FR3166705A1 - Système de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique et procédé associé - Google Patents
Système de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique et procédé associéInfo
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Abstract
Système de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique et procédé associé
La présente invention concerne un système (10) de mesure physique au cœur d’un accumulateur (12) présentant deux bornes de puissance distinctes (16, 18), comprenant :
- un capteur capacitif (20) à l’intérieur dudit accumulateur ;
- un ensemble (22) d’éléments électriques externes audit accumulateur de sorte à former, avec ledit capteur capacitif (20), un circuit résonant dans une première plage de fréquence prédéterminée ;
- un module de mesure (26), externe audit accumulateur, configuré pour :
- exciter ledit circuit résonant, via un balayage en fréquence en pilotant une tension d’alimentation sur une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant ladite première plage;
- mesurer au moins une fréquence de résonance résultant de ladite excitation ;
- obtenir une valeur d’une grandeur physique interne dudit accumulateur à partir de ladite au moins une fréquence de résonance mesurée.
Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un système de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique présentant deux bornes de puissance distinctes.
La présente invention concerne également un procédé de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique présentant deux bornes de puissance distinctes.
L’invention se situe dans le domaine de la gestion de batteries et plus précisément celui des accumulateurs électrochimiques, tels que les accumulateurs électrochimiques Li-ion, les accumulateurs électrochimiques NiMH, les accumulateurs électrochimiques Pb, etc.
Plus précisément, la présente invention porte sur le contrôle d’au moins une grandeur physique interne d’un accumulateur électrochimique (i.e. également appelée cellule électrochimique), ladite grandeur physique interne correspondant par exemple à la température interne de l’accumulateur électrochimique considéré, à sa pression interne, à une déformation en surface, un étirement, l’état de charge, la concentration de ions Li+ (i.e. ions Lithium+), etc.
Actuellement, il existe déjà des solutions ayant pour objectif de collecter de l’information sur l’état interne d’une batterie correspondant à un ensemble d’accumulateurs électrochimiques, chaque accumulateur électrochimique présentant par nature deux bornes de puissances (i.e. électrodes) distinctes.
Par exemple, une première solution est basée sur la mesure de l’impédance interne de l’accumulateur électrochimique considéré, mais une telle mesure nécessite une mesure à quatre fils par accumulateur électrochimique ce qui est trop couteux à implémenter dans un pack de batterie comprenant une pluralité d’accumulateurs électrochimiques.
En effet, l’ajout de chacune des deux bornes de puissances (i.e. de électrodes) nécessaires pour faire une mesure à quatre fils, en sus des deux bornes de puissances (i.e. électrodes) propres à l’accumulateur électrochimique, est une source de coût supplémentaire, car cela nécessite non seulement du travail et/ou du développement pour garantir l’étanchéité de l’accumulateur électrochimique (i.e. la cellule électrochimique) autour de la borne de puissance (i.e. l’électrode) ajoutée, mais aussi le déploiement de connexions (i.e. fils) spécialement dédiées à la mesure entre la cellule et le système de gestion de batterie BMS (de l’anglaisBattery Management System).
Une deuxième solution porte sur l’insertion de fibres optiques dans la partie active de chaque accumulateur électrochimique mais cette deuxième solution nécessite d’avoir un système d’optique couteux, un collimateur et un analyseur de spectre pour extraire de l’information utile. De plus, cette instrumentation est intrusive au niveau de l’architecture (i.e. de l’enveloppe) de l’accumulateur électrochimique, ce qui engendre des problèmes supplémentaires tels que la gestion des fuites et la gestion de la corrosion associée.
D’autres solutions sont dites de type « Cellule intelligente» (i.e. de l’anglaissmart cell), à savoir basées sur l’introduction d’un microcontrôleur relativement puissant dans chaque accumulateur électrochimique (i.e. cellule électrochimique), et requérant l’établissement d’un canal de communication numérique entre l’accumulateur électrochimique considéré et l’extérieur, ce canal de communication étant filaire, capacitif, optique, par courant porteur, etc., ce qui est également complexe et onéreux à mettre en œuvre.
Autrement dit, les solutions existantes sont peu réalistes d’un point de vue techno-économique.
Le but de l’invention est alors de proposer une solution permettant de minimiser impact et coûts du contrôle d’au moins une grandeur physique interne d’un accumulateur électrochimique.
A cet effet, l’invention a pour objet un système de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique présentant deux bornes de puissance distinctes, ledit système comprenant au moins :
- au moins un capteur capacitif introduit à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, et connecté via chacune de ses extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes ;
- un ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique, ledit ensemble étant connecté via chacune de ses deux extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes de sorte à former, avec ledit au moins un capteur capacitif, au moins un circuit électrique résonant propre à résonner dans au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- un module de mesure, externe audit accumulateur électrochimique, configuré pour :
- exciter ledit au moins un circuit électrique résonant, via un balayage en fréquence en pilotant une génération de tension d’alimentation, au niveau desdites deux bornes de puissance distinctes, sur une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant ladite au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- mesurer au moins une fréquence de résonance résultant dudit balayage en fréquence d’excitation ;
- obtenir une valeur d’au moins une grandeur physique interne dudit accumulateur électrochimique à partir de ladite au moins une fréquence de résonance mesurée.
Ainsi, la présente invention propose de définir un nouveau type de capteurs permettant une intégration aisée au sein des accumulateurs électrochimiques. L’intégration de ce type de capteur est propre à être appliquée dès la conception de l’accumulateur électrochimique ou ultérieurement.
Avantageusement, la présente invention évite d’ajouter une borne de puissance (i.e. électrode) à l’accumulateur électrochimique, à part les bornes de puissances (i.e. électrodes) positive et négative déjà présentes.
Ainsi, la présente invention permet, en insérant, au sein de l’accumulateur électrochimique, un outil de diagnostic tel que le capteur capacitif proposé, dont la valeur de capacité varie en fonction de la grandeur physique interne à mesurer, de réaliser des contrôles non destructifs qui ne perturberont pas le bon fonctionnement électrochimique tout en ne modifiant pas l’agencement des bornes de puissances (i.e. électrodes) des éléments de batteries (i.e. accumulateurs électrochimiques) actuellement développés.
Ainsi la présente invention répond à la nécessité d’être au plus proche d’une réalisation à l’échelle industrielle.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le système de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- ledit ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique comprend au moins une résistance et au moins une inductance de sorte à former en série avec ledit au moins un capteur capacitif ledit au moins un circuit électrique résonant ;
- ledit au moins un capteur capacitif et chaque élément électrique dudit ensemble d’éléments électriques présentent des valeurs préalablement déterminées de sorte que la fréquence de résonance dudit au moins un circuit électrique résonant résultant appartient à une troisième plage de fréquence dans laquelle l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique est maximale ;
- le système comprend en outre, à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, un ensemble d’éléments de filtrage limitant la perturbation due à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique et/ou due à la présence d’au moins un équipement externe connecté audit accumulateur électrochimique ;
- ledit ensemble d’éléments de filtrage comprend quatre éléments inductifs insérés en série entre lesdites deux bornes de puissance distinctes dudit accumulateur électrochimique ;
- la valeur de chacun desdits éléments de filtrage inductifs est définie telle que la dynamique correspondant au rapport de ladite valeur sur ladite impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique soit dix fois inférieure à la dynamique initiale dudit accumulateur électrochimique déconnecté dudit système ;
- ledit système comprend au moins deux capteurs capacitifs distincts de sorte à former avec ledit ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique au moins deux circuits électriques résonants distincts propres à résonner dans au moins deux premières plages de fréquence prédéterminées disjointes, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant lesdites au moins deux premières plages de fréquence prédéterminées, les au moins deux fréquences de résonance résultantes mesurées associées auxdits au moins deux circuits électriques résonants distincts étant représentatives de deux grandeurs physiques internes distinctes dudit accumulateur électrochimique ;
- ledit au moins un capteur capacitif est formé par deux plaques de matériau conducteur propre à subir des déformations, en fonction de la température, supérieures à un seuil prédéterminé ;
- ledit au moins un capteur capacitif est au moins un élément appartenant au groupe comprenant :
- un condensateur ;
- un jauge de déformation capacitive;
- un diaphragme capacitif ;
- ledit ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique est déconnectable/reconnectable auxdites deux bornes de puissance distinctes.
L’invention concerne également un procédé de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique présentant deux bornes de puissance distinctes, comprenant au moins les étapes suivantes :
- introduction d’au moins un capteur capacitif à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, ledit au moins un capteur capacitif étant connecté via chacune de ses extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes ;
- connexion d’un ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique, via chacune de ses deux extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes, de sorte à former, avec ledit au moins un capteur capacitif, au moins un circuit électrique résonant propre à résonner dans au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- excitation dudit au moins un circuit électrique résonant, via un balayage en fréquence en pilotant une génération de tension d’alimentation, au niveau desdites deux bornes de puissance distinctes, sur une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant ladite au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- mesure d’au moins une fréquence de résonance résultant dudit balayage en fréquence d’excitation ;
- obtention d’une valeur d’au moins une grandeur physique interne dudit accumulateur électrochimique à partir de ladite au moins une fréquence de résonance mesurée.
Suivant un autre aspect avantageux de l’invention, le procédé de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique comprend en outre l’introduction à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, d’un ensemble d’éléments de filtrage limitant la perturbation due à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique et/ou due à la présence d’au moins un équipement externe connecté audit accumulateur électrochimique.
L’invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins dans lesquels :
LaFIG. 1 illustre un mode de réalisation d’un système 10 de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique 12. Sur laFIG. 1 , ledit accumulateur électrochimique 12 comprend, en son enveloppe, une partie active 14 et présente deux bornes de puissance distinctes (i.e. deux électrodes distinctes) 16 et 18.
Selon la présente invention, le système 10 de mesure physique au cœur de l’accumulateur électrochimique 12 comprend en outre au moins un capteur capacitif 20 propre à être mis en place (i.e. introduit) à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique 12 (i.e. à l’intérieur de son enveloppe, de son boitier), notamment lors de la fabrication dudit accumulateur électrochimique 12, et connecté via chacune de ses extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes 16 et 18. Autrement dit, selon un exemple, on construit directement l’accumulateur électrochimique 12 avec le capteur capacitif 20 à l’intérieur.
De plus, ledit système de mesure 10 comprend également un ensemble 22 d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique 12 (i.e. en dehors de son enveloppe, c’est-à-dire de son boitier), ledit ensemble 22 étant connecté, en parallèle tel qu’illustré par laFIG. 1 , via chacune de ses deux extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes 16 et 18 de sorte à former, avec ledit au moins un capteur capacitif 20, au moins un circuit électrique résonant propre à résonner dans au moins une première plage de fréquence prédéterminée.
Comme illustré également par laFIG. 1 , classiquement, une charge 24 est placée également en parallèle desdites deux bornes de puissance distinctes 16 et 18.
Le système de mesure 10 comprend en outre, selon la présente invention, un module de mesure 26, externe audit accumulateur électrochimique. Un tel module de mesure 26 est tout d’abord propre à exciter ledit au moins un circuit électrique résonant, via un balayage en fréquence en pilotant une génération de tension d’alimentation, au niveau desdites deux bornes de puissance distinctes 16 et 18, sur une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue (i.e. plage de balayage en fréquence) comprenant ladite au moins une première plage de fréquence prédéterminée (i.e. plage de résonance).
De plus, le module de mesure 26 est également propre à mesurer au moins une fréquence de résonance produite par ledit au moins un circuit électrique résonant excité par ledit balayage en fréquence d’excitation.
Le module de mesure 26 est en outre propre à obtenir une valeur d’au moins une grandeur physique interne dudit accumulateur électrochimique 12 à partir de ladite au moins une fréquence de résonance mesurée. Autrement dit, l’information utile pour la mesure de la grandeur physique interne souhaitée s’étudie en fréquence, la fréquence de résonance mesurée étant représentative de la grandeur physique interne associée au sein de l’accumulateur électrochimique 12. Par exemple, une table déterminée au préalable permet d’associer la valeur de fréquence de résonance mesurée à une valeur de ladite grandeur physique interne.
Ainsi, le système de mesure 10, selon la présente invention, utilise la capacité d’auto-résonance dudit au moins un circuit électrique résonant formé d’une part par ledit au moins un capteur capacitif 20 interne à l’accumulateur électrochimique 12 et d’autre part par un ensemble 22 d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique 12.
Pour ce faire, ledit au moins un capteur capacitif 20 implémenté, dudit au moins un circuit électrique résonant, est adressé (i.e. « interrogé ») en fréquence via ledit module de mesure 26 et non en courant continu, et est uniquement connecté entre les deux bornes de puissance 16 et 18 (i.e. électrodes de puissance), respectivement positive et négative, naturellement présentes pour connecter l’accumulateur électrochimique 12 (i.e. de la cellule électrochimique), ce qui évite toute borne de puissance additionnelle (i.e. d’électrode supplémentaire).
Ainsi, selon la présente invention, il est proposé d’utiliser un ou plusieurs capteurs capacitif(s) à l’intérieur de l’accumulateur électrochimique (i.e. de la cellule électrochimique), dont l’information utile s’étudie en fréquence, et faisant partie d’un circuit resonnant dont le reste 22 des composants se trouve à l’extérieur de la cellule, même à une distance considérable, comme par exemple sur le circuit imprimé (i.e. la carte PCB (de l’anglais printed circuit board) du système de gestion de batterie BMS (de l’anglaisBattery Management System) du module de la batterie. Ledit au moins un capteur capacitif, en variant sa valeur « électronique », c’est-à-dire sa valeur de capacité en fonction de la grandeur physique interne en jeu, notamment la température de son environnement, est ainsi propre à donner une information sur ce qui se passe à l’intérieur de l’accumulateur électrochimique (i.e. de la cellule électrochimique).
Le fait de pouvoir interroger à distance le capteur capacitif 20, et sans connectiques additionnelles, constitue un avantage considérable du point de vue d’une possible industrialisation, car cela laisse libre le constructeur de choisir l’emplacement dudit au moins un circuit résonant selon ce qui est le plus avantageux pour lui.
En complément facultatif, ledit ensemble 22 d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique est déconnectable/reconnectable auxdites deux bornes de puissance distinctes 16 et 18. Autrement dit, selon ce complément facultatif, il est également envisageable de n’implémenter qu’un seul circuit résonant, dont la connexion aux différents éléments de la batterie, à savoir les différents accumulateurs électrochimiques de la batterie, est aiguillée par multiplexage.
En outre, il est à noter qu’un tel capteur capacitif possède la qualité intrinsèque de ne pas laisser passer le courant continu et protège ainsi les deux bornes de puissance 16 et 18 contre tout court-circuit. Autrement dit la nature capacitive du capteur 20 permet d’éviter « naturellement » d’ajouter un système de blocage du courant continu contre les court-circuits propres à endommager les deux bornes de puissance 16 et 18 (i.e. électrodes) de de l’accumulateur électrochimique (i.e. de la cellule électrochimique).
En complément facultatif, tel qu’illustré par la suite par laFIG. 2 , ledit ensemble 22 d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique 12 comprend au moins une résistance et au moins une inductance de sorte à former en série avec ledit au moins un capteur capacitif ledit au moins un circuit électrique résonant.
Selon une première variante, ledit au moins un capteur capacitif 20 et chaque élément électrique dudit ensemble 22 d’éléments électriques présentent des valeurs préalablement déterminées de sorte que la fréquence de résonance dudit au moins un circuit électrique résonant résultant appartient à une troisième plage de fréquence dans laquelle l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique 12 est maximale.
Une telle première variante est intéressante, car si l’impédance résultante dudit accumulateur électrochimique 12 (i.e. l’impédance globale de l’accumulateur électrochimique après connexion aux éléments 20 et 22 de la présente invention) est élevée dans une plage de fréquences précises, et supérieure de plusieurs ordres de grandeurs par rapport à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique 12 à régime continu, alors le signal du résonateur (i.e. du circuit résonant) est propre à être naturellement peu atténué par l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique 12 (i.e. l’impédance naturelle de la cellule électrochimique 12 sans connexion aux éléments 20 et 22 de la présente invention), et reste exploitable en permanence, sans nécessiter l’ajout d’éléments de filtrage dédiés à protéger, le signal utile du résonateur, de la perturbation due à l’impédance naturelle de l’accumulateur électrochimique lui-même et/ou due à l’éventuelle présence d’un équipement externe connecté à l’accumulateur électrochimique, tel qu’un moteur, un chargeur, etc...
A titre d’alternative à la première variante, selon une deuxième variante, tel qu’illustré en pointillés sur laFIG. 1 et représenté en détail sur laFIG. 2 décrite par la suite, le système 10 de mesure physique selon la présente invention, comprend en outre optionnellement, à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique 12, un ensemble 28 d’éléments de filtrage limitant la perturbation due à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique et/ou due à la présence d’au moins un équipement externe connecté audit accumulateur électrochimique 12.
En complément facultatif de cette deuxième variante, tel qu’illustré par la suite par laFIG. 2 , ledit ensemble 28 d’éléments de filtrage comprend quatre éléments inductifs insérés en série entre lesdites deux bornes de puissance distinctes 16 et 18 dudit accumulateur électrochimique 12.
En option pour ce complément facultatif, la valeur de chacun desdits éléments de filtrage inductifs est définie telle que la dynamique correspondant au rapport de ladite valeur sur ladite impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique soit dix fois inférieure à la dynamique initiale dudit accumulateur électrochimique déconnecté dudit système.
Selon un autre complément facultatif, ledit système 10 comprend au moins deux capteurs capacitifs distincts de sorte à former avec ledit ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique au moins deux circuits électriques résonants distincts propres à résonner dans au moins deux premières plages de fréquence prédéterminées disjointes, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant lesdites au moins deux premières plages de fréquence prédéterminées, les au moins deux fréquences de résonance résultantes mesurées associées auxdits au moins deux circuits électriques résonants distincts étant représentatives de deux grandeurs physiques internes distinctes dudit accumulateur électrochimique.
En effet, sachant qu’un objet électronique peut présenter plusieurs fréquences de résonance, avec un choix astucieux de capteurs/composants, selon ce complément facultatif il est proposé d’introduire plusieurs capteurs capacitifs différents à l’intérieur de l’accumulateur électrochimique, par exemple un qui fait varier la fréquence de résonance autour de 10 kHz et l’autre autour de 100 kHz, rendant possible le discernement de l’origine (i.e. de la grandeur physique interne) associée au signal mesuré et donc d’obtenir deux informations distinctes, tel que par exemple la température et l’état de charge dudit accumulateur électrochimique.
Selon un autre complément facultatif, ledit au moins un capteur capacitif est formé par deux plaques de matériau conducteur propre à subir des déformations, en fonction de la température, supérieures à un seuil prédéterminé.
Autrement dit, ce complément facultatif consiste à utiliser un capteur capacitif sous forme simplifiée, correspondant à un condensateur qui varie sa capacité en fonction de la température, et propre à être réalisée de manière personnalisée (de l’anglaiscustom) au seul moyen de deux plaques de matériaux conducteur propres à subir des déformations importantes, c’est-à-dire supérieures à un seuil prédéterminé, en fonction de la température, les deux plaques étant de taille millimétrique ou micrométrique et voient ainsi leur capacité varier en fonction des dimensions des plaques, elles-mêmes fonction de la température. A noter que l’isolation électrique d’un tel capteur capacitif sous forme simplifiée à base de deux plaques de matériau conducteur reste obligatoire par rapport au reste de l’accumulateur électrochimique notamment de sa partie active 14, etc.
A titre d’alternative, selon un autre complément facultatif, ledit au moins un capteur capacitif est au moins un élément (ou combinaison d’éléments) appartenant au groupe comprenant :
- un condensateur ;
- un jauge de déformation capacitive;
- un diaphragme capacitif ;
- etc.
Le condensateur simple, par exemple un condensateur X7R ou similaire, ou la combinaison de plusieurs condensateurs simples, est propre, lorsqu’il rentre en résonance avec le reste des éléments externes de l’ensemble 22, à fournir une fréquence de résonance dont la valeur mesurée est associée à une valeur prédéterminée de température. Autrement dit, selon cet exemple où le capteur capacitif est un condensateur, la valeur de fréquence de résonance mesurée est représentative d’une valeur de température au sein de (i.e. au cœur de) l’accumulateur électrochimique considéré.
En effet, un condensateur est propre à voir varier sa valeur de capacité en fonction de la température, car tant que le diélectrique se trouve en dessous de sa température de Curie (i.e. point de Curie), sa capacité diminue sensiblement avec l’augmentation de la température, comme cela est notamment illustré au sein de l’URL suivante : https://product.tdk.com/en/contact/faq/capacitors-0148.html.
A noter que selon la présente invention, avantageusement, les condensateurs d’intérêt sont préférentiellement ceux dont la valeur de capacité est propre à varier significativement en fonction de la température de son environnement, alors même que généralement ces mêmes condensateurs sont qualifiés de « mauvaise qualité » dans le domaine de la réalisation de carte électroniques.
Par exemple, la variation attendue de tels condensateurs devrait être au minimum de 10% de sa valeur nominale pour une excursion en température couvrant la plage d’utilisation de ces condensateurs, afin d’avoir une variation assez importante pour être détectée.
Autrement dit, la présente invention propose,a contrario ,de tirer profit de cette caractéristique, habituellement non souhaitable, de variation de capacité significative en fonction de la température, en l’utilisant avantageusement comme un indicateur de la température interne de l’accumulateur électrochimique. A noter qu’une telle variation de capacité significative en fonction de la température est propre à chaque diélectrique constitutif du ou des condensateurs considéré(s), chaque type de diélectrique présentant une courbe de variation de capacité en fonction de la température qui lui est propre.
La jauge de déformation capacitive est quant à elle propre, lorsqu’elle rentre en résonance avec le reste des éléments externes de l’ensemble 22, à fournir une fréquence de résonance dont la valeur mesurée est associée à une valeur prédéterminée de déformation en surface, d’étirement au sein de (i.e. au cœur de) l’accumulateur électrochimique considéré.
Le diaphragme capacitif est propre, lorsqu’il rentre en résonance avec le reste des éléments externes de l’ensemble 22, à fournir une fréquence de résonance dont la valeur mesurée est associée à une valeur prédéterminée de pression au sein de (i.e. au cœur de) l’accumulateur électrochimique considéré.
LaFIG. 2 est une représentation schématique d’un exemple de circuit équivalent 30 au système de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique, selon la présente invention.
En effet, pour valider l’approche selon la présente invention, des simulations ont été réalisées en utilisant un circuit équivalent.
Selon l’exemple de laFIG. 2 , l’accumulateur électrochimique correspond notamment à une cellule Li-ion générique représentée par un circuit selon un « modèle RC » d’une batterie ayant une capacité de 3 à 5 Ampères-heure (i.e. 3,5 à 5Ah), composée par les éléments capacitifs : C1, C2, C3, résistifs : R1, R2, R3, R5, R6, inductifs : L1 et les générateurs de courant ou de tension B1, B2 et I1.
Par exemple, pour une cellule Li-ion générique d’une batterie ayant une capacité de 3 à 5 Ampères-heure, on considère les valeurs suivantes : C1=1000pF, C2=10µF C3=18000F, R1=0,1Ω, R2=0,1Ω, R3=0,1Ω, R5=10kΩ, R6=1mΩ, L1=1nH. En simulation, le comportement d’un circuit formé des seuls éléments précités a été simulé afin de vérifier que son comportement est cohérent notamment avec celui d’un accumulateur électrochimique de capacité d’environ 3,5Ah qui se décharge avec un ampère de courant constant. Il est à noter que les valeurs précitées sont indicatives et non restrictives, car utilisées en simulation sans forcément avoir de contrepartie physique directe.
Selon la présente invention, le circuit équivalent 30 comprend en outre spécifiquement les éléments du systèmes de mesure physique proposé à savoir ledit au moins capteur capacitif introduit à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique et représentés sur l’exemple de laFIG. 2 par le condensateur C4, dont la valeur est par exemple propre à varier en fonction de la température interne audit accumulateur électrochimique entre 80 et 120nF, et l’ensemble d’éléments électriques (i.e. de composants) externes audit accumulateur électrochimique correspondant représentés sur l’exemple de laFIG. 2 par la résistance R8, telle que par exemple R8=4Ω, (valeur utilisée par exemple en simulation, cette valeur déterminant l’amplitude du pic de résonance), et l’inductance L2, telle que par exemple L2=100mH.
Avec le condensateur C4 à l’intérieur de l’accumulateur électrochimique, les composants R8 et L2 externes audit accumulateur électrochimique forment, une fois connectés aux bornes de puissances dudit accumulateur électrochimique, le circuit résonateur dont la fréquence de résonance est représentative de la grandeur physique interne à mesurer au coeur de l’accumulateur électrochimique, telle que la température selon cet exemple.
A noter que la similation d’un circuit RLC formé uniquement des éléments C4, R8, et L2 avec la capacité de C4 variant entre 80 et 120nF, avec un pas de 5nF présente une fréquence de résonance comprise respectivement entre 1,7794 KHz et 1,453 KHz, ces valeurs étant représentatives de ce qu’on pourrait attendre un utilisant un condensateur de type X7R ou similaire soumis à une variation de température comparable à ce qui peut se passer au cœur d’une cellule Li-ion, et permettant d’obtenir la référence d’un comportement idéal de résonateur.
L’exemple de laFIG. 2 correspond en particulier à la deuxième variante précédemment citée où le système de mesure physique selon la présente invention, comprend en outre optionnellement, à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, un ensemble d’éléments de filtrage limitant la perturbation due à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique et/ou due à la présence d’au moins un équipement externe connecté audit accumulateur électrochimique. Cet ensemble d’éléments de filtrage, référencé 28 dans laFIG. 1 , correspond dans le circuit équivalent 30 de laFIG. 2 aux inductances L5, L6, L7 et L8 en série avec les bornes de puissances distinctes de l’accumulateur électrochimique et vise à s’affranchir d’une perturbation qui se rapproche d’un courant continu. Selon l’exemple de laFIG. 2 , la valeur de ces quatre inductances est par exemple de 100mH.
A noter que les inductances L5, L6, L7 et L8 ajoutées à titre de protection pour ne pas subir les perturbations dues à l’impédance propre de l’accumulateur électrochimique et/ou dues à ce qui y est connecté à l’extérieur requiert un dimensionnement selon lequel la valeur de chacun desdits éléments de filtrage inductifs L5, L6, L7 et L8 est définie telle que la dynamique correspondant au rapport de ladite valeur sur ladite impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique soit dix fois inférieure à la dynamique initiale dudit accumulateur électrochimique déconnecté dudit système de mesure selon la présente invention (i.e. sans les éléments C4, R8, L2, L5, L6, L7, L8 et V2).
A noter que la définition de « dynamique initiale » dépend de l’application. Par exemple, une accélération brutale d’un véhicule électrique demande un courant important en quelques dizaines de millisecondes, alors qu’une recharge de batterie ne demande que des profils lents.
Un tel dimensionnement revient, en pratique, à chercher un temps de montée du courant dans l’accumulateur électrochimique au maximum dix fois supérieur au temps initial lorsque que ledit accumulateur électrochimique est déconnecté dudit système de mesure selon la présente invention (i.e. sans les éléments C4, R8, L2, L5, L6, L7, L8 et V2), en considérant qu’on entend par « temps initial » le temps que le courant aurait mis à s’instaurer en l’absence des éléments L2, C4 et R8.
Autrement dit, le bon dimensionnement de l’ensemble des éléments de filtrage L5, L6, L7 et L8 est défini en se plaçant d’un point de vue « dynamique » de l’accumulateur électrochimique face à un appel de courant, afin de prendre en compte le besoin de ne pas dégrader les spécifications électriques de l’accumulateur électrochimique (i.e. de la cellule électrochimique), à savoir laisser passer le courant qui rentre ou qui sort de l’accumulateur électrochimique par le circuit de puissance.
En simulation, le comportement du circuit équivalent de laFIG. 2 a été comparé à celui du résonateur formé uniquement des éléments C4, R8, et L2, et il a été observé qu’il n’y a pas de différence substantielle et que la position en fréquence du pic de résonance est représentative de la valeur du capteur capacitif C4 placé à l’intérieur de la cellule, avec un décalage de l’ordre de 0.57 kHz vers les hautes fréquences. Plus précisément, un tel décalage de l’ordre de 0.57 kHz vers les hautes fréquences signifie que l’impédance de l’accumulateur électrochimique correspondant à une cellule Li-ion générique, correctement isolée par les composants spécifiquement dédiés à cette fonction, influence de manière négligeable la réponse fréquentielle du capteur capacitif C4, et la faisabilité d’introduire un capteur « capacitif » à l’intérieur de l’accumulateur électrochimique et de l’interroger en passant uniquement par ses bornes de puissance naturellement présentes.
Au vu de ce comportement, il est spécifiquement proposé selon la présente invention, via le module de mesure 26 de laFIG. 1 d’interroger ce capteur C4 avec un balayage en fréquence, en pilotant le générateur de tension V2 du circuit équivalent de laFIG. 2 sur une plage de fréquence bien définie, à savoir une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant ladite au moins une première plage de fréquence prédéterminée dans laquelle le circuit formé des éléments C4, R8, et L2 est propre à résonner. Avantageusement, la position du pic de résonance est, selon la présente invention, un indicateur de la température selon l’exemple de laFIG. 2 (ou de la grandeur physique interne en général pour d’autres types de capteur capacitif tels que cités précédemment) dont la mesure est requise (i.e. souhaitée).
On décrit désormais ci-après, en relation avec laFIG. 3 , un exemple de fonctionnement dudit système 10 de mesure physique.
Plus précisément, selon le mode de réalisation de la présente invention illustré par laFIG. 3 , le procédé 40 de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique présentant deux bornes de puissance distinctes comprend une première étape 42 d’introduction ICC d’au moins un capteur capacitif à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, ledit au moins un capteur capacitif étant connecté via chacune de ses extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes.
Optionnellement, tel que représenté en pointillés, notamment lorsque la deuxième variante précitée est mise en œuvre, le procédé 40 selon la présente invention comprend en outre une étape 44 d’introduction IEF à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, d’un ensemble d’éléments de filtrage limitant la perturbation due à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique et/ou due à la présence d’au moins un équipement externe connecté audit accumulateur électrochimique.
A noter que cette étape optionnelle 44 n’est pas mise en œuvre (i.e. n’a pas besoin d’être mise en œuvre) lorsque, tel que décrit précédemment, selon une première variante, ledit au moins un capteur capacitif et chaque élément électrique dudit ensemble d’éléments électriques externes formant, avec ledit au moins un capteur capacitif, au moins un circuit électrique résonant, présentent des valeurs préalablement déterminées de sorte que la fréquence de résonance dudit au moins un circuit électrique résonant résultant appartient à une troisième plage de fréquence dans laquelle l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique est maximale.
Avec ou sans l’option 44 précitée, le procédé 40 selon la présente invention comprend également une étape 46 de connexion C dudit ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique, via chacune de ses deux extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes, de sorte à former, avec ledit au moins un capteur capacitif, au moins un circuit électrique résonant propre à résonner dans au moins une première plage de fréquence prédéterminée.
Le procédé 40 selon la présente invention comprend en outre une étape 48 d’excitation E dudit au moins un circuit électrique résonant, via un balayage en fréquence en pilotant une génération de tension d’alimentation, au niveau desdites deux bornes de puissance distinctes, sur une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant ladite au moins une première plage de fréquence prédéterminée.
Le procédé 40 selon la présente invention comprend également une étape 50 de mesure M d’au moins une fréquence de résonance résultant dudit balayage en fréquence d’excitation.
Le procédé 40 selon la présente invention comprend enfin une étape 52 d’obtention OBT d’une valeur d’au moins une grandeur physique interne dudit accumulateur électrochimique à partir de ladite au moins une fréquence de résonance mesurée.
L’homme du métier comprendra que l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, ni aux exemples particulier de la description, les modes de réalisation et les variantes mentionnées ci-dessus étant propres à être combinés entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation de l’invention.
La présente invention, permet ainsi de fournir une mesure physique du cœur (i.e. de l’intérieur) d’un accumulateur électrochimique, via l’interrogation par balayage fréquentiel sur une plage précise et significative de fréquences, dans laquelle l’information recherchée, à savoir la fréquence de résonance d’un résonateur RLC, formé par ledit au moins un capteur capacitif et un ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique, est contenue, et permet avantageusement d’éviter l’ajout de borne(s) de puissance supplémentaire(s) dédiée(s) à la mesure et le coût associé.
Le fait de pouvoir interroger à distance ledit au moins un capteur capacitif, et sans connectiques additionnelles, constitue un avantage considérable du point de vue d’une possible industrialisation, car cela laisse libre le constructeur de choisir l’emplacement dudit au moins un circuit résonant selon ce qui est le plus avantageux pour lui.
Claims (12)
- Système (10) de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique (12) présentant deux bornes de puissance distinctes (16, 18), caractérisé en ce que ledit système comprend au moins :
- au moins un capteur capacitif (20) introduit à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, et connecté via chacune de ses extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes ;
- un ensemble (22) d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique, ledit ensemble étant connecté via chacune de ses deux extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes de sorte à former, avec ledit au moins un capteur capacitif (20), au moins un circuit électrique résonant propre à résonner dans au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- un module de mesure (26), externe audit accumulateur électrochimique, configuré pour :
- exciter ledit au moins un circuit électrique résonant, via un balayage en fréquence en pilotant une génération de tension d’alimentation, au niveau desdites deux bornes de puissance distinctes, sur une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant ladite au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- mesurer au moins une fréquence de résonance résultant dudit balayage en fréquence d’excitation ;
- obtenir une valeur d’au moins une grandeur physique interne dudit accumulateur électrochimique à partir de ladite au moins une fréquence de résonance mesurée. - Système (10) de mesure physique selon la revendication 1, dans lequel ledit ensemble (22) d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique (12) comprend au moins une résistance et au moins une inductance de sorte à former en série avec ledit au moins un capteur capacitif ledit au moins un circuit électrique résonant.
- Système (10) de mesure physique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un capteur capacitif (20) et chaque élément électrique dudit ensemble (22) d’éléments électriques présentent des valeurs préalablement déterminées de sorte que la fréquence de résonance dudit au moins un circuit électrique résonant résultant appartient à une troisième plage de fréquence dans laquelle l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique (12) est maximale.
- Système (10) de mesure physique selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre, à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique (12), un ensemble (28) d’éléments de filtrage limitant la perturbation due à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique et/ou due à la présence d’au moins un équipement externe connecté audit accumulateur électrochimique.
- Système (10) de mesure physique selon la revendication 4, dans lequel ledit ensemble (28) d’éléments de filtrage comprend quatre éléments inductifs insérés en série entre lesdites deux bornes de puissance distinctes dudit accumulateur électrochimique (12).
- Système (10) de mesure physique selon la revendication 5, dans lequel la valeur de chacun desdits éléments de filtrage inductifs est définie telle que la dynamique correspondant au rapport de ladite valeur sur ladite impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique soit dix fois inférieure à la dynamique initiale dudit accumulateur électrochimique déconnecté dudit système.
- Système (10) de mesure physique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit système (10) comprend au moins deux capteurs capacitifs distincts de sorte à former avec ledit ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique au moins deux circuits électriques résonants distincts propres à résonner dans au moins deux premières plages de fréquence prédéterminées disjointes, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant lesdites au moins deux premières plages de fréquence prédéterminées, les au moins deux fréquences de résonance résultantes mesurées associées auxdits au moins deux circuits électriques résonants distincts étant représentatives de deux grandeurs physiques internes distinctes dudit accumulateur électrochimique.
- Système (10) de mesure physique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un capteur capacitif est formé par deux plaques de matériau conducteur propre à subir des déformations, en fonction de la température, supérieures à un seuil prédéterminé.
- Système (10) de mesure physique selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 7, dans lequel ledit au moins un capteur capacitif (20) est au moins un élément appartenant au groupe comprenant :
- un condensateur ;
- un jauge de déformation capacitive;
- un diaphragme capacitif. - Système de mesure physique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique est déconnectable/reconnectable auxdites deux bornes de puissance distinctes.
- Procédé (40) de mesure physique au cœur d’un accumulateur électrochimique présentant deux bornes de puissance distinctes, comprenant au moins les étapes suivantes :
- introduction (42) d’au moins un capteur capacitif à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, ledit au moins un capteur capacitif étant connecté via chacune de ses extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes ;
- connexion (46) d’un ensemble d’éléments électriques externes audit accumulateur électrochimique, via chacune de ses deux extrémités à chacune desdites deux bornes de puissance distinctes, de sorte à former, avec ledit au moins un capteur capacitif, au moins un circuit électrique résonant propre à résonner dans au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- excitation (48) dudit au moins un circuit électrique résonant, via un balayage en fréquence en pilotant une génération de tension d’alimentation, au niveau desdites deux bornes de puissance distinctes, sur une deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue, ladite deuxième plage de fréquence prédéterminée étendue comprenant ladite au moins une première plage de fréquence prédéterminée ;
- mesure (50) d’au moins une fréquence de résonance résultant dudit balayage en fréquence d’excitation ;
- obtention (52) d’une valeur d’au moins une grandeur physique interne dudit accumulateur électrochimique à partir de ladite au moins une fréquence de résonance mesurée. - Procédé de mesure physique selon la revendication 11, comprenant en outre l’introduction (44) à l’intérieur dudit accumulateur électrochimique, d’un ensemble d’éléments de filtrage limitant la perturbation due à l’impédance interne propre uniquement audit accumulateur électrochimique et/ou due à la présence d’au moins un équipement externe connecté audit accumulateur électrochimique.
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| DE10258845A1 (de) * | 2002-12-17 | 2004-01-15 | Robert Bosch Gmbh | Sensoreinrichtung zur Ermittlung von Temperaturen |
| DE102017215144A1 (de) * | 2017-08-30 | 2019-02-28 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Vorrichtung und verfahren zum überwachen eines energiespeichers |
| US20190305387A1 (en) * | 2016-12-20 | 2019-10-03 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | High-Voltage Battery for a Motor Vehicle, in Particular a Car |
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