FR3065292B1 - 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
METHODE DE GESTION D’UNE BATTERIE EN FONCTION DE SON ETAT DESANTE
DOMAINE TECHNIQUE L’invention appartient au domaine des batteries d’accumulateursélectriques.
Plus particulièrement, l’invention appartient au domaine de la gestion desbatteries 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 réactionsde corrosion qui dégradent la batterie avec le temps.
Le vieillissement d’une batterie se traduit par une diminution de sa capacitéet une augmentation de sa résistance interne.
Un état de santé SOH (« State Of Health »), défini comme un rapport de lacapacité de stockage de la batterie à un instant t sur la capacité de la batterie endébut de vie caractérise le vieillissement de la batterie. En général, un état desanté de 80% est considéré comme étant caractéristique d’une batterie en fin devie. Une batterie considérée en fin de vie a donc perdu 20% de sa capacité et a vusa résistance interne augmenter, d’environ 30% pour une batterie de type Lithium-Ion.
Ainsi, une batterie présentant par exemple une capacité de 96 A.h en débutde vie ne présente plus qu’une capacité de 77 A.h en fin de vie.
Aujourd’hui, les batteries embarquées sur des avions à propulsionentièrement électrique ont une durée de vie d’environ un an. La dégradationrelativement rapide de ces batteries constitue un inconvénient opérationnel,puisque la capacité énergétique de la batterie diminue avec le temps, réduisantleur autonomie.
Une solution envisageable pour résoudre ce problème est de mettre enœuvre des batteries présentant une durée de vie plus longue. Un inconvénient decette solution est le coût très élevé de ce type de batteries.
La demande de brevet américain US 2016/0167541 décrit une méthode decontrôle des commandes électriques d’un véhicule. Un couple à appliquer auvéhicule dépend d’une position de la pédale d’accélérateur. Il existe un risque quele courant imposé aux batteries soit plus élevé que nécessaire, si la pédaled’accélérateur est enfoncée au-delà de la position requise, entraînant unvieillissement prématuré de la batterie. La méthode décrite dans la demande debrevet américain réalise une gestion de la température de la batterie grâce à unsystème de refroidissement et limite le couple à appliquer si celui-ci peut êtreamené à endommager la batterie.
Cependant, si cette méthode ralentit le vieillissement de la batterie, elle nepermet pas de conserver une performance énergétique sensiblement constanteindépendamment de son état de santé.
Le brevet français FR3002045 décrit un procédé de gestion de charged’une batterie selon lequel l’état de charge maximal autorisé de la batterie estlimité, limite qui augmente au fur et à mesure que la batterie vieillit, afin d’anticiperla diminution de la capacité énergétique de la batterie et conserver au long de ladurée de vie de la batterie une énergie disponible constante.
Un inconvénient de ce procédé est qu’il ne tient pas compte du niveau dedécharge, à savoir que la batterie subit un vieillissement prématuré en cas d’unedécharge trop profonde.
EXPOSE DE L’INVENTION L’invention concerne une méthode de gestion d’une batterie en fonctiond’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, leditprofil étant fonction d’une technologie de la batterie, d’un niveaud’énergie nominal à mettre à disposition lors de chaque décharge de labatterie, ledit niveau d’énergie nominal étant sensiblement constant aucours d’une durée de vie de la batterie, c’est-à-dire entre un état dedébut de vie SOH0 associé à une valeur initiale MDOD0 de profondeurde décharge maximale et un état de fin de vie SOH2o associé à unevaleur seuil limite MDOD2o de profondeur de décharge maximale ; - pendant une utilisation de la batterie, une étape d’ajustement d’uneprofondeur de décharge maximale MDOD de la batterie en fonction del’état de santé SOH de ladite batterie.
Dans une forme de mise en œuvre, la profondeur de déchargemaximale MDOD de la batterie est ajustée à intervalles réguliers, à chaque foisque l’état de santé SOH de la batterie diminue d’un pourcentage correspondant àun pas d’actualisation p% égal à p/100, c’est-à-dire pour toutes les valeurs d’étatde 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 déchargemaximale MDODn de la batterie est ajustée à l’état de santé SOHn selon la relationsuivante :
Dans une forme de mise en œuvre, la valeur initiale MDOD0 et le profil deprofondeur de décharge maximale MDOD sont déterminés lors de l’étape deprédétermination de sorte que la profondeur de décharge de la batterie soit, aucours de la durée de vie de la batterie, toujours ou presque toujours inférieure àune valeur maximale.
Dans une forme de mise en œuvre, la valeur initiale MDOD0 et le profil deprofondeur de décharge MDOD sont déterminés en fonction de la valeur seuillimite MDOD20·
Dans une forme de mise en œuvre, une consigne de charge maximale estdonnée lors des phases de charge de la batterie, ladite consigne de chargemaximale évoluant de manière croissante suivant un profil d’évolution similaire auprofil de profondeur de décharge maximale (MDOD), de manière à maintenir unniveau d’énergie disponible sensiblement constant au cours de la durée de vie dela 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 àl’examen des figures qui l’accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu’à titreindicatif et nullement limitatif de l’invention.
La Figure 1 représente trois profils différents de profondeur de déchargemaximale 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 dansla suite par un état de vieillissement SOA (« State Of Ageing »). L’état de vieillissement SOA est défini comme le complémentaire d’un étatde santé SOH :
L’état de santé SOH et l’état de vieillissement SOA sont avantageusementdéterminés en exploitation par un système de gestion BMS (« BatteryManagement System ») de la batterie.
Un début de vie de la batterie est ainsi caractérisé par un état devieillissement SOA0 de 0%. Une fin de vie de la batterie est généralementassociée à un état de vieillissement SOA2o de 20% correspondant à un état desanté SOHso de 80%. Cette valeur d’état de vieillissement en fin de vie seraretenue dans la suite de la description, mais l’homme du métier comprendra qu’ilne s’agit là que d’une convention généralement retenue et que la fin de vie de labatterie peut être associée à une autre valeur.
Suivant la valeur retenue, en fin de vie, une capacité de la batterie adiminué de 20% et une résistance interne de la batterie a augmenté.
Une profondeur de décharge DOD (« Depth Of Discharge ») de la batterieest définie comme un pourcentage de charge électrique consommée lors d’unephase de décharge par rapport à la capacité de la batterie à l’état devieillissement SOA d’intérêt.
Ainsi, une profondeur de décharge DOD50 de 50% correspond à unebatterie qui a été déchargée à moitié et une profondeur de décharge DOD100 de100% correspond à une batterie qui a été entièrement déchargée.
Des décharges profondes de la batterie sont généralement évitées etréservées à des situations exceptionnelles dans la mesure où elles occasionnent
des phénomènes, tels que par exemple sulfatation ou pertes de cellules suivant latechnologie de la batterie, entraînant un vieillissement prématuré de la batterie.
On entend par « décharge profonde >> une profondeur de déchargesupérieure à une valeur seuil, laquelle valeur seuil est dépendante de latechnologie de la batterie mais est généralement comprise entre 50% et 70%.Lors d’une « décharge profonde >>, une tension U de la batterie n’est plussensiblement égale à une valeur nominale UnOm et chute sensiblement au-delàd’une valeur seuil de décharge, généralement comprise entre 50% et 70%. Enconséquence, à iso-puissance de décharge, une quantité d’énergie consomméeentre un état de charge de 80% et un état de charge de 60% est supérieure à uneénergie 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 (« MaximalDepth Of Discharge ») maximale est déterminée et fixée pour chaque décharge dela batterie en fonction d’un état de vieillissement SOA de ladite batterie déterminépar le système de gestion BMS.
La profondeur de décharge MDOD maximale est fixée, en début de vie dela batterie, à une valeur de début de vie MDOD0, ici 40%. La profondeur dedécharge MDOD maximale augmente ensuite avec l’âge de la batterie, selon unprofil croissant, jusqu’à atteindre une valeur seuil limite MDOD2o au-delà d’un âgelimite de la batterie. En pratique, l’âge limite à compter duquel le profil deprofondeur de décharge maximale MDOD atteint la valeur seuil limite MDOD20 estl’âge de fin de vie correspondant à l’état de vieillissement SOA20.
La figure 1 illustre ainsi, de manière non limitative, trois profils d’évolutiondifférents possibles pour une même batterie selon la méthode l’invention.
La valeur de début de vie MDOD0 et le profil d’évolution sont prédéterminéset la valeur seuil limite MDOD20 peut être déduite de ces deux informations,comme il sera compris par la suite. Avantageusement, la valeur de début devie MDODo et le profil d’évolution sont choisis pour tenir compte desproblématiques liées à des profondeurs de décharge trop importantes (pertes decellules 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 égaleà 50%. Bien entendu, l’homme du métier comprendra que cette valeur peut êtreaugmentée ou diminuée, en tenant compte toutefois des problèmes liés auxdécharges profondes, sans limiter la portée de l’invention.
Lorsqu’un état de vieillissement SOAn, caractérisant le vieillissement de labatterie à une étape n, augmente d’un pas de 1% à l’étape n+1 pour atteindre unétat de vieillissement SOAn+1.1%, la capacité de la batterie diminue de 1%, ce quientraîne une diminution d’environ 1% d’une capacité énergétique correspondant àune énergie maximale susceptible d’être stockée dans la batterie à un instantdonné.
Afin de compenser cette diminution de la capacité énergétique, laprofondeur 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 àl’étape n, selon la relation suivante :
De cette manière, une énergie E disponible au cours d’une décharge entreun état de décharge nulle et la profondeur de décharge MDODn est sensiblementconstante tout au long de la vie de la batterie.
Dans l’exemple ci-dessus, il est considéré un pas de 1%, mais laprofondeur de décharge maximale peut être réajustée à des pas d’actualisationp% 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 précédentedevient :
Bien entendu, plus le pas p% est petit, plus la profondeur dedécharge 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 nepermettant pas une consommation d’énergie sensiblement constante au cours desdécharges répétées de la batterie tout au long de son cycle de vie. A titre d’exemple numérique, il est considéré une batterie entièrementchargée ayant une énergie en début de vie de 30kW.h. La valeur initiale MDOD0est fixée à 40%. Une énergie Eo consommable en début de vie de la batterie lorsde la décharge est donc environ égale à 12kW.h.
On suppose que la profondeur de décharge maximale est réajustée pour lapremière fois en milieu de vie, c’est-à-dire pour un état de vieillissement SOA10 de10%. L’énergie maximale emmagasinée dans la batterie est alors environ égale à27kW.h. Le pas p% est égal à 10%, et la profondeur de déchargemaximale MDOD10 est fixée à :
Selon l’invention, l’énergie E10 consommable lors d’une décharge en milieude vie est donc environ égale à :
La capacité énergétique utile E10 consommable en milieu de vie, aprèsréajustement du profil de profondeur de décharge, est donc bien égale à lacapacité énergétique utile Eo consommable en début de vie.
Toutefois, le pas p% utilisé ici est relativement important, si bien que durantune première moitié de la vie de la batterie, la profondeur de décharge maximaleest fixée à 40%. En conséquence, l’énergie E consommable au cours desdécharges survenant dans cet intervalle temporel est amenée à diminuer. Parexemple, lorsque la batterie a atteint un quart de sa durée de vie, c’est-à-dire unétat de vieillissement SOA5 de 5%, l’énergie consommable E5 est environ égale à :
Afin de conserver l’énergie consommable E sensiblement constante aucours 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 déchargemaximale MDOD5 devient :
L’énergie consommable E5 est alors environ égale à :
La capacité énergétique utile E5 lors d’une décharge lorsque la batterie aatteint un quart de sa durée de vie est donc sensiblement égale à la capacitéénergétique utile consommable en début de vie.
Il convient de remarquer que les valeurs de profondeur de décharge MDODprédéterminées dans la méthode selon l’invention sont des valeurs maximalespermettant de mettre à disposition une énergie consommable sensiblementconstante sur toute la durée de vie de la batterie. Ces valeurs de profondeur dedécharge ne sont pas nécessairement atteintes en pratique.
Les profils de profondeur de décharge maximale MDOD au cours de la viede 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 déchargemaximale MDOD pour un pas de 0,1%. Le profil d’évolution est sensiblementaffine. La valeur seuil MDOD20 est d’environ 48,86%.
Le profil en traits pointillés représente l’évolution de la profondeur dedécharge maximale MDOD pour un pas de 1%. La valeur seuil MDOD20 estd’environ 48,90%.
Le profil en trait interrompu représente l’évolution de la profondeur dedécharge maximale MDOD pour un pas de 10%. La valeur seuil MDOD20 estd’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 déchargemaximale déterminé par la relation ci-dessus est particulièrement adapté à desplages de valeurs de profondeurs de décharge relativement peu importantes,dépendant des technologies de la batterie mais généralement inférieures ouégales à 60%.
La figure 2 illustre une courbe de décharge, représentée par un traitcontinu, d’une batterie de tension nominale UnOm de 4,2V symbolisée par un traitinterrompu. La tension U aux bornes de la batterie est sensiblement constante etégale à la tension nominale Unom sur la plage [0%-60%] de décharge, maisdiminue de manière importante au-delà, caractérisant une décharge profonde.
On entend, sur la figure 2, par « pourcentage de décharge >>, le rapportentre quantité de charge électrique consommée à l’état de décharge considéré surla capacité de la batterie.
De par la relation entre charge électrique et énergie électrique, uneconsommation de charge électrique est donc sensiblement équivalente à uneconsommation d’énergie électrique dans la zone où la tension est sensiblementconstante, c’est-à-dire en-dehors de la zone de décharge profonde. En d’autrestermes, sur ces plages de valeurs, une consommation de charge électrique égaleà 1% de la capacité de la batterie est équivalente à une consommationénergétique de 1% de la capacité énergétique de ladite batterie. Des profondeursde décharge plus élevées occasionnent une diminution notable de la tension auxbornes de la batterie. Sous ces conditions, l’équivalence charge électrique/énergieélectrique n’est plus valable et la profondeur de décharge doit être augmentée demanière conséquente pour compenser la diminution de la tension et conserverune capacité énergétique constante, accélérant le vieillissement de la batterie.
Notamment, il convient de remarquer que la valeur finale MDOD20 peut êtreexprimée en fonction de la valeur initiale MDOD0 :
La valeur initiale MDOD0 et le profil d’évolution de la profondeur dedécharge maximale caractérisé par le pas p% peuvent donc être adaptés de sorteque 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%, lavaleur MDOD0 à ne pas dépasser est :
Ainsi la méthode de gestion de la batterie selon l’invention permet de limiterle vieillissement d’une batterie tout en permettant une consommation d’énergiesensiblement constante tout au long de la durée de vie de la batterie.
La limitation de la profondeur de décharge permet de se dégager desproblématiques de décharge profonde, en conditions nominales.
Bien entendu, dans un mode de mise en œuvre, pour des raisons desécurité, la méthode selon l’invention autorise des décharges plus importantes encas d’urgence ou dans des situations particulières pour lesquelles une quantitéd’énergie plus importante que prévue est requise, par exemple, dans le cas où unavion est dans l’impossibilité d’atterrir et qu’il est placé dans un circuit d’attente oudévié vers un autre aéroport.
Il convient de noter que, de manière analogue, il est également possible deconserver un niveau d’énergie disponible lors d’une décharge sensiblementconstant sur la durée de vie de la batterie en autorisant des charges de plus enplus importantes au cours de la durée de vie de la batterie.
Par exemple, le BMS peut donner une consigne de charge de 80% endébut de vie, puis augmenter progressivement la consigne de charge au cours dela 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 contraireêtre combinées en fixant une profondeur de décharge maximale et une consignede charge maximale toutes deux évolutives au cours de la durée de vie de labatterie, un avantage de cette combinaison étant de limiter aussi bien les risquesliés à une surcharge que les risques liés à une décharge profonde.
Claims (6)
- REVENDICATIONS1. Méthode de gestion d’une batterie en fonction d’un état de santé (SOH) dela batterie comportant : - préalablement à une utilisation de la batterie, une étape deprédétermination d’un profil de profondeur de décharge maximale (MDOD)en fonction de l'état de santé (SOH) de la batterie, ledit profil étant fonctiond’une technologie de la batterie, d’un niveau d’énergie nominal à mettre àdisposition lors de chaque décharge de la batterie, ledit niveau d’énergienominal étant sensiblement constant au cours d’une durée de vie de labatterie, c’est-à-dire entre un état de début de vie (SOHo) associé à unevaleur initiale (MDODo) de profondeur de décharge maximale et un état defin de vie (SOH20) associé à une valeur seuil limite (MDOD20) deprofondeur de décharge maximale ; - pendant une utilisation de la batterie, une étape d’ajustement d’uneprofondeur de décharge maximale (MDOD) de la batterie en fonction del’état de santé (SOH) de ladite batterie ; caractérisé en ce que la profondeur de décharge maximale (MDOD) de labatterie est ajustée à intervalles réguliers, à chaque fois que l’état de santé(SOH) de la batterie diminue d’un pourcentage correspondant à un pasd’actualisation p% égal à p/100, c’est-à-dire pour toutes les valeurs d’étatde santé (SOHn) égales à SOHo-n x p% avec n entier compris entre 0 et20/p.
- 2. Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que la profondeur dedécharge maximale (MDODn) de la batterie est ajustée à l’état de santé(SOHn) selon la relation suivante :
- 3. Méthode selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisée en ceque le pas d’actualisation p% est inférieur ou égal à 1 %.
- 4. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentescaractérisée en ce que la valeur initiale (MDODo) et le profil de profondeurde décharge maximale (MDOD) sont déterminés lors de l’étape deprédétermination de sorte que la profondeur de décharge de la batteriesoit, au cours de la durée de vie de la batterie, toujours ou presque toujoursinférieure à une valeur maximale.
- 5. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentescaractérisée en ce que la valeur initiale (MDODo) et le profil de profondeurde décharge maximale (MDOD) sont déterminés en fonction de la valeurseuil limite (MDOD20).
- 6. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes au coursde laquelle une consigne de charge maximale est donnée lors des phasesde charge de la batterie, ladite consigne de charge maximale évoluant demanière croissante, de manière à maintenir un niveau d’énergie disponiblesensiblement constant au cours de la durée de vie de la batterie tout enlimitant les risques liés à la surcharge.
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