FR3127046A1 - Estimation de l’état de santé d’un dispositif électrochimique - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne l’estimation d’un état de santé d’un dispositif électrochimique, comprenant les étapes :- Relever une réponse thermique du dispositif électrochimique à un apport de chaleur appliqué au dispositif électrochimique, - Mesurer dans la réponse thermique au moins un paramètre représentatif d’une inertie thermique du dispositif électrochimique, et- Déduire de la mesure dudit paramètre, une estimation de l’état de santé (SOH) du dispositif électrochimique. Figure de l’abrégé : Figure 4

Description

Estimation de l’état de santé d’un dispositif électrochimique
La présente divulgation relève du domaine du stockage de l'énergie dans des dispositifs électrochimiques de type batterie notamment, et de la seconde vie de tels dispositifs.
Un tel dispositif de stockage d'énergie électrochimique peut être utilisé dans tout appareil ou système électrique de type smartphone, ordinateur portable, etc., ou encore respectivement de type véhicule électrique (VE) ou système de stockage d’énergie par batterie (BES) notamment pour des exploitants d’un réseau de distribution électrique.
Plus généralement, un dispositif électrochimique du type précité peut comporter une batterie rechargeable ou une batterie primaire.
Parmi les batteries rechargeables, il peut s’agir d’une batterie lithium-ion, une batterie nickel-métal-hydrure, une batterie nickel-cadmium, une batterie au plomb, une batterie solide au lithium-ion, une batterie solide lithium-métal, une batterie sodium-ion, une batterie solide sodium-ion, une batterie à l'état soldé sodium-métal, ou encore d’une batterie sodium-soufre.
Parmi les batteries primaires, il peut s’agir d’une pile alcaline, d’une batterie au lithium, d’une batterie lithium-air, ou encore d’une batterie zinc-air.
Par conséquent, l'invention peut être appliquée à tous les dispositifs et systèmes dans lesquels se trouvent des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique du type précité.
Dans de tels dispositifs de stockage, on cherche à obtenir l'état de santé (ou SOH pour « State Of Health » en anglais) des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique. Les techniques connues peuvent implémenter une mesure de la capacité de charge/décharge du dispositif, une mesure de l'impédance du dispositif, ou une consultation des données d’historique du dispositif.
L’estimation de SOH peut différer en fonction de la nature du dispositif électrochimique (rechargeable ou primaire). Dans le cas d’une batterie rechargeable, la plupart des réactions électrochimiques sont habituellement réversibles, mais certaines réactions irréversibles (réactions secondaires) peuvent se produire. La capacité de recharge de la batterie diminue à cause de ces réactions irréversibles. Cependant, les matériaux à l'intérieur de la batterie ne peuvent pas être analysés sans démontage et destruction du dispositif. Il existe des techniques particulières pour analyser les matériaux à l'intérieur de la batterie, utilisant des rayons X à haute énergie, par exemple, mais ces techniques sont très coûteuses et ne sont pas utilisées en pratique.
La plupart du temps, l'état de santé de la batterie (SOH) est estimé à partir de la capacité de charge/décharge et de la tendance de variation de sa tension en fonctionnement. Dans ces cas, des données d’historique de la batterie sont nécessaires pour estimer son SOH. Lorsqu’il est souhaité de connaître le SOH de la batterie sans historique, la méthode qui s’impose consiste à charger / décharger la batterie cible plusieurs fois pour estimer son SOH. Ce type d'estimation est nécessaire lorsque la batterie d'un véhicule électrique (VE) par exemple est réutilisée en seconde vie pour être utilisée dans un système de type BES. Normalement, la charge et la décharge prennent beaucoup de temps. Dans le cas de grands systèmes de batteries tels que les VE et les BES, une grande quantité d'énergie électrique est nécessaire, et le procédé prend beaucoup de temps.
La réaction irréversible est principalement due à la consommation d'électrolyte. En se concentrant sur cette caractéristique, le changement de composition de l'électrolyte est proposé comme indicateur de SOH. Cependant, les mesures proposées nécessitent un refroidissement à -40°C par rapport à la température ambiante. De plus, un contrôle linéaire précis de la température est nécessaire pour capturer le point de fusion et/ou la température de transition vitreuse de l'électrolyte. Les batteries testées sont limitées à des cellules de petite taille, typiquement de 40 mm x 20 mm x 3,5 mm de dimensions. Si la procédure proposée est appliquée aux grandes batteries utilisées pour les VE et les BES, elle nécessiterait un système de mesure énorme et coûteux. Les cellules sont normalement assemblées en modules. Par conséquent, les utilisateurs devraient démonter le module pour extraire les cellules avant d'appliquer ces mesures. Ces procédures ne sont pas pratiques. En outre, la procédure proposée ne peut être appliquée que sur des batteries contenant des électrolytes ayant une température de fusion et/ou de transition vitreuse. Récemment, des électrolytes solides sans température de fusion et/ou de transition vitreuse ont été proposés pour des batteries de nouvelle génération. Dans ce cas, une telle estimation du SOH n'est pas réalisable.
Dans le cas d'une batterie plomb-acide, une mesure de l'impédance de la batterie est généralement appliquée pour estimer son SOH car les batteries plomb-acide sont utilisées en général au même état de charge SOC (pour « State Of Charge » en anglais). Cependant, d'autres batteries rechargeables sont utilisées à différents SOC. En général, les changements d'impédance de la batterie dépendent du SOC. Par conséquent, il est nécessaire dans ce cas de charger ou décharger toutes les batteries au même SOC afin de comparer les valeurs d'impédance et d'estimer leur SOH. Dans tous les cas, une charge ou une décharge de la batterie est nécessaire.
Pour le cas d’une batterie primaire, certaines de ces batteries présentent une baisse de tension proportionnelle à leur SOH. D'autre part, des batteries telles que la batterie zinc-air présentent un profil de tension plat dans la plupart des processus de décharge. Dans ce cas, il est difficile d’estimer un SOH fiable à partir de sa tension. Par conséquent, la variation de la tension de la batterie ne permet pas d'estimer le SOH de la batterie primaire.
Résumé
La présente divulgation vient améliorer la situation.
Il est proposé un procédé d’estimation d’un état de santé (ou « SoH » pour « State of Health » en anglais) d’un dispositif électrochimique, comprenant les étapes :
- Relever une réponse thermique du dispositif électrochimique à un apport de chaleur appliqué au dispositif électrochimique,
- Mesurer dans la réponse thermique au moins un paramètre représentatif d’une inertie thermique du dispositif électrochimique, et
- Déduire de la mesure dudit paramètre, une estimation de l’état de santé du dispositif électrochimique.
Ainsi, il a été observé que la réponse thermique d’un dispositif électrochimique était modifiée en fonction de l’âge de ce dispositif et notamment de son état de santé. Les exemples de réalisation et résultats présentés plus loin montrent bien un effet de l’état de santé du dispositif en particulier sur son inertie thermique. Dans les exemples présentés ci-après, plus le dispositif est dégradé et plus son inertie thermique augmente. Cette observation peut s’expliquer par le fait que les réactions non-réversibles que subit le dispositif pendant son utilisation (en dégradant son état de santé) modifient les matériaux présents dans le dispositif, ces nouvelles phases ayant alors une inertie thermique différente.
Les résultats présentés ci-après montrent une corrélation entre un paramètre caractérisant l’inertie thermique du dispositif et son état de santé, de sorte que la mesure de ce paramètre peut permettre d’en déduire l’état de santé du dispositif, voire de prévoir sa durée de vie restante dans des conditions similaires d’utilisation.
A cet effet, il suffit d’apporter de la chaleur au dispositif et de mesurer ce paramètre caractérisant l’inertie thermique. La quantité de chaleur apportée peut être « positive » (chauffage du dispositif) ou « négative » (refroidissement), l’essentiel étant de mesurer la réponse thermique du dispositif à cet apport, et d’en déduire des mesures du paramètre précité. L’apport en chaleur peut être produit par une source (de froid ou de chaud), externe au dispositif. Alternativement, l’apport de chaleur peut résulter simplement du fonctionnement normal dispositif, par exemple pendant les phases de charge, le dispositif chauffant naturellement pendant ces phases.
La réponse thermique du dispositif peut être obtenue par exemple en relevant la variation de sa température dans le temps après (et/ou à partir de) l’application de l’apport de chaleur. Alternativement, la réponse thermique peut être obtenue par mesure d’un flux thermique par un appareil comprenant un module Peltier.
Ainsi, il est proposé de mesurer la réponse thermique du dispositif (par l’intermédiaire d’un dissipateur de chaleur ou non), qui peut être représentée par sa température ou par le flux thermique entre le dispositif et le dissipateur ou simplement entre le dispositif et l’air ambiant. Cette réponse thermique peut faire suite à l’application d’une source de chaleur (chaude ou froide), externe, ou faire suite à une phase de fonctionnement particulière du dispositif (charge par exemple). A partir de l’analyse de cette réponse thermique, on en déduit l’état de santé du dispositif.
Comme indiqué précédemment, dans les exemples de réalisation présentés ci-après, l’inertie thermique des dispositifs électrochimiques testés augmente quand l’état de santé du dispositif diminue. Néanmoins, pour des dispositifs électrochimiques différents, la tendance peut être inverse.
Comme illustré sur le graphique du bas de la commentée plus loin, le paramètre mesuré, précité, peut comprendre un retard (référencet delay) de commencement de réponse thermique du dispositif électrochimique relativement à un instant de début d’application de l’apport de chaleur.
Alternativement ou en complément, l’apport de chaleur étant appliqué continument après un instant de début d’application de l’apport de chaleur, il est relevé la réponse thermique du dispositif électrochimique en fonction du temps et paramètre mesuré précité comprend une pente de variation de la réponse thermique en fonction du temps (dP/dt).
Alternativement ou en complément, l’apport de chaleur étant appliqué continument après un instant de début d’application de l’apport de chaleur, pendant une durée choisie, puis interrompu après cette durée choisie, le paramètre mesuré comprend une amplitude maximale (Pmax) de la réponse thermique du dispositif électrochimique.
Alternativement ou en complément, le paramètre mesuré peut comprendre une durée ( t ) de retour de la réponse thermique du dispositif électrochimique à un seuil prédéfini (P0), après une fin d’application de l’apport de chaleur, comme illustré sur la .
Dans une réalisation, le dispositif électrochimique est en service pendant l’application de l’apport de chaleur. Une telle réalisation n’est pas nécessaire pour appliquer le procédé mais est avantageuse car elle ne nécessite pas de démonter le dispositif électrochimique pour réaliser les mesures du paramètre précité.
Dans une réalisation, des mesures du paramètre précité peuvent être stockées en mémoire pour suivre une évolution dans le temps de l’état de santé du dispositif électrochimique. Il peut être ainsi évalué un pronostic sur la durée de vie restante, par exemple.
Par exemple, le procédé peut prévoir en outre la génération d’un signal d’alerte quand l’état de santé du dispositif électrochimique devient inférieur à un seuil. Une telle réalisation permet alors de pronostiquer par exemple la fin de vie du dispositif électrochimique.
La présente invention vise aussi un dispositif d’estimation d’un état de santé d’un dispositif électrochimique, comprenant :
- au moins un capteur pour relever une réponse thermique du dispositif électrochimique à un apport de chaleur appliqué au dispositif électrochimique, et
- un circuit de traitement pour mesurer dans la réponse thermique au moins un paramètre représentatif d’une inertie thermique du dispositif électrochimique, et pour déduire de la mesure dudit paramètre une estimation de l’état de santé du dispositif électrochimique.
Le capteur précité peut être par exemple un module Peltier comme décrit plus loin à titre d’exemple (utilisant l’effet Seebeck par exemple), ou tout autre moyen de mesure de la réponse thermique du dispositif électrochimique.
Le dispositif peut comprendre en outre, dans un mode de réalisation, un appareil de transfert de chaleur accolé au dispositif électrochimique, et configuré pour appliquer l’apport précité de chaleur au dispositif électrochimique. Alternativement ou complémentairement, le fonctionnement-même du dispositif électrochimique peut être à l’origine d’un apport de chaleur.
Par exemple, le dispositif peut comporter en outre une semelle réalisée dans un matériau électriquement isolant, l’appareil de transfert étant configuré pour être accolé à une première face principale du dispositif électrochimique par l’intermédiaire de cette semelle. L’appareil de transfert peut être aussi enrobé dans un tel matériau isolant et prendre la forme d’un tapis chauffant le dispositif électrochimique.
Le dispositif peut inclure en outre un dissipateur de chaleur accolé au dispositif électrochimique. Par exemple, le dissipateur de chaleur peut être accolé à une deuxième face principale du dispositif électrochimique, opposée à la première face principale, précitée.
Le dissipateur de chaleur peut servir par exemple à la mesure de la réponse thermique. Il n’est pas nécessaire (mais utile pour de petits dispositifs électrochimiques afin de concentrer le flux thermique lors de sa mesure).
Le circuit de traitement précité peut comporter dans une réalisation une mémoire pour stocker au moins des mesures dudit paramètre et suivre une évolution dans le temps de l’état de santé du dispositif électrochimique.
La présente invention vise aussi un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre des étapes du procédé présenté ci-avant, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un circuit de traitement.
Selon un autre aspect, il est proposé un support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un tel programme.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
illustre un exemple schématique d’un dispositif de mesure du chauffage et de la réponse thermique d’un dispositif électrochimique selon un mode de réalisation.
Fig. 2
illustre la réponse thermique typique du dispositif électrochimique après l'alimentation par une source de chaleur.
Fig. 3
illustre la réponse thermique (avec un pic de flux thermique) après alimentation par une source de chaleur appliquée selon une puissance en échelon (créneau à gauche de la ) d'une cellule à 99,5%, 91,5% et 87,4% de SOH.
Fig. 4
illustre la réponse thermique d’un autre dispositif électrochimique à différents états de santé du dispositif.
Fig. 5
montre la corrélation entre la pente de la variation temporelle de la réponse thermique en fonction du temps (dP/dt), à l’état de santé du dispositif.
Fig. 6
montre la corrélation de la durée de retour ( t ) de la réponse thermique, à l’état de santé du dispositif.
Fig. 7
montre la corrélation de la hauteur de pic (Pmax) de la réponse thermique, à l’état de santé du dispositif.
Fig. 8
montre la corrélation du retard (tdelay) de la réponse thermique après application d’un apport de chaleur, à l’état de santé du dispositif.
Fig. 9
illustre un dispositif comportant un circuit de traitement CT selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 10
illustre les étapes d’un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.

Claims (15)

  1. Procédé d’estimation d’un état de santé (SoH) d’un dispositif électrochimique, comprenant les étapes :
    - Relever une réponse thermique du dispositif électrochimique à un apport de chaleur appliqué au dispositif électrochimique,
    - Mesurer dans la réponse thermique au moins un paramètre représentatif d’une inertie thermique du dispositif électrochimique, et
    - Déduire de la mesure dudit paramètre, une estimation de l’état de santé du dispositif électrochimique.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’inertie thermique du dispositif électrochimique augmente quand l’état de santé du dispositif diminue.
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le paramètre mesuré comprend un retard (tdelay) de commencement de réponse thermique du dispositif électrochimique relativement à un instant de début d’application de l’apport de chaleur.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l’apport de chaleur est appliqué continument après un instant de début d’application de l’apport de chaleur, et dans lequel il est relevé la réponse thermique du dispositif électrochimique en fonction du temps, ledit paramètre mesuré comprenant une pente de variation de ladite réponse thermique en fonction du temps (dP/dt).
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l’apport de chaleur est appliqué continument après un instant de début d’application de l’apport de chaleur, pendant une durée choisie, puis interrompu après ladite durée choisie, et dans lequel le paramètre mesuré comprend une amplitude maximale (Pmax) de la réponse thermique du dispositif électrochimique.
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le paramètre mesuré comprend une durée ( t ) de retour de la réponse thermique du dispositif électrochimique à un seuil prédéfini, après une fin d’application de l’apport de chaleur.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif électrochimique est en service pendant l’application de l’apport de chaleur.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel des mesures dudit paramètre sont stockées en mémoire pour suivre une évolution dans le temps de l’état de santé du dispositif électrochimique.
  9. Procédé selon la revendication 8, comportant une génération d’un signal d’alerte quand l’état de santé du dispositif électrochimique est inférieur à un seuil.
  10. Dispositif d’estimation d’un état de santé (SoH) d’un dispositif électrochimique, comprenant :
    - au moins un capteur pour relever une réponse thermique du dispositif électrochimique à un apport de chaleur appliqué au dispositif électrochimique, et
    - un circuit de traitement pour mesurer dans la réponse thermique au moins un paramètre représentatif d’une inertie thermique du dispositif électrochimique, et pour déduire de la mesure dudit paramètre une estimation de l’état de santé du dispositif électrochimique.
  11. Dispositif selon la revendication 10, comprenant en outre un appareil de transfert de chaleur accolé au dispositif électrochimique, et configuré pour appliquer ledit apport de chaleur au dispositif électrochimique.
  12. Dispositif selon la revendication 11, comportant en outre une semelle réalisée dans un matériau électriquement isolant, l’appareil de transfert étant configuré pour être accolé à une première face principale du dispositif électrochimique par l’intermédiaire de ladite semelle.
  13. Dispositif selon l’une des revendications 10 à 12, comportant en outre un dissipateur de chaleur accolé au dispositif électrochimique.
  14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le circuit de traitement comporte une mémoire pour stocker au moins des mesures dudit paramètre et suivre une évolution dans le temps de l’état de santé du dispositif électrochimique.
  15. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre des étapes du procédé selon l’une des revendications 1 à 9, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un circuit de traitement.
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