FR3065292A1 - Methode de gestion d'une batterie en fonction de son etat de sante - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une méthode de gestion d'une batterie en fonction de son état de santé (SOH). Selon l'invention, une profondeur de décharge maximale (MDOD) de la batterie augmente au fur et à mesure que son état de santé (SOH) diminue. Le profil d'évolution de la profondeur de décharge maximale (MDOD) en fonction de l'état de santé permet d'assurer un niveau d'énergie disponible sensiblement constant tout au long de la durée de vie de la batterie, tout en limitant son vieillissement.
Description
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention appartient au domaine des batteries d’accumulateurs électriques.
Plus particulièrement, l’invention appartient au domaine de la gestion des batteries en fonction de leur état de santé.
ETAT DE L’ART
Une batterie d’accumulateurs électriques subit un double vieillissement :
- par cyclage : les cycles de charge et décharge détériorent la batterie ;
- calendaire : le stockage prolongé de la batterie entraînent des réactions de corrosion qui dégradent la batterie avec le temps.
Le vieillissement d’une batterie se traduit par une diminution de sa capacité et une augmentation de sa résistance interne.
Un état de santé SOH (« State Of Health »), défini comme un rapport de la capacité de stockage de la batterie à un instant t sur la capacité de la batterie en début de vie caractérise le vieillissement de la batterie. En général, un état de santé de 80% est considéré comme étant caractéristique d’une batterie en fin de vie. Une batterie considérée en fin de vie a donc perdu 20% de sa capacité et a vu sa résistance interne augmenter, d’environ 30% pour une batterie de type LithiumIon.
Ainsi, une batterie présentant par exemple une capacité de 96 A.h en début de vie ne présente plus qu’une capacité de 77 A.h en fin de vie.
Aujourd’hui, les batteries embarquées sur des avions à propulsion entièrement électrique ont une durée de vie d’environ un an. La dégradation relativement rapide de ces batteries constitue un inconvénient opérationnel, puisque la capacité énergétique de la batterie diminue avec le temps, réduisant leur autonomie.
Une solution envisageable pour résoudre ce problème est de mettre en œuvre des batteries présentant une durée de vie plus longue. Un inconvénient de cette solution est le coût très élevé de ce type de batteries.
La demande de brevet américain US 2016/0167541 décrit une méthode de contrôle des commandes électriques d’un véhicule. Un couple à appliquer au véhicule dépend d’une position de la pédale d’accélérateur. II existe un risque que le courant imposé aux batteries soit plus élevé que nécessaire, si la pédale d’accélérateur est enfoncée au-delà de la position requise, entraînant un vieillissement prématuré de la batterie. La méthode décrite dans la demande de brevet américain réalise une gestion de la température de la batterie grâce à un système de refroidissement et limite le couple à appliquer si celui-ci peut être amené à endommager la batterie.
Cependant, si cette méthode ralentit le vieillissement de la batterie, elle ne permet pas de conserver une performance énergétique sensiblement constante indépendamment de son état de santé.
Le brevet français FR3002045 décrit un procédé de gestion de charge d’une batterie selon lequel l’état de charge maximal autorisé de la batterie est limité, limite qui augmente au fur et à mesure que la batterie vieillit, afin d’anticiper la diminution de la capacité énergétique de la batterie et conserver au long de la durée de vie de la batterie une énergie disponible constante.
Un inconvénient de ce procédé est qu’il ne tient pas compte du niveau de décharge, à savoir que la batterie subit un vieillissement prématuré en cas d’une décharge trop profonde.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention concerne une méthode de gestion d’une batterie en fonction d’un état de santé SOH de la batterie.
Selon l’invention, la méthode comporte :
- préalablement à une utilisation de la batterie, une étape de prédétermination d’un profil de profondeur de décharge maximale MDOD en fonction de l’état de santé SOH de la batterie, ledit profil étant fonction d’une technologie de la batterie, d’un niveau d’énergie nominal à mettre à disposition lors de chaque décharge de la batterie, ledit niveau d’énergie nominal étant sensiblement constant au cours d’une durée de vie de la batterie, c’est-à-dire entre un état de début de vie SOH0 associé à une valeur initiale MDOD0 de profondeur de décharge maximale et un état de fin de vie SOH2o associé à une valeur seuil limite MDOD2o de profondeur de décharge maximale ;
- pendant une utilisation de la batterie, une étape d’ajustement d’une profondeur de décharge maximale MDOD de la batterie en fonction de l’état de santé SOH de ladite batterie.
Dans une forme de mise en œuvre, la profondeur de décharge maximale MDOD de la batterie est ajustée à intervalles réguliers, à chaque fois que l’état de santé SOH de la batterie diminue d’un pourcentage correspondant à un pas d’actualisation p% égal à p/100, c’est-à-dire pour toutes les valeurs d’état de santé SOHn égales à SOH0-n x p% avec n entier compris entre 0 et 20/p.
Dans une forme de mise en œuvre, la profondeur de décharge maximale MDODn de la batterie est ajustée à l’état de santé SOHn selon la relation suivante :
MD0Dn = 1_P ! 100 n
| MDOD0
Dans une forme de mise en œuvre, la valeur initiale MDOD0 et le profil de profondeur de décharge maximale MDOD sont déterminés lors de l’étape de prédétermination de sorte que la profondeur de décharge de la batterie soit, au cours de la durée de vie de la batterie, toujours ou presque toujours inférieure à une valeur maximale.
Dans une forme de mise en œuvre, la valeur initiale MDOD0 et le profil de profondeur de décharge MDOD sont déterminés en fonction de la valeur seuil limite MDOD2oDans une forme de mise en œuvre, une consigne de charge maximale est donnée lors des phases de charge de la batterie, ladite consigne de charge maximale évoluant de manière croissante suivant un profil d’évolution similaire au profil de profondeur de décharge maximale (MDOD), de manière à maintenir un niveau d’énergie disponible sensiblement constant au cours de la durée de vie de la batterie tout en limitant les risques liés à la surcharge.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu’à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
La Figure 1 représente trois profils différents de profondeur de décharge maximale en fonction de l’état de vieillissement de la batterie, selon l’invention.
La Figure 2 représente une courbe de décharge d’une batterie.
DESCRIPTION DETAILLEE
Une dégradation due au vieillissement d’une batterie est caractérisée dans la suite par un état de vieillissement SOA (« State Of Ageing »).
L’état de vieillissement SOA est défini comme le complémentaire d’un état de santé SOH :
SOA [%] = 100% - SOH [%]
L’état de santé SOH et l’état de vieillissement SOA sont avantageusement déterminés en exploitation par un système de gestion BMS (« Battery Management System ») de la batterie.
Un début de vie de la batterie est ainsi caractérisé par un état de vieillissement SOA0 de 0%. Une fin de vie de la batterie est généralement associée à un état de vieillissement SOA2o de 20% correspondant à un état de santé SOH8o de 80%. Cette valeur d’état de vieillissement en fin de vie sera retenue dans la suite de la description, mais l’homme du métier comprendra qu’il ne s’agit là que d’une convention généralement retenue et que la fin de vie de la batterie peut être associée à une autre valeur.
Suivant la valeur retenue, en fin de vie, une capacité de la batterie a diminué de 20% et une résistance interne de la batterie a augmenté.
Une profondeur de décharge DOD (« Depth Of Discharge ») de la batterie est définie comme un pourcentage de charge électrique consommée lors d’une phase de décharge par rapport à la capacité de la batterie à l’état de vieillissement SOA d’intérêt.
Ainsi, une profondeur de décharge DOD50 de 50% correspond à une batterie qui a été déchargée à moitié et une profondeur de décharge DOD100 de 100% correspond à une batterie qui a été entièrement déchargée.
Des décharges profondes de la batterie sont généralement évitées et réservées à des situations exceptionnelles dans la mesure où elles occasionnent des phénomènes, tels que par exemple sulfatation ou pertes de cellules suivant la technologie de la batterie, entraînant un vieillissement prématuré de la batterie.
On entend par « décharge profonde >> une profondeur de décharge supérieure à une valeur seuil, laquelle valeur seuil est dépendante de la technologie de la batterie mais est généralement comprise entre 50% et 70%. Lors d’une « décharge profonde >>, une tension U de la batterie n’est plus sensiblement égale à une valeur nominale UnOm et chute sensiblement au-delà d’une valeur seuil de décharge, généralement comprise entre 50% et 70%. En conséquence, à iso-puissance de décharge, une quantité d’énergie consommée entre un état de charge de 80% et un état de charge de 60% est supérieure à une énergie consommée entre un état de charge de 50% et un état de charge de 30%, pour un même écart d’état de charge.
L’invention tient compte de cette limitation.
En référence à la figure 1, une profondeur de décharge MDOD (« Maximal Depth Of Discharge ») maximale est déterminée et fixée pour chaque décharge de la batterie en fonction d’un état de vieillissement SOA de ladite batterie déterminé par le système de gestion BMS.
La profondeur de décharge MDOD maximale est fixée, en début de vie de la batterie, à une valeur de début de vie MDOD0, ici 40%. La profondeur de décharge MDOD maximale augmente ensuite avec l’âge de la batterie, selon un profil croissant, jusqu’à atteindre une valeur seuil limite MDOD2o au-delà d’un âge limite de la batterie. En pratique, l’âge limite à compter duquel le profil de profondeur de décharge maximale MDOD atteint la valeur seuil limite MDOD20 est l’âge de fin de vie correspondant à l’état de vieillissement SOA20.
La figure 1 illustre ainsi, de manière non limitative, trois profils d’évolution différents possibles pour une même batterie selon la méthode l’invention.
La valeur de début de vie MDOD0 et le profil d’évolution sont prédéterminés et la valeur seuil limite MDOD20 peut être déduite de ces deux informations, comme il sera compris par la suite. Avantageusement, la valeur de début de vie MDOD0 et le profil d’évolution sont choisis pour tenir compte des problématiques liées à des profondeurs de décharge trop importantes (pertes de cellules ou sulfatation par exemple) et seront déterminés de sorte que la profondeur de décharge sur la durée de vie de la batterie reste inférieure ou égale à 50%. Bien entendu, l’homme du métier comprendra que cette valeur peut être augmentée ou diminuée, en tenant compte toutefois des problèmes liés aux décharges profondes, sans limiter la portée de l’invention.
Lorsqu’un état de vieillissement SOAn, caractérisant le vieillissement de la batterie à une étape n, augmente d’un pas de 1% à l’étape n+1 pour atteindre un état de vieillissement SOAn+1.1%, la capacité de la batterie diminue de 1%, ce qui entraîne une diminution d’environ 1% d’une capacité énergétique correspondant à une énergie maximale susceptible d’être stockée dans la batterie à un instant donné.
Afin de compenser cette diminution de la capacité énergétique, la profondeur de décharge MDODn+1.1% maximale à l’état de vieillissement SOAn+1.1% est augmentée par rapport à la profondeur de décharge MDODn maximale à l’étape n, selon la relation suivante :
MDODn+11o/o — - — MD0Dn 1_ /100
De cette manière, une énergie E disponible au cours d’une décharge entre un état de décharge nulle et la profondeur de décharge MDODn est sensiblement constante tout au long de la vie de la batterie.
Dans l’exemple ci-dessus, il est considéré un pas de 1%, mais la profondeur de décharge maximale peut être réajustée à des pas d’actualisation p% différents, par exemple 0,5%, 2%, 10%. Pour un pas d’actualisation de p%, correspondant à un vieillissement de la batterie de p%, la relation précédente devient :
MD0Dn+lp% —
MD0Dn (1)
Bien entendu, plus le pas p% est petit, plus la profondeur de décharge MDOD maximale subit de réajustements et plus la gestion de la batterie est optimale en regard de l’énergie consommable, un pas p% trop important ne permettant pas une consommation d’énergie sensiblement constante au cours des décharges répétées de la batterie tout au long de son cycle de vie.
A titre d’exemple numérique, il est considéré une batterie entièrement chargée ayant une énergie en début de vie de 30kW.h. La valeur initiale MDOD0 est fixée à 40%. Une énergie Eo consommable en début de vie de la batterie lors de la décharge est donc environ égale à 12kW.h.
On suppose que la profondeur de décharge maximale est réajustée pour la première fois en milieu de vie, c’est-à-dire pour un état de vieillissement SOA10 de 10%. L’énergie maximale emmagasinée dans la batterie est alors environ égale à 27kW.h. Le pas p% est égal à 10%, et la profondeur de décharge maximale MDOD10 est fixée à :
MDOD10
40 40
44.4%
Selon l’invention, l’énergie E10 consommable lors d’une décharge en milieu de vie est donc environ égale à :
E10 = — x 27 = 12 kW.h 10 90
La capacité énergétique utile E10 consommable en milieu de vie, après réajustement du profil de profondeur de décharge, est donc bien égale à la capacité énergétique utile Eo consommable en début de vie.
Toutefois, le pas p% utilisé ici est relativement important, si bien que durant une première moitié de la vie de la batterie, la profondeur de décharge maximale est fixée à 40%. En conséquence, l’énergie E consommable au cours des décharges survenant dans cet intervalle temporel est amenée à diminuer. Par exemple, lorsque la batterie a atteint un quart de sa durée de vie, c’est-à-dire un état de vieillissement SOA5 de 5%, l’énergie consommable E5 est environ égale à :
Es
ÏÔÔ x 28.5
11.4 kW.h
Afin de conserver l’énergie consommable E sensiblement constante au cours de la durée de vie de la batterie, il est avantageusement retenu un pas p% relativement petit, par exemple inférieur ou égal à 1%.
Sous l’hypothèse d’un pas p% de 1%, la profondeur de décharge maximale MDOD5 devient :
MDODs
L’énergie consommable E5 est alors environ égale à :
\5 λ 40
- VlOO/ 100
x 28.5 ~ 12 kW.h
La capacité énergétique utile E5 lors d’une décharge lorsque la batterie a atteint un quart de sa durée de vie est donc sensiblement égale à la capacité énergétique utile consommable en début de vie.
II convient de remarquer que les valeurs de profondeur de décharge MDOD prédéterminées dans la méthode selon l’invention sont des valeurs maximales permettant de mettre à disposition une énergie consommable sensiblement constante sur toute la durée de vie de la batterie. Ces valeurs de profondeur de décharge ne sont pas nécessairement atteintes en pratique.
Les profils de profondeur de décharge maximale MDOD au cours de la vie de la batterie, pour une valeur initiale de 40% et des pas de 0,1%, 1% et 10%, sont illustrés sur la figure 1.
Le profil en trait continu représente l’évolution de la profondeur de décharge maximale MDOD pour un pas de 0,1%. Le profil d’évolution est sensiblement affine. La valeur seuil MDOD2o est d’environ 48,86%.
Le profil en traits pointillés représente l’évolution de la profondeur de décharge maximale MDOD pour un pas de 1%. La valeur seuil MDOD2o est d’environ 48,90%.
Le profil en trait interrompu représente l’évolution de la profondeur de décharge maximale MDOD pour un pas de 10%. La valeur seuil MDOD2o est d’environ 49,38%.
La profondeur de décharge maximale reste donc toujours inférieure à 50%.
Il convient de noter que le profil d’évolution de la profondeur de décharge maximale déterminé par la relation ci-dessus est particulièrement adapté à des plages de valeurs de profondeurs de décharge relativement peu importantes, dépendant des technologies de la batterie mais généralement inférieures ou égales à 60%.
La figure 2 illustre une courbe de décharge, représentée par un trait continu, d’une batterie de tension nominale UnOm de 4,2V symbolisée par un trait interrompu. La tension U aux bornes de la batterie est sensiblement constante et égale à la tension nominale Unom sur la plage [0%-60%] de décharge, mais diminue de manière importante au-delà, caractérisant une décharge profonde.
On entend, sur la figure 2, par « pourcentage de décharge », le rapport entre quantité de charge électrique consommée à l’état de décharge considéré sur la capacité de la batterie.
De par la relation entre charge électrique et énergie électrique, une consommation de charge électrique est donc sensiblement équivalente à une consommation d’énergie électrique dans la zone où la tension est sensiblement constante, c’est-à-dire en-dehors de la zone de décharge profonde. En d’autres termes, sur ces plages de valeurs, une consommation de charge électrique égale à 1% de la capacité de la batterie est équivalente à une consommation énergétique de 1% de la capacité énergétique de ladite batterie. Des profondeurs de décharge plus élevées occasionnent une diminution notable de la tension aux bornes de la batterie. Sous ces conditions, l’équivalence charge électrique/énergie électrique n’est plus valable et la profondeur de décharge doit être augmentée de manière conséquente pour compenser la diminution de la tension et conserver une capacité énergétique constante, accélérant le vieillissement de la batterie.
Notamment, il convient de remarquer que la valeur finale MDOD2o peut être exprimée en fonction de la valeur initiale MDOD0 :
20/p
MDOD20 = ) MD0D°
La valeur initiale MDOD0 et le profil d’évolution de la profondeur de décharge maximale caractérisé par le pas p% peuvent donc être adaptés de sorte que la valeur de fin de vie MDOD2o ne dépasse pas une valeur seuil.
Pour une valeur seuil de 50% par exemple, et un pas de 1%, la valeur MDOD0 à ne pas dépasser est :
/ \ —20
MDOD0 = (-=-) x 50% ~ 40,9%
V - /100/
Ainsi la méthode de gestion de la batterie selon l’invention permet de limiter le vieillissement d’une batterie tout en permettant une consommation d’énergie sensiblement constante tout au long de la durée de vie de la batterie.
La limitation de la profondeur de décharge permet de se dégager des problématiques de décharge profonde, en conditions nominales.
Bien entendu, dans un mode de mise en œuvre, pour des raisons de sécurité, la méthode selon l’invention autorise des décharges plus importantes en cas d’urgence ou dans des situations particulières pour lesquelles une quantité d’énergie plus importante que prévue est requise, par exemple, dans le cas où un avion est dans l’impossibilité d’atterrir et qu’il est placé dans un circuit d’attente ou dévié vers un autre aéroport.
II convient de noter que, de manière analogue, il est également possible de conserver un niveau d’énergie disponible lors d’une décharge sensiblement constant sur la durée de vie de la batterie en autorisant des charges de plus en plus importantes au cours de la durée de vie de la batterie.
Par exemple, le BMS peut donner une consigne de charge de 80% en début de vie, puis augmenter progressivement la consigne de charge au cours de la vie de la batterie, par exemple selon une formule équivalente à la formule (1) appliquée cette fois à une consigne de charge.
Ces méthodes peuvent être mises en œuvre séparément ou au contraire être combinées en fixant une profondeur de décharge maximale et une consigne de charge maximale toutes deux évolutives au cours de la durée de vie de la batterie, un avantage de cette combinaison étant de limiter aussi bien les risques liés à une surcharge que les risques liés à une décharge profonde.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Méthode de gestion d’une batterie en fonction d’un état de santé (SOH) de la batterie caractérisée en ce qu’elle comporte :- préalablement à une utilisation de la batterie, une étape de prédétermination d’un profil de profondeur de décharge maximale (MDOD) en fonction de l’état de santé (SOH) de la batterie, ledit profil étant fonction d’une technologie de la batterie, d’un niveau d’énergie nominal à mettre à disposition lors de chaque décharge de la batterie, ledit niveau d’énergie nominal étant sensiblement constant au cours d’une durée de vie de la batterie, c’est-à-dire entre un état de début de vie (SOH0) associé à une valeur initiale (MDOD0) de profondeur de décharge maximale et un état de fin de vie (SOH2o) associé à une valeur seuil limite (MDOD2o) de profondeur de décharge maximale ;- pendant une utilisation de la batterie, une étape d’ajustement d’une profondeur de décharge maximale (MDOD) de la batterie en fonction de l’état de santé (SOH) de ladite batterie.
- 2. Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que la profondeur de décharge maximale (MDOD) de la batterie est ajustée à intervalles réguliers, à chaque fois que l’état de santé (SOH) de la batterie diminue d’un pourcentage correspondant à un pas d’actualisation p% égal à p/100, c’est-à-dire pour toutes les valeurs d’état de santé (SOHn) égales à SOH0-n x p% avec n entier compris entre 0 et 20/p.
- 3. Méthode selon la revendication 2 caractérisée en ce que la profondeur de décharge maximale (MDODn) de la batterie est ajustée à l’état de santé (SOHn) selon la relation suivante :MD0Dn= 1 v!100 nMDOD0
- 4. Méthode selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisée en ce que le pas d’actualisation p% est inférieur ou égal à 1%.
- 5. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la valeur initiale (MDOD0) et le profil de profondeur de décharge maximale (MDOD) sont déterminés lors de l’étape de prédétermination de sorte que la profondeur de décharge de la batterie soit, au cours de la durée de vie de la batterie, toujours ou presque toujours inférieure à une valeur maximale.
- 6. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la valeur initiale (MDOD0) et le profil de profondeur de décharge maximale (MDOD) sont déterminés en fonction de la valeur seuil limite (MDOD2o)·
- 7. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes au cours de laquelle une consigne de charge maximale est donnée lors des phases de charge de la batterie, ladite consigne de charge maximale évoluant de manière croissante suivant un profil d’évolution similaire au profil de profondeur de décharge maximale (MDOD), de manière à maintenir un niveau d’énergie disponible sensiblement constant au cours de la durée de vie de la batterie tout en limitant les risques liés à la surcharge.1/2
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