EP4396887A1 - Procede d'extension d'une duree d'utilisation d'une batterie - Google Patents

Procede d'extension d'une duree d'utilisation d'une batterie

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EP4396887A1
EP4396887A1 EP22755245.2A EP22755245A EP4396887A1 EP 4396887 A1 EP4396887 A1 EP 4396887A1 EP 22755245 A EP22755245 A EP 22755245A EP 4396887 A1 EP4396887 A1 EP 4396887A1
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EP
European Patent Office
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cell
state
aging
battery
determined
Prior art date
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Pending
Application number
EP22755245.2A
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German (de)
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Inventor
Arnaud Beniere
Bao Kou XIONG
Victor CLOUZET
Stephane Guerin
Alexandre Morel
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Stellantis Auto SAS
Original Assignee
Stellantis Auto SAS
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Publication date
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    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B60L58/13—Maintaining the SoC within a determined range
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
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    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
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    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the object of the invention is to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a method making it possible to increase the duration of use of a battery beyond the threshold aging level.
  • the invention thus relates, in its broadest sense, to a method for extending the duration of use of a battery comprising a plurality of cells.
  • the method comprises the steps, executed by a computer, of: determining a force applied to a wall of at least one cell of the battery, determining a maximum authorized state of charge of the at least one cell as a function of the determined applied force.
  • the maximum authorized state of charge is defined as a function of the applied force determined on the wall of the cell.
  • the overall force formed by the determined applied force plus the additional force generated by the maximum authorized load state, by decreasing the load state. maximum load allowed. The invention thus makes it possible to use batteries up to higher aging.
  • the method according to the invention may have one or more additional characteristics among the following, considered individually or according to all technically possible combinations.
  • the maximum authorized state of charge is determined so as to apply to the wall of the cell, an additional force due to an expansion of the cell below a predetermined threshold force less the determined applied force.
  • the predetermined threshold force is between 20kN and 30kN.
  • the predetermined threshold force corresponds to an aging state of the cell of between 60% and 80% of a new state of the cell.
  • the determined state of aging is a function of a ratio between a maximum quantity of electricity storable in the cell at a determined instant and a maximum quantity of electricity storable in the cell. cell in new condition; a number of cell recharges carried out; an integration of a number of hours of use of the cell multiplied by a coefficient depending on a measured cell temperature; or an accumulation of energy charged or discharged from the cell.
  • Another aspect of the invention relates to a computer arranged to communicate with a battery comprising a plurality of cells, the computer also being arranged to implement the steps of the method according to any one of the aspects of the aforementioned invention.
  • FIG. 1 schematically illustrates a lithium-ion type battery module according to a state of the art.
  • the battery control unit 10 communicates with a control unit 12 of an electric motor 13 and an electric charger 14.
  • a third curve C3 illustrates a force applied to the wall 3 of the cell 2 as a function of a state of aging SOHc of the cell 2 + a variation of a state of charge SOC between 0% and 100% .
  • a secondary reaction occurs generating a passivation layer 9 on the surface of the negative electrode 4 of cell 2.
  • This passivation layer 9 increases the volume of the negative electrode 4 and generates an increase in the force applied to the wall 3 of the cell 2.
  • This increase in volume, and therefore the increase in the force applied to the wall 3 of the cell 2 is irreversible and is linked to its SOHc aging state.
  • the maximum authorized state of charge is determined so as to apply to the wall 3 of the cell 2 an additional force due to an expansion of the cell 2 less than or equal to a predetermined threshold force minus the determined applied force.
  • the threshold force is 25kN.
  • the maximum authorized state of charge (curve C4) is reduced. so that the determined applied force due to the state of aging of cell 1 (curve C1) + the additional force due to the expansion applied to wall 3 of cell 2 due to the maximum authorized load state together do not exceed the threshold force of 25kN.

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Abstract

Un aspect de l'invention concerne un procédé (100) d'extension d'une durée d'utilisation d'une batterie comportant une pluralité de cellules, ledit procédé (100) comportant les étapes, exécutées par un calculateur, de : - déterminer (102) une force appliquée sur une paroi d'au moins une cellule de la batterie, - déterminer (103) un état de charge maximum autorisé de la au moins une cellule en fonction de la force appliquée déterminée.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L’INVENTION : PROCEDE D’EXTENSION D’UNE DUREE D’UTILISATION D’UNE BATTERIE
[0001] La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2109165 déposée le 02.09.2021 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[0002] L'invention a pour objet la gestion de la charge d'une batterie, en particulier la gestion de la charge d'une batterie pour véhicule automobile électrique ou hybride.
[0003] De telles batteries comportent généralement une pluralité d'accumulateurs électriques, également appelés cellules. Chaque cellule comprend un système électrochimique apte à être rechargé jusqu'à une tension maximale à vide.
[0004] Les batteries sont généralement contrôlées par un système de contrôle électronique de batterie, plus connu sous l’acronyme BMS (pour « Battery Management System » en anglais) qui pilote par exemple les phases de recharge de la batterie pour amener la batterie à la tension souhaitée en fin de recharge sans provoquer un échauffement excessif de la batterie et en évitant qu'une des cellules arrive à un niveau de charge sensiblement plus élevé, ou sensiblement moins élevé, que les autres cellules de la batterie. Le système BMS peut être configuré pour calculer une variable sans dimensions, telle qu’un état de charge SOC (pour State of Charge en anglais) permettant de quantifier par une variable comprise entre zéro et 1 le niveau de charge de la batterie.
[0005] Le système BMS peut également être configuré pour estimer au cours du roulage du véhicule, une valeur SOH (pour State of Health en anglais), qui est un coefficient permettant de quantifier le niveau d'énergie disponible dans la batterie une fois celle-ci chargée à son plein potentiel, en tenant compte de la dégradation des performances de la batterie au cours de son cycle de vie. La valeur SOH peut être calculée par diverses méthodes, et permet d'estimer l'énergie disponible dans la batterie en fin de charge et le kilométrage que le conducteur peut donc espérer parcourir.
[0006] Il est connu du document FR-B1 -3009093 un procédé de gestion d'une batterie d'accumulateurs permettant de déterminer avec précision l’état de vieillissement d'une batterie équipant un véhicule électrique ou hybride. Ce procédé permet également d’optimiser la gestion des phases de recharge de la batterie en fonction de l'état de vieillissement calculé. Plus particulièrement, afin d'améliorer la durée de vie de la batterie, le système BMS impose, au début du cycle de vie de la batterie, une tension maximale en fin de recharge qui est inférieure à la tension maximale acceptable en fin de recharge. Le système BMS augmente ensuite cette tension maximale au cours du cycle de vie de la batterie. Cette gestion des phases de recharge a pour but de réduire la cinétique de vieillissement en fonction de l’utilisation de la batterie.
[0007] Toutefois, dès lors que l’état de vieillissement de la batterie atteint un niveau de vieillissement seuil, le système BMS interdit une quelconque recharge de la batterie pour des raisons sécuritaires.
[0008] Le but de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un procédé permettant d’augmenter une durée d’utilisation d’une batterie au-delà du niveau de vieillissement seuil.
[0009] Dans ce contexte, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un procédé d’extension d’une durée d’utilisation d’une batterie comportant une pluralité de cellules.
[0010] Le procédé comporte les étapes, exécutées par un calculateur, de : déterminer une force appliquée sur une paroi d’au moins une cellule de la batterie, déterminer un état de charge maximum autorisé de la au moins une cellule en fonction de la force appliquée déterminée.
[0011 ] Il convient de noter que plus l’état de vieillissement d’une cellule est avancé, et plus la force appliquée sur la paroi de cette dernière est important. Lorsque la force appliquée est trop importante, la cellule n’est plus utilisable. De même, l’état de charge participe à l’augmentation d’une force globale, cette force globale étant l’addition de la force appliquée déterminée et d’une force additionnelle générée par l’état de charge. Grâce à l’invention, l’état de charge maximum autorisé est défini en fonction de la force appliquée déterminée sur la paroi de la cellule. Ainsi, il est possible par exemple de diminuer la force globale, formée par la force appliquée déterminée plus la force additionnelle générée par l’état de charge maximum autorisé, en diminuant l’état de charge maximum autorisé. L’invention permet ainsi d’utiliser des batteries jusqu’à des vieillissements plus élevés.
[0012] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
[0013] Selon un aspect non limitatif de l’invention, le procédé comporte une étape de déterminer un état de vieillissement de la cellule, la force appliquée étant déterminée en fonction de l’état de vieillissement de la cellule déterminé.
[0014] On comprendra par état de vieillissement de la cellule, un état de
[0015] Selon un aspect non limitatif de l’invention, l’état de charge maximum autorisé est déterminé de sorte à appliquer sur la paroi de la cellule, une force additionnelle due à une dilatation de la cellule inférieure à une force seuil prédéterminée moins la force appliquée déterminée.
[0016] Selon un aspect non limitatif de l’invention, la force seuil prédéterminée est comprise entre 20kN et 30kN.
[0017] Selon un aspect non limitatif de l’invention, la force seuil prédéterminée correspond à un état de vieillissement de la cellule compris entre 60% et 80% d’un état neuf de la cellule.
[0018] Selon un aspect non limitatif de l’invention, l’état de vieillissement déterminé est fonction d'un rapport entre une quantité d’électricité maximum stockable dans la cellule à un instant déterminé et une quantité d’électricité maximum stockable dans la cellule à un état neuf ; d’un nombre de recharges de la cellule réalisées ; d’une intégration d’un nombre d’heures d’utilisation de la cellule multiplié par un coefficient dépendant d’une température cellule mesurée ; ou d’un cumul d’énergie chargée ou déchargée de la cellule. [0019] Un autre aspect de l’invention se rapporte à un calculateur agencé pour communiquer avec une batterie comportant une pluralité de cellules, le calculateur étant en outre agencé pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’un quelconque des aspects de l’invention précités.
[0020] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
[0021] [Fig. 1] illustre, de façon schématique, un module de batterie de type lithium- ion selon un état de l’art.
[0022] [Fig. 2] montre, de façon schématique, notamment une unité de contrôle d’une batterie de type lithium-ion selon un aspect non limitatif de l’invention.
[0023] [Fig. 3] illustre un diagramme d’étapes d’un mode de mise en œuvre non limitatif du procédé selon l’invention.
[0024] [Fig. 4] montre un graphique illustrant les forces appliquées sur une cellule d’une batterie de type lithium-ion.
[0025] La figure 1 illustre, de façon schématique, un module 1 comportant une cellule 2 de batterie, par exemple de type lithium-ion. Cette figure 1 illustre à des fins de simplification une unique cellule 2, mais il est entendu qu’un module 1 peut comporter plusieurs cellules 2 de batterie.
[0026] Cette cellule 2 comporte une paroi 3 contenant une électrode négative 4 et une électrode positive 5 espacées l’une de l’autre au moyen de séparateurs 6. Cette cellule 2 contient également un électrolyte 7.
[0027] Les éléments contenus dans la paroi 3, formant une enveloppe, doivent être maintenus en contact dans une plage de force positive.
[0028] Pour combattre la pression interne qui tend à repousser la paroi 3 de la cellule 2, un cadre 8, typiquement en aluminium, enserre les cellules 2, seulement une est visible sur la figure.
[0029] Lors de l’utilisation de la cellule 2, une réaction secondaire se produit. Cette réaction secondaire génère une couche de passivation 9 à la surface de l’électrode négative 4. Cette couche de passivation 9 est plus connue sous l’appellation interphase entre l’électrolyte et la surface ou SEI (pour Solid-electrolyte interphase en anglais). [0030] Cette couche de passivation 9 augmente le volume de l’électrode négative 4. Cette augmentation de volume peut atteindre 4% du volume initial de la cellule 2.
[0031] Au cours de cette réaction secondaire, se produisent également des gaz qui participent à une augmentation de la pression interne de la cellule 2 qui, pour des raisons sécuritaires, doit rester parfaitement étanche. Cette pression peut atteindre 6 bars.
[0032] Plus l’état de vieillissement de la cellule 2 est avancé, et plus la force exercée sur la paroi 3 de la cellule 2 est important. L’état de vieillissement d’une cellule est par conséquent très fortement lié à la force appliquée sur la paroi 3 de la cellule 2 générée par sa dilatation.
[0033] La figure 2 illustre un calculateur 10, par exemple formé par une unité de contrôle de batterie 11 comportant une pluralité de cellules 2. Cette unité de contrôle 10 de batterie est plus connue sous l’appellation BMS (pour « Battery Management System » en anglais).
[0034] Dans ce mode de réalisation non limitatif, les cellules 2 sont contenues dans un cadre 8 et forment ensemble un module. La batterie 11 peut comporter plusieurs modules.
[0035] L’unité de contrôle 10 de batterie communique avec une unité de contrôle 12 d’un moteur électrique 13 et d’un chargeur électrique 14.
[0036] Ainsi, l’unité de contrôle 10 de batterie est agencée pour autoriser ou non la recharge des cellules 2 de la batterie 11 .
[0037] L’unité de contrôle 10 de batterie est agencée pour mettre en œuvre les étapes d’un procédé d’extension d’une durée d’utilisation d’une batterie selon l’invention.
[0038] La figure 3 montre un diagramme d’étapes d’un mode de mise en œuvre du procédé 100 selon l’invention.
[0039] Les étapes du procédé 100 sont exécutées par un calculateur tel que, par exemple, l’unité de contrôle 10 de batterie représentée à la figure 2.
[0040] La mise en œuvre des différentes étapes du procédé 100 est également illustrée à l’appui de la figure 4. [0041] Plus particulièrement, la figure 4 illustre une force appliquée en kN sur la paroi 3 d’une cellule 2 en fonction d’un état de vieillissement SOHc en pourcents, dit état de vieillissement capacitif.
[0042] Une première courbe C1 illustre une force appliquée sur la paroi 3 d’une cellule 2 en fonction d’un état de vieillissement SOHc de la cellule 2 + d’un état de charge de 0%. L’état de charge est un état de charge de type SOC (pour State Of Charge en anglais).
[0043] Une deuxième courbe C2 illustre une force appliquée sur la paroi 3 de la cellule 2 en fonction d’un état de vieillissement SOHc de la cellule 2 + d’un état de charge SOC maximum autorisé de 100%.
[0044] Une troisième courbe C3 illustre une force appliquée sur la paroi 3 de la cellule 2 en fonction d’un état de vieillissement SOHc de la cellule 2 + d’une variation d’un état de charge SOC entre 0% et 100%.
[0045] Une quatrième courbe C4 illustre une courbe représentant une variation d’un état de charge SOC maximum en pourcents.
[0046] L’état de vieillissement résistif SOHr, pour «State of Health related to battery Résistance » en anglais, est également un état de vieillissement selon l’invention, et peut par exemple être pris en compte en pondérant, en fonction de sa valeur, l’influence de l’état de vieillissement capacitif SOHc sur la force appliquée déterminée. L’état de vieillissement résistif SOHr est par exemple un rapport ou pourcentage ente l’augmentation de la résistance interne d’une cellule à un instant donné et la résistance interne à neuf de cette même cellule.
[0047] Le procédé 100 comporte une étape, exécutée par l’unité de contrôle 10 de batterie, de déterminer 101 un état de vieillissement d’au moins une cellule 2.
[0048] Dans un exemple de réalisation non limitatif, l’état de vieillissement peut être formé par un SOHc « pour State of Health capacity en anglais ». Un tel état de vieillissement traduit le nombre d’ampère/heure que peut stocker la cellule 2 à un instant donné.
[0049] L’état de vieillissement de la cellule 2 déterminé peut par exemple être fonction : d'un rapport entre une quantité d’électricité maximum stockable dans la cellule 2 à un instant déterminé et une quantité d’électricité maximum stockable dans la cellule 2 à l’état neuf, d’un nombre de recharges de la cellule 2 réalisées, d’une intégration d’un nombre d’heures d’utilisation de la cellule 2 multiplié par un coefficient dépendant d’une température cellule mesurée par un capteur de température, ou d’un cumul d’énergie chargée ou déchargée de la cellule 2.
[0050] Le procédé 100 comporte une étape, exécutée par l’unité de contrôle 10 de batterie, de déterminer 102 une force appliquée sur la paroi 3 de la cellule 2.
[0051] Dans une mise en œuvre non limitative, la force appliquée est déterminée en fonction de l’état de vieillissement de la cellule 2 déterminé lors de l’étape précédente 101 .
[0052] En effet, lors de l’utilisation de la cellule 2, une réaction secondaire se produit générant une couche de passivation 9 à la surface de l’électrode négative 4 de la cellule 2. Cette couche de passivation 9 augmente le volume de l’électrode négative 4 et génère une augmentation de la force appliquée à la paroi 3 de la cellule 2. Cette augmentation de volume, et donc l’augmentation de la force appliquée à la paroi 3 de la cellule 2, est irréversible et est liée à son état de vieillissement SOHc.
[0053] Le procédé 100 comporte une étape, exécutée par l’unité de contrôle 10 de batterie, de déterminer 103 un état de charge maximum autorisé de la cellule 2 en fonction de la force appliquée déterminée.
[0054] L’état de charge maximum autorisé est déterminé de sorte à appliquer sur la paroi 3 de la cellule 2 une force additionnelle due à une dilatation de la cellule 2 inférieure ou égale à une force seuil prédéterminée moins la force appliquée déterminée.
[0055] Lorsqu’une force supérieure à la force seuil est appliquée sur la paroi 3 de la cellule 2, il est interdit d’utiliser la batterie 11 la contenant. En effet, au delà de cette force seuil, la cellule 2 risque de rompre ou de prendre feu.
[0056] Dans l’exemple non limitatif illustré à la figure 4, la force seuil est de 25kN. [0057] Ainsi, dans cet exemple de réalisation, à compter d’une force appliquée déterminée de 20kN, correspondant à un état de vieillissement SOHc de 20% de la cellule 2, l’état de charge maximum autorisé (courbe C4) est diminué de sorte à ce que la force appliquée déterminée due à l’état de vieillissement de la cellule 1 (courbe C1 ) + la force additionnelle due à la dilatation appliquée sur la paroi 3 de la cellule 2 due à l’état de charge maximum autorisée ne dépassent pas ensemble la force seuil de 25kN.
[0058] L’unité de contrôle 10 de batterie limite ainsi le courant de recharge batterie en provenance du moteur électrique 13 ou du chargeur 14 en transmettant une information de limitation de courant au contrôleur 12.
[0059] Cette mise en œuvre non limitative, permet de prolonger l’utilisation de la cellule 2 et donc de la batterie 11 au-delà des 80% d’état de vieillissement grâce à la limitation de l’état de charge SOC maximum autorisé. En effet, cette diminution, illustrée par la quatrième courbe C4, de l’état de charge SOC maximum autorisé à partir des 20kN, permet, bien que l’état de vieillissement SOHc soit à un stade avancé, de limiter la force globale (courbe C2), formée par la force due à l’état de vieillissement plus la force due à l’état de charge SOC maximum autorisé, appliquée à la paroi 3 de la cellule 2 en dessous du seuil critique de 25kN dans l’exemple.
[0060] Sans cette diminution, on peut voir sur la partie en pointillée de la deuxième courbe C2 que, la force globale appliquée sur la paroi 3 de la cellule 2, fonction de la force due à l’état de vieillissement SOHc de la cellule 2 et de celle due à l’état de charge SOC maximum autorisé, dépasserait la force seuil de 25kN. Une telle situation ne serait pas acceptable. Ainsi, la batterie 11 ne serait plus utilisée dès lors que les 20% de l’état de vieillissement SOHc auraient été atteint.
[0061] Il convient de noter que l’homme du métier est en mesure d’apporter différentes variantes aux aspects de l’invention précités, par exemple en modifiant la valeur de la force seuil.

Claims

REVENDICATIONS Procédé (100) d’extension d’une durée d’utilisation d’une batterie (11 ) comportant une pluralité de cellules (2), ledit procédé (100) étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes, exécutées par un calculateur (10), de :
- déterminer (102) une force appliquée sur une paroi (3) d’au moins une cellule (2) de ladite batterie (11 ),
- déterminer (103) un état de charge (SOC) maximum autorisé de ladite au moins une cellule (2) en fonction de ladite force appliquée déterminée. Procédé (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comporte une étape de déterminer (101 ) un état de vieillissement (SOHc, SOHr) de la cellule (2), ladite force appliquée déterminée étant déterminée en fonction dudit état de vieillissement (SOHc, SOHr) de ladite cellule (2) déterminé. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’état de charge (SOC) maximum autorisé est déterminé de sorte à appliquer sur la paroi (3) de la cellule (2) une force additionnelle due à une dilatation de ladite cellule (2) inférieure à une force seuil prédéterminée moins la force appliquée déterminée. Procédé (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la force seuil prédéterminée est comprise entre 20kN et 30kN. Procédé (100) selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que la force seuil prédéterminée correspond à un état de vieillissement (SOHc) de la cellule (2) compris entre 60% et 80% d’un état neuf de la cellule (2). Procédé (100) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’état de vieillissement déterminé est fonction d’un rapport entre une quantité d’électricité maximum stockable dans la cellule (2) à un instant déterminé et une quantité d’électricité maximum stockable dans la cellule (2) à un état neuf. Procédé (100) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’état de vieillissement déterminé est fonction d’un nombre de recharges de la cellule (2) réalisées.
8. Procédé (100) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’état de vieillissement déterminé est fonction d’une intégration d’un nombre d’heures d’utilisation de la cellule (2) multiplié par un coefficient dépendant d’une température cellule mesurée. 9. Procédé (100) selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’état de vieillissement déterminé est fonction d’un cumul d’énergie chargée ou déchargée de la cellule (2).
10. Calculateur (10) agencé pour communiquer avec une batterie (11 ) comportant une pluralité de cellules (2), ledit calculateur (10) étant caractérisé en ce qu’il est en outre agencé pour mettre en œuvre les étapes du procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
EP22755245.2A 2021-09-02 2022-07-11 Procede d'extension d'une duree d'utilisation d'une batterie Pending EP4396887A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

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