P_d pour un état d'énergie initial SOE₀ de l'accumulateur par l'intermédiaire d'une régression de type exponentiel ou puissance, selon la formule :

E_{d SOEoj} = a_j + b_j . exp(-T_j P_d) où a_j, b_j, T_j sont des paramètres de régression exponentielle,

Ou selon la formule

E_{d SOEoj} = K_j/ P_d^(nj-1) où K_j et n_j (n_j >1) sont des paramètres de régression de type puissance.

Le procédé peut comprendre un calcul d'une énergie disponible E_d à l'état d'énergie initial SOE₀ par une régression linéaire, ou linéaire par morceaux, à partir des paramètres de type exponentiel ou puissance de la régression précédente en fonction de l'état d'énergie initial.

Le procédé de calibration peut établir le calcul de l'énergie disponible E_d d'un accumulateur en fonction de la puissance de décharge P_d et de l'état d'énergie initial SOE₀ par la formule suivante : $${\mathrm{E}}_{\mathrm{d}}={\mathrm{a}}_{\mathrm{j}}\left({\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}\right)+{\mathrm{b}}_{\mathrm{j}}\left({\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}\right)\mathrm{.}\exp \left[-{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{j}}\left({\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}\right){\mathrm{P}}_{\mathrm{d}}\right]$$

Où a_j, b_j, T_j sont des fonctions linéaires ou linéaires par morceaux dépendant de l'état d'énergie initial SOE₀.

L'invention porte aussi sur un procédé d'estimation de l'énergie disponible d'un accumulateur électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend l'application du procédé de calibration tel que défini précédemment.

L'invention porte aussi sur un dispositif comprenant au moins un accumulateur électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'estimation de l'énergie disponible mettant en oeuvre un procédé tel que décrit ci-dessus.

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

• La figure 1 représente schématiquement la méthode d'évaluation de l'énergie disponible dans un accumulateur électrochimique selon l'état de la technique.
• La figure 2 représente schématiquement la méthode d'évaluation de l'énergie disponible dans un accumulateur électrochimique selon l'invention.
• La figure 3 représente un procédé de mesures de valeurs de calibration selon le mode d'exécution de l'invention.
• La figure 4 représente une méthode d'extrapolation à partir des valeurs mesurées selon le mode d'exécution de l'invention.
• La figure 5 représente des valeurs de calibration représentant l'énergie disponible en fonction de la puissance de décharge pour plusieurs valeurs d'état initial selon le mode d'exécution de l'invention.

L'invention repose sur le concept d'évaluer directement la quantité d'énergie disponible dans un accumulateur électrochimique, sans découplage du courant et de la tension.

Pour cela, l'invention repose sur un procédé de calibration d'un accumulateur électrochimique 1, qui permet de déterminer l'énergie disponible pour une puissance de décharge constante prédéfinie et pour un état de charge donné, selon une approche combinant une première phase P1 de mesures d'énergie et une seconde phase P2 de modélisation de l'énergie disponible permettant d'en déduire une estimation servant de calibration sans mesure directe, comme cela est schématiquement représenté sur la figure 2.

Avant de détailler les étapes importantes d'un mode d'exécution de l'invention, il convient au préalable d'apporter quelques définitions.

D'abord, une puissance ou énergie nominale de l'accumulateur, peut être définie selon les deux approches suivantes :

• la puissance nominale P_N se trouve dans une plage de puissance d'utilisation recommandée par le fabricant de l'accumulateur, soit directement fournie par ce fabricant soit déduite par exemple d'une plage de courant fournie par ce fabriquant, par multiplication par une tension nominale fournie ; ou,
• la puissance nominale P_N doit permettre d'effectuer des décharges les plus reproductibles possibles selon la technologie testée. Par exemple, cet objectif peut être atteint en déduisant la puissance nominale P_N de la capacité nominale C_N et de la tension nominale UN, par la formule P_N = C_N.U_N/N, N étant la durée de la décharge (en nombre d'heures).

Cette puissance nominale P_N permet de déterminer une énergie nominale EN définie par l'énergie délivrée par l'accumulateur lorsqu'il est déchargé à puissance constante nominale P_N depuis une pleine charge jusqu'à un état pleinement déchargé, pendant une durée nominale t_N : ces données caractérisent le régime de décharge nominal.

Les états chargés et déchargés sont déterminés selon la technologie de l'accumulateur. Ils peuvent être obtenus à partir des recommandations du constructeur de l'accumulateur, et généralement à partir de tensions de seuil.

Enfin, un état d'énergie, dénommé « State Of Energy » SOE, est défini comme le rapport entre l'énergie E_d/PN disponible dans l'hypothèse d'une décharge d'énergie dans les conditions nominales de l'accumulateur et l'énergie nominale EN, donc défini par la formule SOE = E_d/PN / EN. Cette valeur de SOE est comprise entre 0 et 1, la valeur égale à 1 correspondant à un état d'énergie de l'accumulateur totalement chargé et la valeur égale à 0 comme un état totalement déchargé.

Le procédé de calibration en puissance de l'invention comprend une première étape E1 de caractérisation en puissance d'un accumulateur électrochimique 1. Cette étape comprend la détermination de plusieurs puissances de décharge P_di dans la plage de puissance de fonctionnement de l'accumulateur, incluant donc la puissance nominale P_N. Le nombre n_p de ces puissances de décharge doit représenter un bon compromis entre l'exigence d'obtenir suffisamment de valeurs mesurées sur des phases de décharge de l'accumulateur selon ces diverses puissances de décharge P_di, où i varie de 1 à n_p, comme cela sera explicité par la suite, et l'exigence de ne pas user l'accumulateur pour ne pas perturber des mesures ultérieures. Avantageusement, ce nombre n_p de puissances de décharge choisies sera compris entre 5 et 15, ces valeurs étant incluses. Ces différentes puissances P_di peuvent être choisies selon une répartition uniforme sur toute la plage d'utilisation de l'accumulateur ou de manière non uniforme, pour affiner le comportement vers les plus fortes et/ou les plus faibles puissances.

Le procédé de l'invention comprend une seconde étape E2 de détermination de plusieurs valeurs de SOE_0j, entre 0 et 1, représentant plusieurs états de charge en énergie de l'accumulateur. Le nombre n_soe de ces valeurs choisies représente aussi un bon compromis pour obtenir un nombre de valeurs suffisant pour bien calibrer l'accumulateur sans toutefois entraîner son vieillissement prématuré. Un nombre compris entre 4 et 12 inclus est avantageux.

Le procédé de l'invention comprend ensuite la mise en oeuvre d'une troisième étape E3 de cycles de charges/décharges pour chacune des valeurs de puissance de décharge déterminées P_di et pour chacune des valeurs de SOE déterminées SOE_0j, selon finalement un nombre n_p*n_soe de combinaisons possibles. Pour chaque couple de ces valeurs (P_di, SOE_0j), une énergie disponible E_dij dans l'accumulateur est établie dans le cas d'une décharge à puissance constante P_di à partir d'un état initial SOE_0j.

Selon le mode d'exécution de l'invention, cette étape de mesure E3, illustrée sur la figure 3, comprend la mise en oeuvre des étapes suivantes, répétées successivement pour chacune des n_soe valeurs SOE_0j (soit pour j variant de 1 à n_soe) :

• E31 : chargement à pleine charge de l'accumulateur, selon une procédure recommandée par le fabricant et/ou la plus adaptée à la technologie de l'accumulateur concerné ;
• E32 : décharge à puissance constante égale à la puissance nominale P_N de l'accumulateur jusqu'à une énergie déchargée définie par (1-SOE_0j)xE_N, permettant de l'amener à l'état initial SOE_0j ;
• E33 : décharge totale à puissance constante égale à P_di de l'accumulateur ;
• E34 : mesure de l'énergie totale déchargée lors de l'étape précédente, soit directement, soit indirectement comme par exemple à partir du temps de décharge.

Les étapes E31 à E34 sont réitérées successivement pour chacune des n_p valeurs P_di choisies (soit pour i variant de 1 à n_p). Entre les étapes E31 et E32 puis après l'étape E34, une période de relaxation suffisante est appliquée, d'au moins 10 minutes. Ensuite, l'ensemble de l'itération est reprise pour une prochaine valeur SOE_0j+1. Par exemple, la période de relaxation sera de 10 minutes pour une batterie Li-ion et supérieure à une heure pour une batterie au plomb.

Le procédé comprend ensuite une dernière étape E4 de calcul pour déduire des valeurs mesurées précédemment d'autres valeurs de calibration, comme pour obtenir l'énergie disponible E_d ou l'état d'énergie tout le long d'un profil de puissance imposé à l'accumulateur.

L'algorithme précédent a été illustré par une double itération, chacune des n_p valeurs P_di étant itérée pour chacune des n_soe valeurs SOE_0j. Naturellement, la double itération pourrait être effectuée de manière similaire en imposant chacune des n_soe valeurs SOE_0j étant itérée pour chacune des n_p valeurs P_di. Selon une autre alternative, l'ensemble de ces n_p*n_soe combinaisons possibles peuvent être obtenues dans un ordre quelconque, organisé ou non. Il faut bien noter que ces n_p*n_soe couples peuvent présenter des pas réguliers ou non réguliers.

Selon une variante de réalisation, l'algorithme précédent pourrait être implémenté sans prendre en compte tous les n_p*n_soe couples mais un échantillon choisi. Par exemple, dans certaines zones où la batterie présente un comportement stable, il serait possible de ne réaliser la mesure que pour un pas sur deux ou sur trois, et effectuer plus de mesures dans des zones plus délicates de fonctionnement de la batterie, soit pour tous les couples de valeurs dans ces zones.

Les valeurs recherchées peuvent être obtenues par toute modélisation, et à partir des valeurs mesurées, par extrapolation ou interpolation ou par tout traitement mathématique.

A titre d'exemple avantageux, une extrapolation à partir d'une relation mathématique explicite entre l'énergie disponible E_d, la puissance de décharge P_d et l'état d'énergie SOE₀ grâce à une régression est mise en oeuvre. La figure 4 illustre ce principe.

Pour cela, dans le cas d'un accumulateur Lithium-ion, la dépendance de l'énergie disponible E_d à la puissance de décharge Pd est dissociée de l'énergie E_d disponible à l'état d'énergie initial.

Ainsi, il est possible d'établir une première dépendance de l'énergie E_d à la puissance de décharge P_d pour chaque état de charge SOE_0j par l'intermédiaire d'une régression de type exponentiel ou puissance.

Par exemple, cette régression peut s'écrire par la formule de type exponentiel suivante :

• E_{d SOEoj} = a_j + b_j . exp(-T_j P_d) où a_j, b_j, T_j sont des paramètres de la régression exponentielle.

En variante, la régression peut s'écrire par la formule de type puissance suivante :

• E_{d SOEoj} = K_j / P_d^(nj-1) où K_j et n_j (n_j >1) sont les paramètres de la régression en puissance.

La seconde dépendance de l'énergie E_d à l'état initial SOE₀ peut s'exprimer par des régressions linéaires, ou linéaires par morceaux, à partir des paramètres de la régression précédente en fonction de l'état d'énergie initial. Ainsi, dans le cas de la régression exponentielle envisagée précédemment dans le cadre de la première dépendance de l'énergie E_d, les paramètres a_j, b_j, T_j peuvent s'exprimer de la manière linéaire suivante : $${\mathrm{a}}_{\mathrm{j}}={\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{a}}\times {\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}+{\mathrm{\beta }}_{\mathrm{a}}$$ $${\mathrm{b}}_{\mathrm{j}}={\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{b}}\times {\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}+{\mathrm{\beta }}_{\mathrm{b}}$$ $${\mathrm{\tau }}_{\mathrm{j}}={\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{\tau }}\times {\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}+{\mathrm{\beta }}_{\mathrm{\tau }}$$

avec α_a, β_a, α_b, β_b, α_T, β_T comme paramètres des régressions linéaires.

Ainsi, une régression permettant d'établir une relation analytique de l'énergie disponible en fonction de la puissance de décharge et de l'état initial peut être pour un accumulateur Lithium-ion : $${\mathrm{E}}_{\mathrm{d}}={\mathrm{a}}_{\mathrm{j}}\left({\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}\right)+{\mathrm{b}}_{\mathrm{j}}\left({\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}\right)\mathrm{.}\exp \left[-{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{j}}\left({\mathrm{SOE}}_{\mathrm{0}}\right){\mathrm{P}}_{\mathrm{d}}\right]$$

Où a_j , b_j, T_j sont des fonctions linéaires ou linéaires par morceaux dépendant de l'état d'énergie initial.

La figure 5 présente un exemple de cette mise en oeuvre avec une régression exponentielle selon la puissance de décharge P_d représentée en abscisse et des régressions linéaires selon SOE₀ pour un accumulateur de 3,7 V et de 147,1 Wh nominal (P_N = 150 W). Les points E_dij représentent les différentes valeurs d'énergie issues de l'expérimentation pour différentes puissances P_di et à partir de différents états d'énergie SOE_0j. En remarque, sur l'exemple illustré sur la figure 5, np=6 et n_soe=5, le graphe représente en ordonnée l'énergie E_d disponible pour une puissance de décharge donnée et le procédé de calibration permet d'obtenir cinq courbes 11 à 15 correspondant respectivement à des valeurs d'état d'énergie SOE₀₁ à SOE₀₅. Ces différentes courbes sont obtenues par extrapolation entre les différents points de mesure d'énergie disponible E_dij à partir des modèles tels qu'explicités précédemment.

Le procédé de calibration précédent permet la mise en oeuvre d'un procédé d'estimation de l'énergie disponible d'un accumulateur électrochimique, par exemple par un algorithme itératif, lors de son utilisation dans un système. Il est possible d'indiquer l'état d'énergie lors de l'utilisation de l'accumulateur à puissance imposée.

Pour cela, un système ou un dispositif intégrant un tel accumulateur peut utiliser des moyens logiciels et/ou matériels (software et/ou hardware), comprenant par exemple une mémoire intégrant les données de calibration définies par le procédé de calibration précédent, et des calculs en temps réel pour connaître précisément le bilan énergétique du système ou du dispositif. Cette approche est particulièrement avantageuse pour les utilisations de batteries par exemple à bord d'un véhicule automobile électrique, ou pour un dispositif de stockage d'énergie connecté au réseau, ou pour tout type de système de stockage soumis à des sollicitations en puissance.

Le concept de l'invention est adapté à tout accumulateur électrochimique, au lithium, ou au nickel, ou au plomb par exemple, que ce soit sur l'accumulateur élémentaire (10 Wh), sur des modules d'accumulateurs en série et/ou en parallèle (100 Wh) ou sur des systèmes complets de modules assemblés aussi en série et/ou en parallèle (de l'ordre de kWh voire de MWh).