Conception d'une jauge d'énergie à faible consommation énergétique offrant une grande précision d'estimation

Les objets connectés sont de plus en plus compacts. L’énergie disponible pour leur fonctionnement est alors réduite. De même, la recharge de la batterie est ponctuelle et souvent incomplète. La gestion optimisée de l’énergie disponible est alors indispensable. La connaissance précise de l’état de charge est nécessaire pour augmenter son efficacité. Proposer un tel système d’estimation est alors un défi concret du secteur de l’électronique portative. Principalement, son fonctionnement ne doit représenter qu’une infime fraction dans le bilan énergétique total. Aussi, le système de mesure doit être compact, et la complexité algorithmique doit demeurer faible. L’objectif de ce travail est alors de proposer une nouvelle méthode pour la mise en oeuvre de jauges d’énergie. La problématique est alors : comment estimer avec précision l’état de charge d’une batterie, sans augmenter significativement la consommation énergétique ou les ressources matérielles nécessaires à son fonctionnement. Dans ce cadre, nous adapterons un système de mesure de la tension en circuit ouvert récemment publié. Cette tension est fortement liée à l’état de charge, mais également à l’état de santé de la batterie. Jusqu’à présent, sa mesure nécessitait une déconnexion au circuit à alimenter. La méthode proposée innove par sa capacité à déterminer cette tension durant le fonctionnement normal du système qui utilise la batterie, en consommant une faible énergie et en offrant une forte précision de mesure. Limitée à l’origine à des batteries de capacité micro-ampériques, nous proposons d’adapter cette méthode aux batteries milli-ampériques. Ainsi, après avoir identifié les limites de cette méthode, nous proposerons un nouveau protocole adapté à notre domaine d’application. Principalement, l’objectif est de réduire le temps de mesure qui croît avec la capacité de la batterie. Responsable d’une perte de précision et d’une consommation énergétique accrue. Le comportement de la batterie sera modélisé afin d’estimer précocement sa réaction aux stimuli de mesure. Ensuite, par différents essais, nous déterminerons la précision et la robustesse de notre méthode. Principalement, nous conclurons positivement sur la capacité du système à estimer avec précision la tension en circuit ouvert et l’état de charge de l’accumulateur. L’erreur moyenne observée est inférieure à 1.5 %. De plus, on démontre une bonne robustesse aux perturbations en courant. Nous verrons que l’erreur d’estimation croît linéairement avec l’amplitude de celleci. La consommation énergétique ponctuelle du système est mesurée à 7.6μJ. Soit en moyenne cinquante fois moins que les systèmes de jauge préexistants. L’estimation d’état de charge ’à la demande’ permet la modulation précise de la consommation moyenne du système.

Abstract

The rapid and continuous miniaturization of connected objects presents a power management challenge. The reduced and discontinuous energy supply as well as the low storage capacity implies a thorough optimization for onboard energy management. Knowing precisely and at all times the energy remaining in the accumulator is one of the factors necessary for this optimization. However, the electrical characteristics of batteries are very sensitive to environmental parameters. They notably vary according to their state of charge, the outside temperature, or their age. It is then difficult to propose a reliable estimate of the state of charge. It is therefore a challenge to propose an estimation method for the state of charge of lithium batteries with low-energy consumption and high precision. The main problem addressed in this work is therefore: how to estimate precisely the state of charge of a lithium battery without unduly increasing its energy consumption or the digital resources necessary for its operation. Recently, a system for accurately estimating the open circuit voltage has been proposed. this voltage is strongly linked to the state of charge of the battery. This measurement takes place during the normal operation of the connected object and operates at ultra-low power. However, it is limited to batteries with a capacity of the order of μAh. In this master thesis, we propose to adapt this estimation method to batteries with a mAh capacity. Thus, after determining the limitations and their causes, we propose a new method for estimating the open circuit voltage. Therefore, based on the mathematical behaviour of a lithium battery, we will show that it is possible to improve both accuracy and energy consumption. Concretely, we will model an accumulator model and estimate its future voltage response by early measurements. From this data, we estimate the open circuit voltage. We then confirm the robustness of the system by different physical measurements and different current stimuli that can disturb the operation of the gauge. Finally, we will show that the proposed gauge system allows estimating the open circuit voltage with a sub 1 mV minimum error. The maximum error for the indication of the state of charge is shown to be below 1.5 % for moderate discharge currents. In the end, the punctual energy consumption of the system will be measured at 7.6 μJ, much lower than other traditional systems applicable to the same battery size category.