FR3136114A1 - Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques - Google Patents
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Abstract
Titre : Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d' un dispositif de stockage d'énergie Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie (1) comprenant un ensemble d’étages (2) reliés électriquement entre eux en série et constitués de cellules électrochimiques reliés électriquement entre elles en parallèle, caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E2) de détermination d'une première fonction (f1) caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage, la première fonction définissant une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de l'au moins un étage, la première fonction étant définie sur une plage de tension (P) donnée. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1
Description
L’invention concerne le domaine de la surveillance des dispositifs de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques, les étages étant reliés électriquement en série, chaque étage comprenant une à plusieurs cellules électrochimiques en parallèle, notamment des cellules de type Lithium-ion. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre entre les étages en série d'un tel dispositif de stockage d'énergie. L'invention porte aussi sur un équipement de surveillance configuré pour mettre en œuvre un tel procédé de détection.
Certains dispositifs de stockage d'énergie comprennent un ensemble d’étages de cellules électrochimiques, notamment de type lithium-ion, reliés électriquement en série afin d’obtenir une tension cible souhaitée, chaque étage comprenant une ou plusieurs cellules électrochimiques reliées électriquement en parallèle afin d’obtenir une capacité cible souhaitée. Pour différentes raisons, un déséquilibre d’état de charge couramment dénommé SOC (de l’anglicisme "State-of-Charge") peut apparaître entre les étages en série. Ce déséquilibre est couramment dénommé par l'anglicisme "cell imbalance". Parmi les raisons possibles, on peut citer des problèmes de dispersion d'état de charge lors de l’assemblage des cellules, des problèmes de dispersions d’autodécharge, de capacité, ou encore de résistance entre les cellules, pouvant eux-mêmes être la conséquence de problèmes de dispersion de fabrication des cellules, ou encore des problèmes de dispersion des conditions d’usage en opération entrainant des cinétiques de vieillissement différentes. Une fois observés, ces déséquilibres sont le plus souvent corrigés par un système électronique d’équilibrage. Toutefois, il arrive que le déséquilibre soit tel qu’il ne puisse pas être compensé.
Ce déséquilibre peut alors conduire à ce qu'un étage atteigne de manière prématurée sa capacité de charge maximale, respectivement sa décharge maximale, avant les autres étages en série. Si la charge de l'étage est poursuivie après qu'il ait atteint sa capacité de charge maximale, respectivement sa capacité de décharge maximale, il peut résulter une surcharge, respectivement une sous-décharge. Ces états peuvent induire un échauffement indésirable de l’étage en série concerné, provoquer un emballement thermique, voire même un incendie de l'ensemble du dispositif de stockage d'énergie.
Pour détecter un risque de déséquilibre d'un étage électrochimique d'un dispositif de stockage d'énergie, la méthode la plus répandue est basée sur l'observation de la tension aux bornes de chaque étage en série lors d'une charge ou d'une décharge complète du système de stockage électrochimique. L’étage de cellules électrochimiques présentant un risque de déséquilibre, ou déjà déséquilibré, possède en règle de générale une tension à ses bornes qui est significativement différente de la tension aux bornes des autres étages et peut ainsi être identifié.
Toutefois, cette méthode présente des inconvénients. Les écarts de tension observés sont eux-mêmes fonction des conditions d’usage, à savoir de la température et du courant de charge et de décharge. Ces écarts de tension observés sont également fonction des états de charge et des états de santé (couramment dénommé SOH, de l’anglicisme "State-of-Health") considérés au moment de leur observation. Pour finir, des écarts d'état de charge ne se traduisent pas obligatoirement par des écarts en tension, notamment dans le cas des batteries Lithium Fer Phosphate (LFP), c’est-à-dire à base de phosphate de fer à l’électrode positive, qui présentent une valeur très stable de tension sur une large plage de fonctionnement, dit autrement sur une large plage d'état de charge. Cette méthode apparait ainsi en pratique difficile à calibrer pour éviter des fausses alertes, voire donc insuffisante dans certaines configurations.
D'autre part, les écarts de tension entre étages sont parfois trop faibles ou ne deviennent suffisamment importants que très tardivement dans les conditions d’usage, susceptibles alors d’entrainer un problème de sécurité une fois détecté. Ainsi, lorsqu'un risque de déséquilibre est détecté par ce biais, il est généralement nécessaire d'interrompre en urgence l'utilisation du dispositif de stockage d'énergie ce qui perturbe fortement les différents équipements qui lui sont reliés. Les procédés de détection connus de l'état de la technique ne permettent donc pas une gestion simple et sereine de la maintenance des dispositifs de stockage d'énergie.
On connait également des indicateurs d'état de santé fournissant un indicateur de l'état de vieillissement d'un dispositif de stockage d'énergie ou d'un étage composant le dispositif de stockage d'énergie. De tels indicateurs sont complexes à calculer et ne permettent pas de détecter un risque de défaillance par déséquilibre d'au moins un étage de cellules électrochimiques composant le dispositif de stockage d'énergie.
Parallèlement, avec la généralisation des équipements embarquant une unité de stockage d'énergie, notamment les véhicules automobiles embarquant une batterie lithium-ion, il existe une quantité de plus en plus importante d'unités de stockage d'énergie, dites de seconde vie, qui peuvent être utilisées pour le stockage stationnaire d'énergie, notamment pour stocker de l'énergie électrique produite par une source de production d'énergie intermittente (par exemple de l'énergie solaire ou éolienne) en vue de restituer cette énergie de manière progressive. Ces différentes unités de stockage d'énergie sont rassemblées et connectées ensemble électriquement de manière à former un dispositif de stockage d'énergie de plus grande capacité. Comme les unités de stockage d'énergie qui composent de tels dispositifs de stockage d'énergie peuvent présenter des niveaux d'usure ou d'ancienneté différents, le risque d'observer un déséquilibre entre les unités de stockage d'énergie est particulièrement important.
Le but de l’invention est de fournir un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques, les étages étant reliés électriquement en série, le procédé de détection remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les procédés de détection connus de l’art antérieur.
Plus précisément, un objet de l’invention est un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre qui puisse être mis en œuvre lors de charges et/ou de décharges partielles du dispositif de stockage d'énergie et permettant de détecter un tel risque de manière précoce.
L'invention se rapporte à un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages reliés électriquement entre eux en série et constitués de cellules électrochimiques reliés électriquement entre elles en parallèle, le procédé de détection comprenant :
- une étape de détermination d'une première fonction caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage, la première fonction définissant une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de l'au moins un étage, la première fonction étant définie sur une plage de tension donnée,
- une étape de détermination d'une deuxième fonction caractérisant le fonctionnement d'un étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie, la deuxième fonction définissant une relation entre d'une part ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l’étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie et d'autre part une tension aux bornes de cet étage, la deuxième fonction étant définie sur ladite plage de tension, puis
- une étape de calcul d'une différence de valeur d'amplitude ou d'une différence de valeur intégrale entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction, puis
- une étape de comparaison de ladite différence à un seuil.
- une étape de détermination d'une première fonction caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage, la première fonction définissant une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de l'au moins un étage, la première fonction étant définie sur une plage de tension donnée,
- une étape de détermination d'une deuxième fonction caractérisant le fonctionnement d'un étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie, la deuxième fonction définissant une relation entre d'une part ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l’étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie et d'autre part une tension aux bornes de cet étage, la deuxième fonction étant définie sur ladite plage de tension, puis
- une étape de calcul d'une différence de valeur d'amplitude ou d'une différence de valeur intégrale entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction, puis
- une étape de comparaison de ladite différence à un seuil.
La première fonction peut définir une relation entre d'une part une moyenne sur l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans chaque étage et d'autre part une tension moyenne aux bornes de chaque étage du dispositif de stockage d'énergie.
Ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage peut être une capacité incrémentale de cet étage.
Ladite plage de tension peut comprendre une limite inférieure et une limite supérieure, la limite inférieure correspondant à un premier point d'inflexion de la première fonction et/ou la limite supérieure correspondant à un deuxième point d'inflexion de la première fonction, le premier point d'inflexion et le deuxième point d'inflexion étant positionnés de part et d'autre d'une valeur maximale atteinte par la première fonction.
La première fonction peut atteindre une valeur maximale pour une valeur de tension donnée, et ladite plage de tension peut comprendre une limite inférieure et une limite supérieure, la limite inférieure étant strictement supérieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale ou la limite supérieure étant strictement inférieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale.
Le procédé de détection peut comprendre une étape de définition de ladite plage de tension comprenant :
- une sous-étape de calcul d'un décalage de la première fonction comparativement à une précédente itération du procédé de détection, puis,
- une sous-étape de calcul d'une limite inférieure et d'une limite supérieure de la plage de tension en fonction du décalage précédemment calculé.
- une sous-étape de calcul d'un décalage de la première fonction comparativement à une précédente itération du procédé de détection, puis,
- une sous-étape de calcul d'une limite inférieure et d'une limite supérieure de la plage de tension en fonction du décalage précédemment calculé.
Ladite première fonction et/ou ladite deuxième fonction peuvent être déterminées :
- soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime lent, notamment un régime inférieur ou égal à C/5,
- soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime rapide, notamment un régime strictement supérieur à C/5, l'étape de détermination de la première fonction et/ou de la deuxième fonction comprenant alors une sous-étape de filtrage de la grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage.
- soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime lent, notamment un régime inférieur ou égal à C/5,
- soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime rapide, notamment un régime strictement supérieur à C/5, l'étape de détermination de la première fonction et/ou de la deuxième fonction comprenant alors une sous-étape de filtrage de la grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage.
Ladite différence peut être égale :
- à la différence entre une intégrale de la première fonction sur ladite plage de tension, et une intégrale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension, ou
- à la différence entre une valeur maximale de la première fonction sur ladite plage de tension et une valeur maximale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension.
- à la différence entre une intégrale de la première fonction sur ladite plage de tension, et une intégrale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension, ou
- à la différence entre une valeur maximale de la première fonction sur ladite plage de tension et une valeur maximale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension.
Ladite première fonction et/ou ladite deuxième fonction peuvent être déterminées lors d'une charge ou une décharge partielle du dispositif de stockage d'énergie, ladite plage de tension comprenant une limite inférieure correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie supérieur ou égal à 25% et/ou ladite plage de tension comprenant une limite supérieure correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie inférieur ou égal à 75%.
L'étape de comparaison de ladite différence à un seuil peut comprendre :
- une sous-étape de comparaison de ladite différence à un premier seuil et à un deuxième seuil, le deuxième seuil étant strictement supérieur au premier seuil, puis
- une sous-étape de mémorisation d'un premier témoin d'alerte indiquant un risque modéré, si ladite différence est supérieure ou égale au premier seuil et strictement inférieur au deuxième seuil, et
- une sous-étape de mémorisation d'un deuxième témoin d'alerte indiquant un risque élevé, si ladite différence est supérieure ou égale au deuxième seuil.
- une sous-étape de comparaison de ladite différence à un premier seuil et à un deuxième seuil, le deuxième seuil étant strictement supérieur au premier seuil, puis
- une sous-étape de mémorisation d'un premier témoin d'alerte indiquant un risque modéré, si ladite différence est supérieure ou égale au premier seuil et strictement inférieur au deuxième seuil, et
- une sous-étape de mémorisation d'un deuxième témoin d'alerte indiquant un risque élevé, si ladite différence est supérieure ou égale au deuxième seuil.
Le premier seuil peut être déterminé en fonction d'une dispersion constatée de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage, et le deuxième seuil peut être déterminé en fonction d'une surcharge admissible par l’étage avant emballement thermique.
L'invention se rapporte également à un équipement de surveillance d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages électrochimiques reliés électriquement en série, l'équipement de surveillance comprenant des moyens matériels et logiciels configurés pour mettre en œuvre le procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre du dispositif de stockage d'énergie tel que défini précédemment.
L'invention se rapporte également à un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme enregistrées sur un support lisible par ordinateur pour mettre en œuvre les étapes du procédé de détection tel que défini précédemment lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.
L'invention se rapporte également à un support d’enregistrement de données, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme de mise en œuvre du procédé de détection tel que défini précédemment.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La est une vue schématique d'un dispositif de stockage d'énergie auquel est relié un équipement de surveillance selon un mode de réalisation de l'invention.
La est un synoptique d'un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif du stockage d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention.
La est un graphique représentant la capacité incrémentale d’étages en série du dispositif de stockage d'énergie en fonction d'une tension aux bornes de chaque étage (ou groupement d’étages).
La est un graphique représentant la tension aux bornes des étages en série (ou groupement d’étages) du dispositif de stockage d'énergie en fonction d'une quantité de charges électriques accumulées par chaque étage (ou groupement d’étages).
La est un graphique illustrant l'évolution temporelle d'une valeur maximale de capacité incrémentale de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus haute tension à ses bornes et de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus basse tension à ses bornes.
La est un graphique illustrant l'évolution temporelle d'une valeur intégrale de capacité incrémentale de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus haute tension à ses bornes et de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus basse tension à ses bornes.
La est un graphique illustrant l'évolution temporelle d'une différence par rapport à une moyenne de l'amplitude d'une fonction caractérisant l'étage présentant la plus basse tension à ses bornes et d'une fonction caractérisant l'étage présentant la plus haute tension à ses bornes.
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La illustre schématiquement un dispositif de stockage d'énergie 1 comprenant un ensemble d’étages 2 de cellules électrochimiques reliés électriquement entre eux. Les étages 2 sont reliés électriquement en série. Chaque étage 2 peut comprendre une ou plusieurs cellules 3 électrochimiques, également dénommés "accumulateurs" ou "piles rechargeables", reliées électriquement entre elles en série et/ou en parallèle. Chaque cellule 3 comprend une électrode positive, ou cathode, et une électrode négative, ou anode. Les cathodes des différentes cellules 3 sont reliées directement ou indirectement à une borne positive d'un étage 2. De même, les anodes des différentes cellules 3 sont reliées directement ou indirectement à une borne négative d’un étage 2. Les bornes positives et négatives de chaque étage 2 sont reliées respectivement, de manière directe ou indirecte, à une borne positive et négative du dispositif de stockage d'énergie 1. Les différents étages peuvent être assemblés de manière amovible dans le dispositif de stockage d'énergie, de manière à pouvoir être retirés et/ou remplacés.
Selon le mode de réalisation illustré sur la , le dispositif de stockage d'énergie 1 comprend quatre étages 2 reliés électriquement en série. Chaque étage 2 comprend six cellules 3 reliées électriquement en parallèle. En variante, le nombre d’étages 2 et/ou de cellules 3 pourrait être différent. Avantageusement, tous les étages 2 comprennent un nombre et un agencement des cellules 3 identiques. Ainsi, ils peuvent comprendre des modes de fonctionnement théoriques sensiblement identiques, notamment des tensions à leurs bornes et une capacité qui sont comparables.
Les étages 2 et/ou les cellules 3 composant le dispositif de stockage d'énergie 1 peuvent éventuellement être respectivement des étages et/ou des cellules dits de seconde vie, c’est-à-dire des étages et/ou des cellules issus d'un procédé de re-fabrication après avoir été intégrés au sein d'un premier système. Par exemple, le dispositif de stockage d'énergie 1 peut être composé d'un ensemble de batteries de véhicules automobiles électriques ou hybrides. Ces batteries peuvent avoir servi à stocker de l'énergie pour la propulsion du véhicule au cours d'une première vie, puis avoir été démontées en vue d'une seconde vie lorsque le véhicule était usagé. Le dispositif de stockage d'énergie 1 peut être destiné à stocker de l'énergie électrique produite par une source de production d'énergie intermittente (par exemple de l'énergie solaire ou éolienne).
Les cellules 3 composant le dispositif de stockage d'énergie 1 sont de préférence des cellules de type lithium-ion. Dans de telles cellules, des ions lithium peuvent être échangés réversiblement entre l'électrode positive et l'électrode négative. Toutes les cellules 3 d'un même dispositif de stockage d'énergie 1 ont de préférence la même composition chimique. L'électrode négative peut comprendre un matériau à base de graphite (LixC6) ou à base de titanate de lithium (LTO). L'électrode positive peut être à base d’un des matériaux suivants :
- Lithium Fer Phosphate (LFP),
- Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC),
- Lithium Cobalt Oxide (LCO),
- Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA),
- un mélange de Lithium Cobalt Oxide et de Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (Blend LCO-NCA).
En variante, les cellules 3 composant le dispositif de stockage d'énergie 1 pourraient être de type sodium-ion. En tout état de cause, les différentes cellules 3 et les étages 2 qui comprennent les cellules 3 sont destinés à fonctionner de manière équilibrée. Le déséquilibre d'un étage 2 peut entraîner des pertes de performances, voire un emballement thermique de cet étage et donc à une défaillance du dispositif de stockage d'énergie 1.
- Lithium Fer Phosphate (LFP),
- Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC),
- Lithium Cobalt Oxide (LCO),
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- un mélange de Lithium Cobalt Oxide et de Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (Blend LCO-NCA).
En variante, les cellules 3 composant le dispositif de stockage d'énergie 1 pourraient être de type sodium-ion. En tout état de cause, les différentes cellules 3 et les étages 2 qui comprennent les cellules 3 sont destinés à fonctionner de manière équilibrée. Le déséquilibre d'un étage 2 peut entraîner des pertes de performances, voire un emballement thermique de cet étage et donc à une défaillance du dispositif de stockage d'énergie 1.
Le dispositif de stockage d'énergie 1 comprend également un système de contrôle électronique 4, couramment dénommé BMS (acronyme de l'anglais "Battery Management System"), qui est configuré pour contrôler l'état et/ou le fonctionnement du dispositif de stockage d'énergie 1. Le système de contrôle électronique 4 peut être configuré pour contrôler chaque cellule 3 individuellement ou bien un ensemble de cellules 3 reliées entre elles sous forme d'un étage 2. En particulier, selon le mode de réalisation présenté, le système de contrôle électronique 4 est configuré pour déterminer et/ou mesurer en temps réel (c’est-à-dire de manière instantanée ou quasi instantanée) les données suivantes :
- une tension moyenne U_moy, égale à la moyenne des tension aux bornes des différents étages 2 ;
- une tension minimale U_min, égale à la tension aux bornes de l’étage 2 présentant la tension la plus faible parmi l'ensemble des étages 2;
- une tension maximale U_max, égale à la tension aux bornes de l’étage 2 présentant la tension la plus haute parmi l'ensemble des étages 2;
- un courant électrique I de charge ou de décharge traversant le dispositif de stockage d'énergie 1.
Avantageusement, une large majorité des batteries ou unités de stockage d'énergie produites ou en service à travers le monde comprennent un système de contrôle électronique 4 qui est déjà configuré pour fournir ces données. Il n'est donc pas nécessaire de modifier les systèmes de contrôle électroniques 4 existants pour mettre en œuvre l'invention.
- une tension moyenne U_moy, égale à la moyenne des tension aux bornes des différents étages 2 ;
- une tension minimale U_min, égale à la tension aux bornes de l’étage 2 présentant la tension la plus faible parmi l'ensemble des étages 2;
- une tension maximale U_max, égale à la tension aux bornes de l’étage 2 présentant la tension la plus haute parmi l'ensemble des étages 2;
- un courant électrique I de charge ou de décharge traversant le dispositif de stockage d'énergie 1.
Avantageusement, une large majorité des batteries ou unités de stockage d'énergie produites ou en service à travers le monde comprennent un système de contrôle électronique 4 qui est déjà configuré pour fournir ces données. Il n'est donc pas nécessaire de modifier les systèmes de contrôle électroniques 4 existants pour mettre en œuvre l'invention.
En remarque, comme les différents étages 2 sont assemblés en série, le courant électrique traversant le dispositif de stockage d'énergie 1 est égal au courant électrique traversant chacun des étages 2. En outre, le système de contrôle électronique 4 peut également être configuré pour fournir d'autres données parmi lesquelles la tension aux bornes de chaque étage du dispositif de stockage d'énergie 1, l'état de charge du dispositif de stockage d'énergie 1 (couramment dénommé SOC), l'état de santé du dispositif de stockage d'énergie 1 (couramment dénommé SOH), etc...
Le système de contrôle électronique 4 est relié via un réseau d'échange de données à un équipement de surveillance 5 selon un mode de réalisation de l'invention. L'équipement de surveillance 5 comprend notamment une mémoire 6, un microprocesseur 7, une interface d'entrée/sortie 8 configurée pour recevoir des données issues du système de contrôle électronique 4 et configurée pour communiquer avec une interface homme-machine 9, par exemple un ordinateur équipé d'un écran. La mémoire 6 est un support d'enregistrement de données comprenant des codes d'instruction qui, lorsqu'ils sont exécutés par le microprocesseur 7, conduisent celui-ci à mettre en œuvre un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre du dispositif de stockage d'énergie 1, selon un mode de réalisation de l'invention.
L'équipement de surveillance 5 peut être relié au système de contrôle électronique 4 via un réseau d'échange de données tel qu'Internet. En variante, l'équipement de surveillance 5 peut être intégré à un boîtier relié au système de contrôle électronique 4 par une liaison filaire directe, voire même être intégré au système de contrôle électronique 4.
On décrit à présent un premier mode de réalisation d'un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre du dispositif de stockage d'énergie 1 selon l'invention. Le procédé repose sur des données calculées ou mesurées, par le système de contrôle électronique 4, lors d'une phase de charge ou de décharge de l'unité de stockage d'énergie 1. Avantageusement, le procédé ne requiert pas une charge ou une décharge complète du dispositif de stockage d'énergie 1. Au contraire, seule une charge ou une décharge partielle suffisent pour la mise en œuvre du procédé. Par exemple, le procédé peut être mis en œuvre au cours d'une charge ou d'une décharge dans laquelle l'état de charge du dispositif de stockage d'énergie 1 varie entre 25% et 75% de sa capacité de charge totale. Le procédé de détermination peut être décomposé en cinq étapes E1, E2, E3, E4, E5 représentées schématiquement sur la .
Dans une première étape E1, le système de contrôle électronique 4 transmet à l'équipement de surveillance 5 les valeurs des grandeurs suivantes :
- la tension U_min de l’étage 2 présentant la plus basse tension,
- la tension U_max de l’étage 2 présentant la plus basse tension,
- la tension moyenne U_moy aux bornes des différents étages,
- le courant électrique I circulant dans le dispositif de stockage d'énergie.
Ces valeurs peuvent être par exemple transmises sous forme de séries temporelles, de manière périodique et/ou à l'issue de chaque phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie 1.
- la tension U_min de l’étage 2 présentant la plus basse tension,
- la tension U_max de l’étage 2 présentant la plus basse tension,
- la tension moyenne U_moy aux bornes des différents étages,
- le courant électrique I circulant dans le dispositif de stockage d'énergie.
Ces valeurs peuvent être par exemple transmises sous forme de séries temporelles, de manière périodique et/ou à l'issue de chaque phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie 1.
Dans une deuxième étape E2, on détermine une première fonction f1, dite fonction de référence, caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage 2. Par "fonctionnement correct", on comprend un fonctionnement normal ou nominal d'au moins un étage 2, c’est-à-dire le fonctionnement d'un étage non défaillant. Selon le premier mode de réalisation, la première fonction f1 est égale à une fonction moyenne f1_moy calculée sur la base de l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie 1. Ce premier mode de réalisation repose donc sur l'hypothèse selon laquelle la moyenne de tous les étages est représentative d'un fonctionnement correct. On peut éventuellement convenir que ce mode de réalisation ne peut être mis en œuvre que pour un dispositif de stockage d'énergie comprenant un nombre d’étages suffisant, afin que la moyenne calculée sur l'ensemble des étages traduise bien, selon les lois de la statistique, un fonctionnement correct. Alternativement, et comme nous le verrons par la suite, d'autres méthodes permettant de déterminer une fonction de référence peuvent être proposées.
D'une manière générale, la première fonction f1 est une fonction mathématique, représentable sur un graphique tel que le graphique de la , et qui peut être définie par un ensemble de points. En particulier, la première fonction définit une relation entre d'une part une capacité incrémentale d'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de cet au moins un étage. La capacité incrémentale d'un étage est définie par un rapport d'un différentiel de quantité de charges de cet étage sur un différentiel de tension aux bornes de cet étage.
La fonction moyenne f1_moy peut être déterminée de la manière suivante : tout d'abord on détermine une quantité de charges Q circulant dans chaque étage en intégrant la valeur du courant électrique I sur une période de charge ou de décharge. On obtient ainsi une fonction établissant une relation entre la quantité de charges Q et un temps écoulé. Cette fonction est combinée avec une fonction établissant une relation entre la tension moyenne U_moy et le temps écoulé. On peut ainsi construire une fonction primitive F1 (représentée sur la ) définissant une relation entre la quantité de charges moyenne circulant dans chaque étage et la tension moyenne U_moy. Cette fonction primitive peut ensuite être dérivée relativement à la tension moyenne U_moy pour obtenir la fonction moyenne f1_moy. On obtient ainsi une capacité incrémentale moyenne du dispositif de stockage d'énergie. La capacité incrémentale moyenne est donc une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans chaque étage. La définition de la fonction moyenne f1_moy sur la base d'une moyenne de tous les étages du dispositif de stockage permet de rendre le procédé de détection plus robuste, et notamment de conserver une détection efficace même lorsqu'un des étages présente une tension anormalement haute à ses bornes.
Sur la , la capacité incrémentale est représentée en ordonnée et exprimée en Ampères-heure par volt. La tension est représentée en abscisse et exprimée en volts. Sur la , la quantité de charges circulant dans un étage est représentée en abscisse et exprimée en Ampères-heure. La tension aux bornes d'un étage est représentée en ordonnées et exprimée en Volt. Selon l'exemple représenté, la tension aux bornes de chaque étage varie globalement entre 3.5V et 3.9V au cours d'une charge partielle de cet étage. La quantité de charges accumulées par cet étage au cours de cette charge est d'environ 30Ah.
Alternativement, pour déterminer la fonction moyenne f1_moy, on peut déterminer pour chaque étage la fonction définissant la relation entre la capacité incrémentale de cet étage et la tension aux bornes de cet étage. Ensuite, on peut effectuer une moyenne arithmétique des fonctions déterminées pour chaque étage. Cette méthode permet une détection plus précise mais requiert davantage de ressources de calcul. De plus, cette méthode requiert que le système de contrôle électronique 4 fournisse la tension aux bornes de chaque étage du dispositif de stockage d'énergie.
Selon une variante de réalisation de la deuxième étape E2, l'au moins un étage dont le fonctionnement est correct pourrait être défini comme l’étage 2 dont la tension à ses bornes est la plus proche de la tension moyenne de l'ensemble des étages 2 du dispositif de stockage d'énergie 1.
Selon d'autres variantes de réalisation de la deuxième étape E2, la première fonction pourrait être définie différemment, par exemple au moyen d'une fonction théorique ou encore en identifiant par tout moyen un ou plusieurs étages du dispositif de stockage d'énergie 1 qui fonctionne correctement et en déterminant la relation entre la capacité incrémentale circulant dans ce ou ces étages et la tension aux bornes de ce ou ces étages.
Selon une autre variante de réalisation de la deuxième étape E2, la première fonction pourrait prendre une forme différente d'une fonction définissant une relation entre la capacité incrémentale et une tension aux bornes d'au moins un étage. En référence à la , la première fonction pourrait exprimer une tension aux bornes d'au moins un étage en fonction d'une quantité de charges circulant dans cet au moins un étage. Ainsi la première fonction pourrait correspondre à la fonction primitive F1 définie plus haut.
Finalement, à l'issue de la deuxième étape E2 on obtient une première fonction, représentative d'un fonctionnement normal d'un ou plusieurs étages. Cette première fonction peut être déterminée selon plusieurs méthodes différentes mais qui possèdent le point commun de définir une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage et d'autre part une tension aux bornes de cet étage. Cette première fonction est donc une fonction de référence et sert de base de comparaison pour déterminer si un étage particulier présente un risque de défaillance par déséquilibre.
Dans une troisième étape E3, on détermine une deuxième fonction f2 destinée à être comparée avec la première fonction précédemment définie. La troisième étape peut être exécutée avant ou après la deuxième étape E2 ou encore en parallèle de la deuxième étape E2. Selon le premier mode de réalisation, la deuxième fonction f2 établit une relation entre d'une part la capacité incrémentale de l’étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie et d'autre part la tension U_min aux bornes de cet étage. La méthode de détermination de la deuxième fonction f2 peut être analogue à la méthode de détermination de la première fonction. Notamment, la deuxième fonction f2 peut être obtenue en déterminant la quantité de charges circulant dans l’étage présentant la tension à ses bornes la plus basse. On peut ainsi construire la fonction primitive F2 définissant une relation entre cette quantité de charges et la tension U_min. Cette fonction primitive F2 peut ensuite être dérivée pour obtenir la fonction f2. Comme cela est illustré sur la , la deuxième fonction f2 est destinée à être comparée avec la fonction moyenne f1_moy.
Selon une variante de réalisation, le procédé de détection pourrait également être mis en œuvre en comparant les fonctions primitives F1 et F2 définies précédemment. Dans cette hypothèse la première fonction et la deuxième fonction seraient respectivement égale à la fonction primitive F1 et à la fonction primitive F2. D'une manière générale, le graphique sur lequel la deuxième fonction est représentable est identique au graphique sur lequel la première fonction est représentable. Autrement dit, la forme de la première fonction est la même que la forme de la deuxième fonction de manière à permettre une comparaison de ces deux fonctions.
En remarque, la quantité de charges circulant dans chaque étage est calculée de manière plus précise lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime lent, notamment un régime inférieur ou égal à C/5, c’est-à-dire avec un courant de charge permettant de recharger complètement le dispositif de stockage d'énergie en au moins cinq heures. Alternativement, la quantité de charges circulant dans chaque étage peut aussi être calculée lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime plus rapide, notamment un régime strictement supérieur à C/5. Dans ce cas, les étapes E2 et E3 de détermination de la première fonction et/ou de la deuxième fonction comprenant avantageusement une sous-étape de filtrage de la grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage.
La première fonction et la deuxième fonction sont définies sur une plage de tension P donnée. Comme la première fonction est déterminée au cours d'une charge ou d'une décharge partielle, ladite plage de tension peut être restreinte comparativement à l'amplitude de tension aux bornes d'un étage entre un état partiellement chargé et un état partiellement déchargé. Par exemple, en référence à la , la plage de tension P peut être définie sensiblement entre 3.55V et 3.75V environ, alors que la tension aux bornes d'un étage est susceptible d'évoluer entre 2.70V à l'état complètement déchargé, et 4.2V à l’état complètement chargé. L’amplitude de tension de ladite plage de tension peut être, par exemple, inférieure ou égale à 50% de l’amplitude de tension entre la tension minimale et la tension maximale aux bornes d'un étage 2.
Lorsque la première fonction exprime une capacité incrémentale en fonction d'une tension, elle atteint une valeur maximale VM1, ou autrement dit un pic d'amplitude, pour une tension donnée. Avantageusement la plage de tension P est définie de manière à comprendre la tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale VM1. En outre, la première fonction peut également comprendre un premier point d'inflexion I1 et un deuxième point d'inflexion I2 de part et d'autre de la valeur maximale VM1. On peut définir la plage de tension P de sorte qu'elle inclue les tensions pour lesquelles la première fonction atteint le premier point d'inflexion I1 et le deuxième point d'inflexion I2. En particulier, on peut définir la plage de tension P de sorte notamment à ce que sa limite inférieure U_inf corresponde à la valeur de tension pour laquelle le premier point d'inflexion I1 est atteint, et/ou de sorte à ce que sa limite supérieure U_sup corresponde à la valeur de tension pour laquelle le deuxième point d'inflexion I2 est atteint. Comme nous le verrons par la suite, une telle définition permet un bon compromis entre d'une part une plage de tension relativement restreinte, ce qui permet de mettre en œuvre le procédé de détection lors de phases de charge ou de décharge partielle. En remarque, pour identifier le premier et le deuxième point d'inflexion, la première fonction peut éventuellement être filtrée, notamment lissée, de manière à supprimer d'éventuelles variations parasites.
Avantageusement la plage de tension P peut être définie de manière dynamique. En effet, on observe que la tension pour laquelle la valeur maximale VM1 est atteinte peut varier en fonction de différents paramètres, notamment en fonction de l'état d'ancienneté global du dispositif de stockage d'énergie 1 et/ou en fonction de la température du dispositif de stockage d'énergie 1. Ainsi, il peut se produire un décalage progressif, ou dérive, de la tension pour laquelle la valeur maximale VM1 est atteinte. Le procédé de détection peut donc comprendre, de manière optionnelle, une étape E6 de définition de la plage de tension P. Cette étape peut comprendre une première sous-étape E61 de calcul d'un décalage de la première fonction comparativement à une précédente itération du procédé de détection. Ce décalage peut être par exemple calculé en observant le décalage de la tension pour laquelle la valeur maximal VM1 de la première fonction est atteinte. De manière alternative ou complémentaire, ce décalage peut être calculé en fonction d'une estimation de l'état de santé (SOH) du dispositif de stockage d'énergie 1 et/ou en fonction de sa température. Ensuite, dans une deuxième sous étape E62, on peut calculer une nouvelle limite inférieure et une nouvelle limite supérieure de la plage de tension P en fonction du décalage précédemment calculé. Notamment, chaque nouvelle limite peut être calculée en appliquant à l'ancienne limite un décalage correspondant au décalage de la tension pour laquelle la valeur maximale VM1 est atteinte. La définition dynamique de la plage de tension P permet de conserver un procédé de détection efficace dans le temps et dans des conditions de fonctionnement très variées.
Ensuite, dans une quatrième étape E4, on calcule une différence entre ladite première fonction f1 et ladite deuxième fonction f2. Il existe plusieurs manières de quantifier une telle différence. Selon un premier mode de réalisation, la différence entre la première fonction et la deuxième fonction peut être égale à la différence entre une intégrale de la première fonction sur ladite plage de tension P, et une intégrale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension P. Autrement dit, la différence est alors égale à l'aire A définie entre la première fonction f1 et la deuxième fonction f2 sur la plage de tension P. L'intégrale d'une fonction de capacité incrémentale d'un étage sur la plage de tension P peut représenter une capacité régionale de cet étage. Avantageusement, lorsque la fonction définit une relation entre la capacité incrémentale d'un étage et la tension aux bornes de cet étage, et lorsque la plage de tension P est définie de manière à ce que ses limites inférieure et supérieure correspondent aux deux points d'inflexion I1 et I2 comme décrit précédemment, la plage de tension ainsi définie permet d'améliorer la sensibilité de la détection. En effet, on constate que c'est essentiellement entre les deux points d'inflexion I1 et I2 que les différences entre la première fonction et la deuxième fonction sont les plus importantes.
Un autre avantage à déterminer ladite différence sur la base d'un calcul intégral est que cette méthode peut être mise en œuvre sur n'importe quelle plage de tension, y compris une plage de tension dans laquelle la courbe de capacité incrémentale n'atteint pas sa valeur maximale. En effet, l'observation de la première fonction f1 autour de sa valeur maximale VM1 n'est pas indispensable pour la mise en œuvre du procédé de détection. Ainsi, le procédé de détection permet de détecter un déséquilibre même lorsque le dispositif de stockage d'énergie subit des cycles de charge et de décharge incomplets. Ainsi, de manière alternative, la limite inférieure U_inf et la limite supérieure U_sup peuvent aussi être déterminées de manière à exclure la tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale VM1. Autrement dit, la limite inférieure U_inf peut être strictement supérieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale, ou la limite supérieure U_sup peut être strictement inférieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale.
En remarque, le procédé de détection permet avantageusement de détecter un déséquilibre qui ne provoque pas de décalage de la tension pour laquelle la valeur maximale de la fonction de capacité incrémentale est atteinte.
Selon un autre mode de réalisation, la différence entre la première fonction et la deuxième fonction peut être calculée par une différence d'amplitude entre ces deux fonctions. Cette différence d'amplitude peut être égale au plus grand écart d'amplitude observé pour une tension donnée de la plage de tension P. On peut également calculer la différence entre la valeur maximale VM1 de la première fonction sur ladite plage de tension et une valeur maximale VM2 de la deuxième fonction sur ladite plage de tension. Selon ce mode de réalisation, il suffit simplement d'identifier la valeur maximale de la première fonction et de la deuxième fonction sur la plage de tension P.
Alternativement, on peut également calculer la différence entre la valeur minimale de la première fonction sur ladite plage de tension et la valeur minimale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension. Le calcul d'une différence de valeur d'amplitude entre la première fonction f1 et la deuxième fonction f2 est particulièrement simple à mettre en œuvre et économe en calculs.
Lorsque la première fonction exprime une tension aux bornes d'au moins un étage en fonction d'une quantité de charges circulant dans cet au moins un étage, comme cela est illustré sur la , ladite différence peut être égale à la différence d'amplitude maximale entre la première fonction F1 et la deuxième fonction F2 sur la plage de tension P considérée. En l'espèce, cette différence d'amplitude est une différence de tension. On observe sur la que cette différence (identifiée par dU) est particulièrement importante à bas état de charge. Cette méthode permet donc de détecter un déséquilibre lors des premiers instants de recharge du dispositif de stockage d'énergie, et notamment bien avant que les courbes de capacité incrémentale atteignent leur valeur maximale.
Dans une cinquième étape E5, on compare la différence calculée lors de la quatrième étape avec un seuil. Ensuite, si la différence est strictement supérieure audit seuil, un témoin peut être mémorisée dans la mémoire 6 de l'équipement de surveillance 5. Ce témoin peut être lu par l'interface homme-machine 9. Puis, l'interface homme-machine 9 peut générer un message d'alerte indiquant qu'un étage du dispositif de stockage d'énergie présente un risque de défaillance par déséquilibre.
De manière avantageuse, la comparaison de fonctions définissant une relation entre une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l’étage et une tension aux bornes de l’étage permet de détecter de manière très anticipée une dérive annonciatrice d’un risque d’emballement thermique. Il a été ainsi observé des dispositifs de stockage d'énergie 1 dont la simple observation de la tension aux bornes des différents étages ne permettait pas d'identifier une quelconque anomalie plusieurs mois avant qu'une défaillance se produise. En revanche, la mise en œuvre du procédé selon l'invention sur ce dispositif de stockage d'énergie permet d'identifier un risque de défaillance par déséquilibre plusieurs mois avant que celui-ci ne se produise. De plus, le procédé de détection permet en général d'identifier l’étage du dispositif de stockage d’énergie responsable de cette anomalie. L’étage en question peut alors facilement être retiré ou remplacé lors d'une opération de maintenance.
La est un graphique comprenant une première courbe C1 illustrant l'évolution temporelle de la différence entre la valeur maximale de la fonction moyenne f1_moy et la valeur maximale de la deuxième fonction f2 sur une période de temps de deux ans avec un dispositif de stockage d'énergie 1 comprenant un étage présentant une défaillance par déséquilibre (le repère T0 indique le début de la période de deux ans, le repère T1 indique une durée de un an à compter de T0 et le repère T2 indique une durée de deux ans à compter de T0). Durant un peu moins d'un an (c’est-à-dire sur les six premiers points de C1), la courbe C1 atteint des valeurs très importantes, ce qui montre qu'il existe une différence importante entre la fonction moyenne f1_moy et la fonction f2. Ensuite, lors d'une intervention survenue peu avant un an et représentée par une ligne R en pointillés, l’étage défaillant a été remplacé. On constate alors que la courbe C1 oscille autour d'une valeur proche de zéro, ce qui signifie que l’étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages présente un fonctionnement proche du fonctionnement moyen de l'ensemble des étages. Le graphique de la comprend une deuxième courbe C2 illustrant l'évolution temporelle de la différence entre la valeur maximale de la fonction moyenne f1_moy et la valeur maximale d'une fonction f_max sur la même période de temps de deux ans avec ce même dispositif de stockage d'énergie 1. La fonction f_max est définie comme la fonction définissant la relation entre d'une part la capacité incrémentale du module dont la tension à ses bornes est la plus élevée parmi l'ensemble des modules 2 du dispositif de stockage d'énergie 1, et d'autre part la tension U_max. La courbe C2 présente une amplitude nettement moins importante que la courbe C1 jusqu'à la date d'intervention.
De même, la est un graphique comprenant une troisième courbe C3 illustrant l'évolution temporelle de la différence entre l'intégrale de la fonction moyenne f1_moy sur la plage P et l'intégrale de la fonction f2 sur la plage P, sur une période de temps de deux ans avec un dispositif de stockage d'énergie 1 comprenant un étage présentant une défaillance par déséquilibre. De même que précédemment, la courbe C3 atteint des valeurs très importantes, jusqu'à la date d'intervention survenue peu avant un an lors de laquelle l’étage défaillant a été remplacé. Suite à cette intervention, on constate que la courbe C3 oscille autour d'une valeur proche de zéro. Le graphique de la comprend une quatrième courbe C4 illustrant l'évolution temporelle de la différence entre l'intégrale de la fonction moyenne f1_moy sur la plage P et l'intégrale de la fonction f_max sur la plage P, sur une période de temps de deux ans, avec ce même dispositif de stockage d'énergie 1. La courbe C4 présente une amplitude nettement moins importante que la courbe C3 jusqu'à la date d'intervention.
La est un graphique comprenant une cinquième courbe C5 illustrant l'évolution temporelle de la différence entre la valeur minimale de la fonction F1 et la valeur minimale de la fonction F2 sur une période de temps de deux ans avec un dispositif de stockage d'énergie 1 comprenant un étage présentant une défaillance par déséquilibre. Autrement dit la cinquième courbe C5 exprime l'évolution temporelle de l'écart de tension dU représenté sur la . Jusqu'à la date d'intervention (représentée par la ligne R), la courbe C5 atteint des valeurs importantes, notamment comprises entre 100mV et 300mV. Après l'intervention, la courbe C5 oscille autour d'une valeur proche de zéro. Le graphique de la comprend également une sixième courbe C6 illustrant l'évolution temporelle de la différence entre la valeur minimale de la fonction F1 et la valeur minimale d'une fonction F_max sur une période de temps de deux ans avec le même dispositif de stockage d'énergie 1. La fonction F_max est définie comme la fonction définissant une relation entre une quantité de charges circulant dans le module présentant la plus haute tension à ses bornes et la tension U_max. . La courbe C9 présente une amplitude nettement moins importante que la courbe C5 jusqu'à la date d'intervention.
Avantageusement, le seuil auquel la différence est comparée est non nul. En effet, en raison de différents facteurs générant une certaine dispersion dans le fonctionnement des étages, la différence calculée lors de la quatrième étape E4 peut être non nulle bien qu'aucun étage ne soit défaillant. Cette différence est notamment observée sur les courbes C2 et C4 présentée ci-dessus.
Selon un perfectionnement de l'invention, la cinquième étape E5 peut comprendre
- une étape E51 de comparaison de ladite différence à un premier seuil et à un deuxième seuil, le deuxième seuil étant strictement supérieur au premier seuil, puis
- une étape E52 de mémorisation d'un premier témoin d'alerte indiquant un risque modéré, si ladite différence est supérieure ou égale au premier seuil et strictement inférieure au deuxième seuil, et
- une étape E53 de mémorisation d'un deuxième témoin d'alerte indiquant un risque élevé, si ladite différence est supérieure ou égale au deuxième seuil.
Le premier témoin et le deuxième témoin sont destinés à être enregistrés dans la mémoire 6 de l'équipement de surveillance 5. Ces témoins peuvent ensuite être consultés par l'interface homme-machine 9 afin de produire un message d'alerte adapté à la situation.
- une étape E51 de comparaison de ladite différence à un premier seuil et à un deuxième seuil, le deuxième seuil étant strictement supérieur au premier seuil, puis
- une étape E52 de mémorisation d'un premier témoin d'alerte indiquant un risque modéré, si ladite différence est supérieure ou égale au premier seuil et strictement inférieure au deuxième seuil, et
- une étape E53 de mémorisation d'un deuxième témoin d'alerte indiquant un risque élevé, si ladite différence est supérieure ou égale au deuxième seuil.
Le premier témoin et le deuxième témoin sont destinés à être enregistrés dans la mémoire 6 de l'équipement de surveillance 5. Ces témoins peuvent ensuite être consultés par l'interface homme-machine 9 afin de produire un message d'alerte adapté à la situation.
Avantageusement, le premier seuil est déterminé en fonction d'une dispersion normale de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage. On peut par exemple déterminer ce premier seuil de manière expérimentale en observant des étages fonctionnant correctement dans un dispositif de stockage d'énergie. Le premier seuil peut être ainsi défini comme égal ou légèrement supérieur à la plus grande différence (telle que calculée lors de l'étape E4) observée sur une période suffisamment longue, avec un dispositif de stockage d'énergie dont tous les étages fonctionnent correctement.
Le deuxième seuil peut être déterminé en fonction d'une surcharge admissible par les cellules électrochimiques utilisées. La surcharge admissible désigne le pourcentage de charges qu'est capable de supporter une cellule avant une dégradation irréversible, grandeur ensuite retranscrite si besoin à la quantité de charge admissible pour un étage. En effet, il est constaté que la différence entre l'intégrale de la fonction moyenne f1_moy ou f_max et l'intégrale de la deuxième fonction correspond sensiblement à une quantité de charges excessives pour l’étage. Autrement dit, si cette différence dépasse la surcharge admissible, alors un emballement thermique se produira de manière certaine. On peut donc avantageusement définir le deuxième seuil comme une fraction de la surcharge admissible, par exemple 50 % de la surcharge admissible.
Finalement, grâce à l'invention, on dispose d'un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un étage d'un dispositif de stockage d'énergie qui peut être mis en œuvre lors de charges et/ou de décharges partielles. Comparativement aux procédés connus, ce procédé permet de détecter un déséquilibre de manière précoce, ce qui permet une meilleure maintenance du dispositif de stockage d'énergie. En particulier, le procédé permet de détecter des déséquilibres jusqu'alors difficiles à détecter, notamment des déséquilibres causés par un écart d'état de charge (SOC) sur des chimies ne présentant pas de relation notable entre tension et état de charge (SOC) tel qu'une chimie Li-ion LFP, ou encore causé par un écart d'état de santé (SOH) des différents étages du dispositif de stockage d'énergie.
Claims (12)
- Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie (1) comprenant un ensemble d’étages (2) reliés électriquement entre eux en série et constitués de cellules électrochimiques reliés électriquement entre elles en parallèle, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape (E2) de détermination d'une première fonction (f1) caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage, la première fonction définissant une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de l'au moins un étage, la première fonction étant définie sur une plage de tension (P) donnée,
- une étape (E3) de détermination d'une deuxième fonction (f2) caractérisant le fonctionnement d'un étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie (1), la deuxième fonction définissant une relation entre d'une part ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l’étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie et d'autre part une tension aux bornes de cet étage, la deuxième fonction étant définie sur ladite plage de tension, puis
- une étape (E4) de calcul d'une différence de valeur d'amplitude ou d'une différence de valeur intégrale entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction, puis
- une étape (E5) de comparaison de ladite différence à un seuil. - Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première fonction (f1) définit une relation entre d'une part une moyenne sur l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans chaque étage et d'autre part une tension moyenne aux bornes de chaque étage du dispositif de stockage d'énergie.
- Procédé de détection selon l'une des revendication précédente, caractérisé en ce que ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage est une capacité incrémentale de cet étage.
- Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite plage de tension (P) comprend une limite inférieure (U_inf) et une limite supérieure (U_sup), la limite inférieure correspondant à un premier point d'inflexion (I1) de la première fonction et/ou la limite supérieure correspondant à un deuxième point d'inflexion (I2) de la première fonction, le premier point d'inflexion et le deuxième point d'inflexion étant positionnés de part et d'autre d'une valeur maximale (VM1) atteinte par la première fonction.
- Procédé de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première fonction atteint une valeur maximale (VM1) pour une valeur de tension donnée (U_VM1), et en ce que ladite plage de tension (P) comprend une limite inférieure (U_inf) et une limite supérieure (U_sup), la limite inférieure (U_inf) étant strictement supérieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale ou la limite supérieure (U_sup) étant strictement inférieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale.
- Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E6) de définition de ladite plage de tension (P) comprenant :
- une sous-étape (E61) de calcul d'un décalage de la première fonction (f1) comparativement à une précédente itération du procédé de détection, puis,
- une sous-étape (E62) de calcul d'une limite inférieure (U_inf) et d'une limite supérieure (U_sup) de la plage de tension en fonction du décalage précédemment calculé. - Procédé de détection selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première fonction (f1) et/ou ladite deuxième fonction (f2) sont déterminées :
- soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime lent, notamment un régime inférieur ou égal à C/5,
- soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime rapide, notamment un régime strictement supérieur à C/5, l'étape (E2, E3) de détermination de la première fonction et/ou de la deuxième fonction comprenant alors une sous-étape de filtrage de la grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage. - Procédé de détection selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite différence est égale :
- à la différence (A) entre une intégrale de la première fonction (f1) sur ladite plage de tension (P), et une intégrale de la deuxième fonction (f2) sur ladite plage de tension, ou
- à la différence entre une valeur maximale (VM1) de la première fonction (f1) sur ladite plage de tension et une valeur maximale de la deuxième fonction (f2) sur ladite plage de tension. - Procédé de détection selon l’une des revendications précédente, caractérisé en ce que ladite première fonction (f1) et/ou ladite deuxième fonction (f2) sont déterminées lors d'une charge ou une décharge partielle du dispositif de stockage d'énergie (1), ladite plage de tension (P) comprenant une limite inférieure (U_inf) correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie supérieur ou égal à 25% et/ou en ce que ladite plage de tension comprenant une limite supérieure (U_sup) correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie inférieur ou égal à 75%.
- Procédé de détection selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (E5) de comparaison de ladite différence à un seuil comprend :
- une sous-étape (E51) de comparaison de ladite différence à un premier seuil et à un deuxième seuil, le deuxième seuil étant strictement supérieur au premier seuil, puis
- une sous-étape (E52) de mémorisation d'un premier témoin d'alerte indiquant un risque modéré, si ladite différence est supérieure ou égale au premier seuil et strictement inférieur au deuxième seuil, et
- une sous-étape (E53) de mémorisation d'un deuxième témoin d'alerte indiquant un risque élevé, si ladite différence est supérieure ou égale au deuxième seuil .
- Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier seuil est déterminé en fonction d'une dispersion constatée de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage, et en ce que le deuxième seuil est déterminé en fonction d'une surcharge admissible par l’étage avant emballement thermique.
- Equipement de surveillance (5) d'un dispositif de stockage d'énergie (1) comprenant un ensemble d’étages (2) électrochimiques reliés électriquement en série, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels (6, 7, 8) et logiciels configurés pour mettre en œuvre le procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre du dispositif de stockage d'énergie selon l'une des revendications précédentes.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| FR2205038A FR3136114A1 (fr) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques |
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Applications Claiming Priority (2)
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| FR2205038 | 2022-05-25 | ||
| FR2205038A FR3136114A1 (fr) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques |
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| FR3136114A1 true FR3136114A1 (fr) | 2023-12-01 |
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ID=83189037
Family Applications (1)
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| FR2205038A Pending FR3136114A1 (fr) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques |
Country Status (2)
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| US20130335009A1 (en) * | 2012-06-19 | 2013-12-19 | Hitachi, Ltd. | Inspection System, Charger/Discharger, and Inspection Method of Secondary Battery |
| JP6607167B2 (ja) * | 2016-11-03 | 2019-11-20 | トヨタ自動車株式会社 | リチウムイオン二次電池の検査方法 |
| WO2021064030A1 (fr) * | 2019-10-01 | 2021-04-08 | Powerup | Procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie lithium-ion |
| JP2021182474A (ja) * | 2020-05-18 | 2021-11-25 | 日産自動車株式会社 | 二次電池の電解液量の減少を判定する判定装置及び判定方法 |
-
2022
- 2022-05-25 FR FR2205038A patent/FR3136114A1/fr active Pending
-
2023
- 2023-05-25 WO PCT/EP2023/064067 patent/WO2023227722A1/fr unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130335009A1 (en) * | 2012-06-19 | 2013-12-19 | Hitachi, Ltd. | Inspection System, Charger/Discharger, and Inspection Method of Secondary Battery |
| JP6607167B2 (ja) * | 2016-11-03 | 2019-11-20 | トヨタ自動車株式会社 | リチウムイオン二次電池の検査方法 |
| WO2021064030A1 (fr) * | 2019-10-01 | 2021-04-08 | Powerup | Procédé de détermination de l'état de santé d'une batterie lithium-ion |
| JP2021182474A (ja) * | 2020-05-18 | 2021-11-25 | 日産自動車株式会社 | 二次電池の電解液量の減少を判定する判定装置及び判定方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DONGPEI QIAN ET AL: "Research on consistency of Grouped lithium batteries Based on Capacity Increment Curve", ROBOTICS, INTELLIGENT CONTROL AND ARTIFICIAL INTELLIGENCE, ACM, 2 PENN PLAZA, SUITE 701NEW YORKNY10121-0701USA, 20 September 2019 (2019-09-20), pages 769 - 773, XP058445095, ISBN: 978-1-4503-7298-5, DOI: 10.1145/3366194.3366332 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023227722A1 (fr) | 2023-11-30 |
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