WO2024008715A1 - 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

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 Download PDF

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WO2024008715A1
WO2024008715A1 PCT/EP2023/068390 EP2023068390W WO2024008715A1 WO 2024008715 A1 WO2024008715 A1 WO 2024008715A1 EP 2023068390 W EP2023068390 W EP 2023068390W WO 2024008715 A1 WO2024008715 A1 WO 2024008715A1
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WO
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function
extremum
sub
difference
energy storage
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/068390
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English (en)
Inventor
Arnaud Delaille
Bramy Pilipili Matadi
Original Assignee
Powerup
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Publication date
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/367—Software therefor, e.g. for battery testing using modelling or look-up tables
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    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health

Definitions

  • the invention relates to the field of monitoring energy storage devices comprising a set of stages of electrochemical cells, the stages being electrically connected in series, each stage comprising one to several electrochemical cells in parallel, in particular lithium-ion type cells. More specifically, the invention relates to a method for detecting a risk of failure by imbalance between the stages in series of such an energy storage device. The invention also relates to monitoring equipment configured to implement such a detection method.
  • Certain energy storage devices comprise a set of stages of electrochemical cells, in particular of the lithium-ion type, electrically connected in series in order to obtain a desired target voltage, each stage comprising one or more electrochemical cells electrically connected in parallel in order to obtain a desired target capacity.
  • SOC state-of-charge
  • cell imbalance a state-of-charge imbalance commonly called SOC (state-of-charge) can appear between the stages in series.
  • SOC state-of-charge
  • cell imbalance a state-of-charge imbalance
  • problems of state of charge dispersion during cell assembly problems of self-discharge dispersion, capacity, or even resistance between cells, which can themselves be the consequence of dispersion problems in cell manufacturing, or even dispersion problems in the conditions of use in operation leading to different aging kinetics.
  • these imbalances are most often corrected by an electronic balancing system. However, sometimes the imbalance is such that it cannot be compensated.
  • stage of electrochemical cells presenting a risk of imbalance, or already unbalanced generally has a voltage at its terminals which is significantly different from the voltage across the other stages and can thus be identified.
  • State of health indicators providing an indicator of the state of aging of an energy storage device or of a stage composing the energy storage device are also known. Such indicators are complex to calculate and do not make it possible to detect a risk of failure due to imbalance of at least one stage of electrochemical cells composing the energy storage device.
  • energy storage units In the same time, with the generalization of equipment embedding an energy storage unit, in particular motor vehicles embedding a lithium-ion battery, there is an increasingly large quantity of energy storage units, called energy storage units.
  • second life which can be used for stationary energy storage, in particular for storing electrical energy produced by an intermittent energy production source (for example solar or wind energy) with a view to restoring this energy gradually.
  • an intermittent energy production source for example solar or wind energy
  • These different energy storage units are gathered and electrically connected together to form a larger capacity energy storage device.
  • the energy storage units which make up such energy storage devices may have different levels of wear or age, the risk of observing an imbalance between the energy storage units is particularly important.
  • the aim of the invention is to provide a method for detecting a risk of failure due to imbalance of an energy storage device comprising a set of stages of electrochemical cells, the stages being electrically connected in series , the detection method remedying the above drawbacks and improving the detection methods known from the prior art.
  • a first object of the invention is a method making it possible to detect early a risk of failure due to imbalance of an energy storage device.
  • a second object of the invention is a method for detecting a risk of failure by imbalance which can be implemented during partial charging and/or discharging of the energy storage device.
  • the invention relates to a method for detecting a risk of failure due to imbalance of an energy storage device comprising a set of stages electrically connected together in series and made up of electrochemical cells electrically connected together. them in parallel, the detection method comprising:
  • a step of determining a first function characterizing correct operation of at least one stage the first function defining a relationship between on the one hand a quantity relating to a quantity of charges circulating in the at least one stage and d 'on the other hand a time elapsed during a charge or a discharge of the at least one stage,
  • the first function can define a relationship between on the one hand an average over all the stages of the energy storage device of a quantity relating to a quantity of charges circulating in each stage and on the other hand a time elapsed during a charge or discharge of all the stages of the energy storage device.
  • Said quantity relating to a quantity of charges circulating in a stage may be an incremental capacity of this stage.
  • the step of calculating a difference between said first function and said second function may include a sub-step of calculating an integral value of a difference between the first function and the second function.
  • the step of calculating a difference between said first function and said second function may include:
  • the step of calculating a difference between said first function and said second function may include:
  • the step of calculating a difference between said first function and said second function may include:
  • D_SOC D_T x l_avg / Q, where:
  • D_SOC designates the state of charge imbalance
  • D_T designates the difference between the charging or discharging duration at the end of which the first function reaches an extremum and the charging or discharging duration at the end of which the second function reaches a corresponding extremum
  • l_moy designates the average charging current
  • the step of calculating a difference between said first function and said second function may include:
  • Said first function and/or said second function can be determined:
  • the step of determining the first function and/or the second function then comprising a sub-step of filtering the quantity relating to a quantity of charges circulating in a stage.
  • the step of comparing said difference to a threshold may include:
  • the first threshold can be determined as a function of an observed dispersion of said difference, and the second threshold can be determined as a function of an admissible overload by at least one stage of electrochemical cells of the energy storage device.
  • the invention also relates to equipment for monitoring an energy storage device comprising a set of electrochemical stages electrically connected in series, the monitoring equipment comprising hardware and software means configured to implement implements the method of detecting a risk of failure by imbalance of the energy storage device as defined previously.
  • Figure 1 is a schematic view of an energy storage device to which monitoring equipment is connected according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a block diagram of a method for detecting a risk of failure due to imbalance of an energy storage device according to one embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a graph representing the incremental capacity of different stages of the energy storage device as a function of time elapsed during a charge of the energy storage device.
  • Figure 4 is a graph representing the incremental capacity of the different stages of the energy storage device as a function of the voltage across these stages during charging of the energy storage device.
  • FIG. 1 schematically illustrates an energy storage device 1 comprising a set of stages 2 of electrochemical cells electrically connected to each other. Stages 2 are electrically connected in series. Each stage 2 may comprise one or more electrochemical cells 3, also called “accumulators” or “rechargeable batteries”, electrically connected together in series and/or in parallel. Each cell 3 includes a positive electrode, or cathode, and a negative electrode, or anode. The cathodes of the different cells 3 are connected directly or indirectly to a positive terminal of a stage 2. Likewise, the anodes of the different cells 3 are connected directly or indirectly to a negative terminal of a stage 2. The positive and negative terminals of each stage 2 are connected respectively, directly or indirectly, to a positive and negative terminal of the energy storage device 1. The different stages can be removably assembled into the energy storage device such that it can be removed and/or replaced.
  • the energy storage device 1 comprises four stages 2 electrically connected in series.
  • Each stage 2 comprises six cells 3 electrically connected in parallel.
  • the number of stages 2 and/or cells 3 could be different.
  • all stages 2 include an identical number and arrangement of cells 3.
  • they can include substantially identical theoretical operating modes, in particular voltages at their terminals and a capacity which are comparable.
  • the stages 2 and/or the cells 3 composing the energy storage device 1 may optionally be respectively so-called second life stages and/or cells, that is to say stages and/or cells resulting from a re-manufacturing process after having been integrated into a first system.
  • the energy storage device 1 may be composed of a set of electric or hybrid automobile vehicle batteries. These batteries may have been used to store energy for the propulsion of the vehicle during a first life, then have been dismantled for a second life when the vehicle was used.
  • the energy storage device 1 may be intended to store electrical energy produced by an intermittent energy production source (for example solar or wind energy).
  • the cells 3 making up the energy storage device 1 are preferably lithium-ion type cells. In such cells, lithium ions can be reversibly exchanged between the positive electrode and the negative electrode. All cells 3 of the same energy storage device 1 preferably have the same chemical composition.
  • the negative electrode may comprise a material based on graphite (LixC6) or based on lithium titanate (LTO).
  • the positive electrode can be based on one of the following materials:
  • NMC Nickel Manganese Cobalt Oxide
  • NCA Nickel Cobalt Aluminum Oxide
  • the cells 3 making up the energy storage device 1 could be of the sodium-ion type.
  • the different cells 3 and the stages 2 which include the cells 3 are intended to operate in a balanced manner. The imbalance of a stage 2 can lead to loss of performance, or even a thermal runaway of this stage and therefore to a failure of the energy storage device 1.
  • the energy storage device 1 also includes an electronic control system 4, commonly referred to as BMS (acronym for "Battery Management”). System”), which is configured to control the state and/or operation of the energy storage device 1.
  • BMS battery Management
  • System Battery Management
  • the electronic control system 4 can be configured to control each cell 3 individually or a set of cells 3 interconnected they in the form of a stage 2.
  • the electronic control system 4 is configured to determine and/or measure the following data:
  • a large majority of batteries or energy storage units produced or in service throughout the world include an electronic control system 4 which is already configured to provide this data. It is therefore not necessary to modify the existing electronic control systems 4 to implement the invention.
  • the electric current passing through the energy storage device 1 is equal to the electric current passing through each of the stages 2.
  • the electronic control system 4 can also be configured to provide other data including the voltage across each stage of the energy storage device 1, the state of charge of the energy storage device 1 (commonly referred to as SOC), the state of health of the energy storage device 1 (commonly called SOH), etc.
  • the electronic control system 4 is connected via a data exchange network to monitoring equipment 5 according to one embodiment of the invention.
  • the monitoring equipment 5 notably comprises a memory 6, a microprocessor 7, an input/output interface 8 configured to receive data from the electronic control system 4 and configured to communicate with a man-machine interface 9, for example a computer equipped with a screen.
  • the memory 6 is a data recording medium comprising instruction codes which, when executed by the microprocessor 7, lead it to implement a method of detecting a risk of failure by imbalance of the energy storage device 1, according to one embodiment of the invention.
  • the monitoring equipment 5 can be connected to the electronic control system 4 via a data exchange network such as the Internet. Alternatively, the monitoring equipment 5 can be integrated into a box connected to the electronic control system 4 by a direct wire connection, or even be integrated into the electronic control system 4.
  • the method is based on data calculated or measured, by the electronic control system 4, during a charging or discharging phase of the energy storage unit 1.
  • the method does not require charging or discharging. complete discharge of the energy storage device 1.
  • only a partial charge or discharge is sufficient for the implementation of the method.
  • the method can be implemented during a charge or a discharge in which the state of charge of the energy storage device 1 varies between 25% and 75% of its total charge capacity.
  • the determination process can be broken down into five steps El, E2, E3, E4, E5 represented schematically in Figure 2.
  • a first step El the electronic control system 4 transmits to the monitoring equipment 5 the values of the following quantities:
  • These values can for example be transmitted in the form of time series, periodically and/or at the end of each charging or discharging phase of the energy storage device 1.
  • a first function fl is determined, characterizing correct operation of at least one stage 2.
  • correct operation we understand normal or nominal operation of at least a stage 2, that is to say the operation of a non-failing stage.
  • the first function fl is equal to an average function calculated on the basis of all the stages of the energy storage device 1. This first embodiment is therefore based on the hypothesis that the average of all stages is representative of correct operation.
  • the definition of the first function on the basis of an average of all the stages of the storage device makes it possible to make the detection method more robust, and in particular to maintain effective detection even when one of the stages presents an abnormally high voltage at its limits.
  • the first function fl is a mathematical function, representable on a graph such as the graph in Figure 3, and which can be defined by a set of points.
  • the first function defines a relationship between on the one hand a quantity relating to a quantity of charges circulating in at least one stage (represented on the ordinate in Figure 3), and on the other hand a time elapsed during a charge or of a discharge of at least one stage (shown on the abscissa in Figure 3, and expressed for example in hours).
  • the functions represented in Figure 3 are representative of a charge of the energy storage device: the state of charge increases as we progress along the abscissa axis. These functions can therefore be determined during a charging phase of the energy storage device. Alternatively, these functions can also be calculated during discharges of the energy storage device by reversing the orientation of the abscissa axis.
  • the quantity relating to a quantity of charges circulating in at least one stage is equal to an incremental capacity (dQ/dU, expressed for example in Ampere-hours per volt) of the at least a floor.
  • the incremental capacity of a stage is defined by a ratio of a charge quantity differential dQ of this stage to a voltage differential dU across this stage.
  • the quantity relating to a quantity of charge circulating in at least one stage could be defined differently. It could for example be equal to dU/dQ, or to a function derived from dQ/dU or dU/dQ. This function could even be defined so as to be independent of the voltage differential dU across this stage.
  • the first function fl can be determined in the following manner: first of all, a first intermediate function is calculated defining a relationship between the electric current I circulating in the energy storage device and the time elapsed during a period of charging or discharging the energy storage device. Then, a second intermediate function is calculated defining a relationship between a quantity of charges Q circulating in each stage and the elapsed time by integrating the first intermediate function over the charging or discharging period considered. This second intermediate function is combined with a third intermediate function establishing a relationship between the average voltage U_moy and the elapsed time. We can thus calculate a fourth intermediate function defining a relationship between the quantity of charges Q circulating in each stage and the average voltage U_moy.
  • this fifth intermediate function is combined with the third intermediate function establishing a relationship between the average voltage U_moy and the elapsed time t so as to obtain the first function fl.
  • the first function fl it is possible to determine for each stage the function defining the relationship between the incremental capacity of this stage and the elapsed time. Then, we can perform an arithmetic average of the functions determined for each stage. This method allows more precise detection but requires more computational resources because the calculations are repeated for each stage of the energy storage device. In addition, this method requires that the electronic control system 4 supplies the voltage across each stage of the energy storage device.
  • the at least one stage whose operation is correct could be defined as stage 2 whose voltage at its terminals is closest to the average voltage of the set of stages 2 of the energy storage device 1.
  • the first function could be defined differently, for example by means of a theoretical function or by identifying by any means one or more stages of the data storage device. energy 1 which functions correctly and by determining the relationship between the incremental capacity circulating in this or these stages and the time elapsed during a charge or a discharge.
  • a first function fl representative of normal operation of one or more stages.
  • This first function can be determined according to several different methods but which have the common point of defining a relationship between on the one hand a quantity relating to a quantity of charges circulating in a stage and on the other hand a time elapsed during a charging or discharging the energy storage device.
  • This first function is therefore a reference function and serves as a basis of comparison to determine whether a particular stage presents a risk of failure by imbalance.
  • a second function f2 is determined to be compared with the first function previously defined.
  • the second function f2 is a mathematical function, representable on a graph such as the graph in Figure 3, and which can be defined by a set of points.
  • the third step E3 can be executed before or after the second step E2 or in parallel with the second step E2.
  • the second function f2 defines a relationship between on the one hand the quantity relating to a quantity of charges circulating in the stage having the lowest voltage at its terminals among all the stages of the energy storage device and on the other hand a time elapsed during a charge or a discharge of this stage.
  • the quantity relating to the quantity of charges circulating in the stage having the lowest voltage at its terminals is equal to the incremental capacity of this stage.
  • the method for determining the second function f2 can be analogous to the method for determining the first function fl.
  • the second function f2 can be determined in the following manner: first of all, a first intermediate function is calculated defining a relationship between the electric current I circulating in the energy storage device and the time elapsed during a period of charging or discharging the energy storage device. Then, a second intermediate function is calculated defining a relationship between a quantity of charges Q circulating in the stage having the lowest voltage at its terminals and the time elapsed by integrating the first intermediate function over the charging or discharging period. This second intermediate function is combined with a third intermediate function establishing a relationship between the minimum voltage U_min and the elapsed time.
  • the graph on which the second function is representable is identical to the graph on which the first function is representable.
  • the form of the first function is the same as the form of the second function so as to allow a comparison of these two functions.
  • the quantity of charges circulating in each stage is calculated more precisely during a charging or discharging phase of the energy storage device at a slow speed, in particular a speed less than or equal to C /5, that is to say with a charging current allowing the energy storage device to be completely recharged in at least five hours.
  • the quantity of charges circulating in each stage can also be calculated during a charging or discharging phase of the energy storage device at a faster speed, in particular a speed strictly greater than C/5.
  • the steps E2 and E3 of determining the first function and/or the second function advantageously comprising a sub-step of filtering the quantity relating to a quantity of charges circulating in a stage.
  • the first function fl and the second function f2 are defined over a given charge or discharge period which may correspond to a partial charge or discharge of the energy storage device.
  • the period over which the first function fl and the second function f2 are defined can be restricted compared to the total duration necessary to completely charge or discharge the energy storage device, with the same charging regime, from a state of charge of 0% in the case of a charge or respectively from a state of charge of 100% in the case of a discharge.
  • the period over which the first function fl and the second function f2 are defined may be less than or equal to 75%, or even less than or equal to 50%, or even less than or equal to 25% of the total duration.
  • the period over which the first function fl and the second function f2 are defined is sufficient to identify at least one extremum of the first function and at least one extremum of the second function, or even at least two extremums of the first function and at least two extrema of the second function, or even three extrema of the first function and three extrema of the second function.
  • the first maximum value VM21 of the second function is generally less than or equal to the second maximum value VM22 of the second function.
  • the maximum values VMll and VM12 of the first function are strictly greater respectively than the maximum values VM21 and VM22 of the second function.
  • the durations Tll and T12 are strictly less than the durations T21 and T22 respectively.
  • the first function fl reaches a minimum value VM13 after a duration T13.
  • the second function f2 reaches a minimum value VM23 after a duration T23.
  • the minimum value VM13 is strictly less than the maximum value VM23 and that the duration T13 is strictly less than the duration T23.
  • the two maximum values VMll and VM12 and the minimum value VM13 constitute three extrema of the first function.
  • the two maximum values VM21 and VM22 and the minimum value VM23 constitute three extrema of the second function.
  • a difference is calculated between said first function fl and said second function f2.
  • the fourth step E4 comprises a sub-step of calculating an integral value of a difference between the first function fl and the second function f2.
  • This integral calculation can in particular be carried out over the entire period over which the first function and the second function are defined. This calculation therefore essentially amounts to calculating the area defined between the first function and the second function.
  • the integral calculation can be based on an absolute value of the difference between the first function fl and the second function f2.
  • the integral calculation of the periods where the first function is strictly greater than the second function is added to the integral calculation of the periods where the first function is strictly less than the second function.
  • An advantage of determining said difference on the basis of an integral calculation is that this method can be implemented over any charging or discharging period, including a partial charging or discharging period in which the functions fl and/or f2 do not reach all their extrema.
  • the detection method makes it possible to detect an imbalance even when the energy storage device undergoes incomplete charge and discharge cycles.
  • Another advantage of determining said difference on the basis of an integral calculation is that this method makes it possible to detect a difference even when the maximum values VMll and VM12 of the first function are substantially equal to the maximum values VM21 and VM22 of the second function ( we then only have a time shift between the two functions fl and f2). Likewise, this method makes it possible to detect a difference even when the durations Tll and T12 are substantially equal to the durations T21 and T22 of the second function (we then only have a shift in amplitude between the two functions fl and f2).
  • the difference between the first function fl and the second function f2 can be calculated by a difference in amplitude between these two functions.
  • the fourth step comprises a sub-step of estimating at least one extremum (in particular the values VMll, VM12 or VM13) reached by the first function, and a sub-step of estimating at least one extremum reached by the second function (respectively the values VM21, VM22 or VM23).
  • the fourth step E4 comprises a sub-step of calculating a difference between the extremum reached by the first function and the extremum reached by the second function.
  • This difference is therefore equal to VMll - VM21, or to VM12 - VM22, or even to VM13 - VM23.
  • the difference can also be equal to a result calculated based on the three differences to VMll - VM21, VM12 - VM22, and VM13 - VM23, or even equals a result calculated according to two differences among these three differences.
  • the difference between the first function fl and the second function f2 can be calculated by a temporal difference between the two functions fl and f2.
  • the fourth step comprises a sub-step of detecting an extremum VMll, VM12, VM13 reached by the first function fl followed by a sub-step of estimating the duration Til, T12, T13 of load or of discharge at the end of which the first function reaches its extremum.
  • the fourth step includes a sub-step for detecting an extremum VM21, VM22, VM23 reached by the second function, then a sub-step for estimating the duration T21 T22, T23 of load or of discharge at the end of which the second function reaches its extremum. Then, at least one of the differences T11 -T21, and/or T12 -T22, and/or T13 - T23 is calculated. The difference can thus be equal to Til - T21, or to T12 - T22, or even to T13 - T23.
  • the difference can also be equal to a result calculated according to the three differences at Til - T21, T12 - T22, and T13 - T23, or even equal to a result calculated according to two differences among these three differences.
  • This alternative embodiment has the advantage of detecting an imbalance between the stages which mainly results in a time difference between the two functions. We are thus able to detect an imbalance in the charging and discharging inertia of the different stages.
  • said difference between the first function and the second function can be equal to any result calculated as a function of all or part of the six differences VMll - VM21, VM12 - VM22, VM13 - VM23, TU - T21, T12 - T22, and T13 - T23.
  • a fifth step E5 the difference calculated during the fourth step is compared with a threshold. Then, if the difference is strictly greater than said threshold, a witness can be stored in the memory 6 of the monitoring equipment 5. This witness can be read by the man-machine interface 9. Then, the man-machine interface 9 can generate an alert message indicating that a stage of the energy storage device presents a risk of failure by imbalance.
  • the comparison of functions defining a relationship between a quantity relating to a quantity of charges circulating in a stage and a time elapsed at the during a charge or discharge of the energy storage device makes it possible to detect in a very early manner a drift warning of a risk of thermal runaway. It was thus observed energy storage devices 1 whose simple observation of the voltage at the terminals of the different stages did not make it possible to identify any anomaly several months before a failure occurred.
  • the implementation of the method according to the invention on this energy storage device makes it possible to identify a risk of failure due to imbalance several months before it occurs.
  • the detection method generally makes it possible to identify the stage of the energy storage device responsible for this anomaly. The stage in question can then easily be removed or replaced during a maintenance operation.
  • Figure 4 illustrates in a comparative manner two functions fl' and f2' respectively characterizing correct operation of at least one stage and the operation of a stage having the lowest voltage at its terminals among all the stages of the energy storage device.
  • the two functions fl' and f2' establish a relationship between an incremental capacitance dQ/dU (on the ordinate) and a voltage U across the stage concerned.
  • the functions fl' and f2' are constructed on the basis of the same energy storage device as previously described and during the same charging phase as that which made it possible to calculate the functions fl and f2 represented in Figure 3.
  • the fifth step E5 can comprise:
  • the first threshold is determined as a function of a normal dispersion of said quantity relating to a quantity of charges circulating in a stage.
  • the first threshold can thus be defined as equal to or slightly greater than the greatest difference (as calculated during step E4) observed over a sufficiently long period, with an energy storage device of which all stages are functioning correctly.
  • the first threshold can also correspond to a threshold beyond which the electronic control system 4 can no longer succeed in compensating for imbalances between the different stages of the energy storage device.
  • the second threshold can be determined as a function of an admissible overload by at least one stage of electrochemical cells of the energy storage device.
  • the admissible overload designates the percentage of loads that a floor is capable of supporting before irreversible degradation. In other words, if this difference exceeds the admissible overload, then a thermal runaway will definitely occur.
  • the fourth step E4 can comprise a sub-step of calculating an average charging current l_moy of the energy storage device between the moment when the first function fl reaches a extrema VMll, VM12, VM13 and the instant when the second function f2 reaches one of the corresponding extrema VM21, VM22, VM23.
  • the charging current I (the value of which is provided by the electronic control system 4) is substantially constant between these two instants and the average charging current l_moy is equal to this value.
  • the load current I may undergo certain variations between these two instants and in this case a time average can be calculated.
  • the fourth step E4 can include a sub-step of calculating a variation in state of charge D_SOC by means of a multiplication of the difference between the charging or discharging duration Til, T12, T13 at the end of which the first function reaches one of its extrema and the duration T21 T22, T23 of charge or discharge at the end of which the second function reaches the extremum VM21, VM22, VM23 corresponding with the average charging current l_moy.
  • the state of charge imbalance D_SOC is equal to a ratio between two quantities of charges and can be expressed as a percentage.
  • the state of charge imbalance D_SOC can be compared to a first threshold and a second threshold as explained previously.
  • the first threshold can for example be between 5% and 20%.
  • the second alert threshold strictly greater than the first alert threshold, can for example be between 20% and 40%.
  • the invention has the advantage of not requiring any prior characterization of the energy storage device or a similar energy storage device. Indeed, according to the invention, said function characterizing correct operation of at least one stage is established directly with the energy storage device for which a risk of failure by imbalance is sought to be detected. According to the invention, the operation of the stage having the lowest voltage at its terminals is compared with the operation of other stages of the same energy storage device.
  • the method according to the invention is therefore much simpler to implement than previously known detection methods.
  • the method can be implemented on any energy storage device comprising a set of stages electrically connected together in series, without characterization or calculation of theoretical good operation of this energy storage device.
  • the monitoring equipment implementing the detection method according to the invention is thus "plug-and-play", that is to say it is functional as soon as it is connected to the electronic control system of an energy storage device.

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Abstract

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 (3) reliées 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, - 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), - une étape (E4) de calcul d'une différence entre ladite première fonction (f1) et ladite deuxième fonction (f2), puis - une étape (E5) de comparaison de ladite différence à un seuil, ou plusieurs seuils.

Description

Titre de l'invention : 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 Domaine technique de l'invention
[0001] 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.
Etat de la technique antérieure
[0002] 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 entraînant 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] On connaît 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.
[0008] 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.
Présentation de l'invention [0009] 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.
[0010] Plus précisément, un premier objet de l'invention est un procédé permettant de détecter de manière précoce un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie.
[0011] Un deuxième 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.
Résumé de l'invention
[0012] 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 reliées 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 un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de l'au moins un étage,
- 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 un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de l'étage présentant la plus faible tension à ses bornes, puis
- une étape de calcul d'une différence entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction, puis
- une étape de comparaison de ladite différence à un seuil.
[0013] La première fonction peut définir une relation entre d'une part une moyenne sur l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie d'une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans chaque étage et d'autre part un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie.
[0014] Ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage peut être une capacité incrémentale de cet étage. [0015] L'étape de calcul d'une différence entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction peut comprendre une sous-étape de calcul d'une valeur intégrale d'une différence entre la première fonction et la deuxième fonction.
[0016] L'étape de calcul d'une différence entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction peut comprendre:
- une sous-étape d'estimation d'un extremum atteint par la première fonction,
- une sous-étape d'estimation d'un extremum atteint par la deuxième fonction, puis
- une sous-étape de calcul d'une différence entre l'extremum atteint par la première fonction et l'extremum atteint par la deuxième fonction.
[0017] L'étape de calcul d'une différence entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction peut comprendre:
- une sous-étape de détection d'un extremum atteint par la première fonction,
- une sous étape d'estimation d'une durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son extremum,
- une sous-étape de détection d'un extremum atteint par la deuxième fonction,
- une sous-étape d'estimation d'une durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son extremum,
- une sous-étape de calcul d'une différence entre la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son extremum et la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son extremum.
[0018] L'étape de calcul d'une différence entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction peut comprendre :
- une sous-étape de calcul d'un courant de charge moyen du dispositif de stockage d'énergie entre un instant où la première fonction atteint son extremum et un instant où la deuxième fonction atteint son extremum, puis
- une sous-étape de calcul d'un déséquilibre d'état de charge par la formule :
D_SOC = D_T x l_moy / Q, où :
D_SOC désigne le déséquilibre d'état de charge,
D_T désigne la différence entre la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint un extremum et la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint un extremum correspondant, l_moy désigne le courant de charge moyen, et
Q désigne la capacité totale restante de l'étage de cellules considéré, puis
- une étape de comparaison dudit déséquilibre d'état de charge à un seuil.
[0019] L'étape de calcul d'une différence entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction peut comprendre :
- une sous-étape d'estimation d'un premier extremum atteint par la première fonction, - une sous-étape d'estimation d'au moins un deuxième extremum atteint par la première fonction,
- une sous étape d'estimation d'une durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son premier extremum,
- une sous-étape d'estimation d'une durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son deuxième extremum,
- une sous-étape d'estimation d'un premier extremum atteint par la deuxième fonction,
- une sous-étape d'estimation d'au moins un deuxième extremum atteint par la deuxième fonction,
- une sous-étape d'estimation d'une durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son premier extremum,
- une sous-étape d'estimation d'une durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son deuxième extremum, puis :
- une sous-étape de calcul d'une différence entre le premier extremum de la première fonction et le premier extremum de la deuxième fonction, et/ou
- une sous-étape de calcul d'une différence entre le deuxième extremum de la première fonction et le deuxième extremum de la deuxième fonction, et/ou
- une sous-étape de calcul d'une différence entre la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son premier extremum et la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son premier extremum, et/ou
- une sous-étape de calcul d'une différence entre la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son deuxième extremum et la durée de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son deuxième extremum.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] Le premier seuil peut être déterminé en fonction d'une dispersion constatée de ladite différence, et le deuxième seuil peut être déterminé en fonction d'une surcharge admissible par au moins un étage de cellules électrochimiques du dispositif de stockage d'énergie.
[0023] 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.
Présentation des figures
[0024] 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 figure 1 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 figure 2 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 figure 3 est un graphique représentant la capacité incrémentale de différents étages du dispositif de stockage d'énergie en fonction du temps écoulé au cours d'une charge du dispositif du stockage d'énergie.
La figure 4 est un graphique représentant la capacité incrémentale des différents étages du dispositif de stockage d'énergie en fonction de la tension aux bornes de ces étages au cours d'une charge du dispositif du stockage d'énergie.
Description détaillée
[0025] La figure 1 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 dénommées "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.
[0026] Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1, 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.
[0027] 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).
[0028] 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.
[0029] 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 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 oeuvre l'invention.
[0030] 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...
[0031] 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.
[0032] 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.
[0033] 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 El, E2, E3, E4, E5 représentées schématiquement sur la figure 2.
[0034] Dans une première étape El, 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 haute 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.
[0035] Dans une deuxième étape E2, on détermine une première fonction fl, 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 fl est égale à une fonction moyenne 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. La définition de la première fonction 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. 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 la fonction de référence peuvent être proposées. [0036] D'une manière générale, la première fonction fl est une fonction mathématique, représentable sur un graphique tel que le graphique de la figure 3, et qui peut être définie par un ensemble de points. La première fonction définit une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans au moins un étage (représenté en ordonnées sur la figure 3), et d'autre part un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de l'au moins un étage (représenté en abscisse sur la figure 3, et exprimé par exemple en heures). En l'espèce, les fonctions représentées sur la figure 3 sont représentatives d'une charge du dispositif de stockage d'énergie : l'état de charge augmente lorsqu'on progresse sur l'axe des abscisses. Ces fonctions peuvent donc être déterminées au cours d'une phase de charge du dispositif de stockage d'énergie. En variante, ces fonctions peuvent aussi être calculées lors de décharges du dispositif de stockage d'énergie en inversant l'orientation de l'axe des abscisses. Dans l'hypothèse où ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans au moins un étage change de signe dans lors des phases de décharge comparativement aux phases de charge, on utilise avantageusement une valeur absolue de cette grandeur. Dans l'hypothèse où la première fonction fl est égale à une fonction moyenne calculée sur la base de l'ensemble des étages, ledit au moins un étage correspond à l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie 1.
[0037] Selon un mode de réalisation préféré, la grandeur relative à une quantité de charges circulant dans au moins un étage est égale à une capacité incrémentale (dQ/dU, exprimé par exemple en Ampères-heure par volt) de l'au moins un étage. La capacité incrémentale d'un étage est définie par un rapport d'un différentiel de quantité de charges dQ de cet étage sur un différentiel de tension dU aux bornes de cet étage. En variante, la grandeur relative à une quantité de charge circulant dans au moins un étage pourrait être définie différemment. Elle pourrait par exemple être égale à dU/dQ, ou à une fonction dérivée de dQ/dU ou de dU/dQ. Cette fonction pourrait même être définie de manière à être indépendante du différentiel de tension dU aux bornes de cet étage.
[0038] La première fonction fl peut être déterminée de la manière suivante : tout d'abord on calcule une première fonction intermédiaire définissant une relation entre le courant électrique I circulant dans le dispositif de stockage d'énergie et le temps écoulé au cours d'une période de charge ou d'une décharge du dispositif de stockage d'énergie. Ensuite, on calcule une deuxième fonction intermédiaire définissant une relation entre une quantité de charges Q circulant dans chaque étage et le temps écoulé en intégrant la première fonction intermédiaire sur la période de charge ou de décharge considérée. Cette deuxième fonction intermédiaire est combinée avec une troisième fonction intermédiaire établissant une relation entre la tension moyenne U_moy et le temps écoulé. On peut ainsi calculer une quatrième fonction intermédiaire définissant une relation entre la quantité de charges Q circulant dans chaque étage et la tension moyenne U_moy. Ensuite on calcule une cinquième fonction intermédiaire en dérivant la quatrième fonction intermédiaire relativement à la tension moyenne U_moy. La cinquième fonction intermédiaire est donc une fonction du type dQ/dU_moy = f(U_moy). Enfin, cette cinquième fonction intermédiaire est combinée avec la troisième fonction intermédiaire établissant une relation entre la tension moyenne U_moy et le temps écoulé t de manière à obtenir la première fonction fl. La première fonction est donc une fonction du type dQ/dU_moy = f(t).
[0039] Alternativement, pour déterminer la première fonction fl, on peut déterminer pour chaque étage la fonction définissant la relation entre la capacité incrémentale de cet étage et le temps écoulé. 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 car les calculs sont répétés pour chaque étage du dispositif de stockage d'énergie. 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.
[0040] 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.
[0041] 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 le temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge.
[0042] Finalement, à l'issue de la deuxième étape E2 on obtient une première fonction fl, 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 un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge du dispositif de stockage d'énergie. 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.
[0043] Dans une troisième étape E3, on détermine une deuxième fonction f2 destinée à être comparée avec la première fonction précédemment définie. De même que pour la première fonction fl, la deuxième fonction f2 est une fonction mathématique, représentable sur un graphique tel que le graphique de la figure 3, et qui peut être définie par un ensemble de points. La troisième étape E3 peut être exécutée avant ou après la deuxième étape E2 ou encore en parallèle de la deuxième étape E2. La deuxième fonction f2 définit une relation entre d'une part la 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 un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de cet étage. En particulier, selon le mode de réalisation préféré, la grandeur relative à la quantité de charges circulant dans l'étage présentant la plus faible tension à ses bornes est égale à la capacité incrémentale de cet étage.
[0044] La méthode de détermination de la deuxième fonction f2 peut être analogue à la méthode de détermination de la première fonction fl. La deuxième fonction f2 peut être déterminée de la manière suivante : tout d'abord on calcule une première fonction intermédiaire définissant une relation entre le courant électrique I circulant dans le dispositif de stockage d'énergie et le temps écoulé au cours d'une période de charge ou d'une décharge du dispositif de stockage d'énergie. Ensuite, on calcule une deuxième fonction intermédiaire définissant une relation entre une quantité de charges Q circulant dans l'étage présentant la plus faible tension à ses bornes et le temps écoulé en intégrant la première fonction intermédiaire sur la période de charge ou de décharge. Cette deuxième fonction intermédiaire est combinée avec une troisième fonction intermédiaire établissant une relation entre la tension minimale U_min et le temps écoulé. On peut ainsi calculer une quatrième fonction intermédiaire définissant une relation entre la quantité de charges Q circulant dans l'étage présentant la plus faible tension à ses bornes et la tension minimale U_min. Ensuite on calcule une cinquième fonction intermédiaire en dérivant la quatrième fonction intermédiaire relativement à la tension minimale U_min. La cinquième fonction intermédiaire est donc une fonction du type dQ/dU_min = f(U_min). Enfin, cette cinquième fonction intermédiaire est combinée avec la troisième fonction intermédiaire établissant une relation entre la tension moyenne U_min et le temps écoulé de manière à obtenir la deuxième fonction f2. La deuxième fonction est donc une fonction du type dQ/dU_min = f(t).
[0045] 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.
[0046] 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. [0047] La première fonction fl et la deuxième fonction f2 sont définies sur une période de charge ou de décharge donnée qui peut correspondre à une charge ou d'une décharge partielle du dispositif de stockage d'énergie. Ainsi, la période sur laquelle la première fonction fl et la deuxième fonction f2 sont définies peut être restreinte comparativement à la durée totale nécessaire pour charger ou décharger complètement le dispositif de stockage d'énergie, avec un même régime de charge, à partir d'un état de charge de 0% dans le cas d'une charge ou respectivement à partir d'un état de charge de 100% dans le cas d'une décharge. Par exemple, la période sur laquelle la première fonction fl et la deuxième fonction f2 sont définies peut être inférieure ou égale à 75%, voire inférieure ou égale à 50%, voire même inférieure ou égale à 25% de la durée totale. De préférence, la période sur laquelle la première fonction fl et la deuxième fonction f2 sont définies est suffisante pour identifier au moins un extremum de la première fonction et au moins un extremum de la deuxième fonction, voire au moins deux extremums de la première fonction et au moins deux extremums de la deuxième fonction, voire même trois extremums de la première fonction et trois extremums de la deuxième fonction.
[0048] Comme cela est bien visible sur la figure 3, lorsque la période sur laquelle la première fonction fl et la deuxième fonction f2 sont définies est suffisamment importante, la première fonction fl et la deuxième fonction f2 possède une allure spécifique : chacune de ces deux fonctions atteint successivement deux valeurs maximales, référencées VMll et VM12 pour la première fonction fl et VM21 et VM22 pour la deuxième fonction f2. Les valeurs maximales VMll, VM12, VM21 et VM22 sont atteintes respectivement au terme d'une durée Til, T12, T21 et T22. Lorsque la première fonction fl et la deuxième fonction f2 sont établies au cours d'une charge du dispositif de stockage d'énergie, la première valeur maximale VMll atteinte par la première fonction est généralement inférieure ou égale à la deuxième valeur maximale VM12 atteinte par la première fonction. De même, la première valeur maximale VM21 de la deuxième fonction est généralement inférieure ou égale à la deuxième valeur maximale VM22 de la deuxième fonction. Par ailleurs, on observe un décalage entre la première fonction fl et la deuxième fonction f2. En particulier, les valeurs maximales VMll et VM12 de la première fonction sont strictement supérieures respectivement aux valeurs maximales VM21 et VM22 de la deuxième fonction. De plus, les durées Tll et T12 sont strictement inférieures respectivement aux durées T21 et T22. Entre ses deux valeurs maximales VMll et VM12, la première fonction fl atteint une valeur minimale VM13 au terme d'une durée T13. De même, entre ses deux valeurs maximales VM21 et VM22, la deuxième fonction f2 atteint une valeur minimale VM23 au terme d'une durée T23. On note que la valeur minimale VM13 est strictement inférieure à la valeur maximale VM23 et que la durée T13 est strictement inférieure à la durée T23. Les deux valeurs maximales VMll et VM12 et la valeur minimale VM13 constituent trois extremums de la première fonction. De même, les deux valeurs maximales VM21 et VM22 et la valeur minimale VM23 constituent trois extremums de la deuxième fonction. De plus, on observe aussi qu'il existe des instants où la première fonction est strictement supérieure à la deuxième fonction et d'autres instants où la première fonction est strictement inférieure à la deuxième fonction.
[0049] Dans une quatrième étape E4, on calcule une différence entre ladite première fonction fl et ladite deuxième fonction f2. Il existe plusieurs manières de quantifier une telle différence. Selon un premier mode de réalisation, la quatrième étape E4 comprend une sous-étape de calcul d'une valeur intégrale d'une différence entre la première fonction fl et la deuxième fonction f2. Ce calcul intégral peut notamment être réalisé sur l'ensemble de la période sur laquelle la première fonction et la deuxième fonction sont définies. Ce calcul revient donc sensiblement à calculer l'aire définie entre la première fonction et la deuxième fonction. Avantageusement, le calcul intégral peut être basé sur une valeur absolue de la différence entre la première fonction fl et la deuxième fonction f2. Ainsi, le calcul intégral des périodes où la première fonction est strictement supérieure à la deuxième fonction s'additionne au calcul intégral des périodes où la première fonction est strictement inférieure à la deuxième fonction. On parvient ainsi à bien mettre en évidence les différences entre la première fonction et la deuxième fonction, ce qui permet d'améliorer la sensibilité de la détection. Un 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 période de charge ou de décharge, y compris une période de charge ou de décharge partielle dans laquelle les fonctions fl et/ou f2 n'atteignent pas tous leurs extremums. 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. Un autre avantage à déterminer ladite différence sur la base d'un calcul intégral est que cette méthode permet de détecter une différence même lorsque les valeurs maximales VMll et VM12 de la première fonction sont sensiblement égales aux valeurs maximales VM21 et VM22 de la deuxième fonction (on a alors uniquement un décalage temporel entre les deux fonctions fl et f2). De même, cette méthode permet de détecter une différence même lorsque les durées Tll et T12 sont sensiblement égales aux durées T21 et T22 de la deuxième fonction (on a alors uniquement un décalage en amplitude entre les deux fonctions fl et f2).
[0050] Selon un autre mode de réalisation de la quatrième étape E4, la différence entre la première fonction fl et la deuxième fonction f2 peut être calculée par une différence d'amplitude entre ces deux fonctions. Dans ce cas, la quatrième étape comprend une sous-étape d'estimation d'au moins un extremum (notamment les valeurs VMll, VM12 ou VM13) atteinte par la première fonction, et une sous-étape d'estimation d'au moins un extremum atteint par la deuxième fonction (respectivement les valeurs VM21, VM22 ou VM23). Ensuite, la quatrième étape E4 comprend une sous-étape de calcul d'une différence entre l'extremum atteint par la première fonction et l'extremum atteint par la deuxième fonction. Cette différence est donc égale à VMll - VM21, ou à VM12 - VM22, ou encore à VM13 - VM23. La différence peut aussi être égale à un résultat calculé en fonction des trois différences à VMll - VM21, VM12 - VM22, et VM13 - VM23, ou encore égale un résultat calculé en fonction de deux différences parmi ces trois différences.
[0051] En raison de la similitude d'allure de la première fonction et de la deuxième fonction, il convient de comparer respectivement les extremums VMll, VM12 et VM13 avec les extremums VM21, VM22 et VM23. Le calcul d'une différence entre des extremums non correspondants conduirait à un résultat aberrant qui peut être filtré pour ne pas faire reposer le procédé sur une telle comparaison. La mise en œuvre de la quatrième étape E4 par comparaison des valeurs maximales ou minimales atteintes par la première fonction et par la deuxième fonction présente l'avantage d'être économe en calcul et simple à mettre en œuvre.
[0052] Selon un autre mode de réalisation de la quatrième étape E4, la différence entre la première fonction fl et la deuxième fonction f2 peut être calculée par une différence temporelle entre les deux fonctions fl et f2. Dans ce cas, la quatrième étape comprend une sous-étape de détection d'un extremum VMll, VM12, VM13 atteint par la première fonction fl suivi d'une sous étape d'estimation de la durée Til, T12, T13 de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son extremum. De même pour la deuxième fonction : la quatrième étape comprend une sous-étape de détection d'un extremum VM21, VM22, VM23 atteint par la deuxième fonction, puis une sous étape d'estimation de la durée T21 T22, T23 de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son extremum. Ensuite, on calcule au moins une des différences T11 -T21, et/ou T12 -T22, et/ou T13 - T23. La différence peut ainsi être égale à Til - T21, ou à T12 - T22, ou encore à T13 - T23. La différence peut aussi être égale à un résultat calculé en fonction des trois différences à Til - T21, T12 - T22, et T13 - T23, ou encore égale un résultat calculé en fonction de deux différences parmi ces trois différences. Cette variante de réalisation présente l'avantage de détecter un déséquilibre entre les étages qui se traduit principalement par un décalage temporel entre les deux fonctions. On parvient ainsi à détecter un déséquilibre dans l'inertie de charge et de décharge des différents étages.
[0053] Selon encore une autre variante de réalisation de la quatrième étape, ladite différence entre la première fonction et la deuxième fonction peut être égale à tout résultat calculé en fonction de tout ou partie des six différences VMll - VM21, VM12 - VM22, VM13 - VM23, TU - T21, T12 - T22, et T13 - T23.
[0054] 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.
[0055] De manière avantageuse, la comparaison de fonctions définissant une relation entre une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage et un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge du dispositif de stockage d'énergie 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.
[0056] La figure 4 illustre de manière comparative deux fonction fl' et f2' caractérisant respectivement un fonctionnement correct d'au moins un étage et le fonctionnement d'un étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie. Les deux fonctions fl' et f2' établissent une relation entre une capacité incrémentale dQ/dU (en ordonnée) et une tension U aux bornes de l'étage concerné. Les fonctions fl' et f2' sont construites sur la base du même dispositif de stockage d'énergie que précédemment décrit et lors de la même phase de charge que celle ayant permis de calculer les fonctions fl et f2 représentées sur la figure 3. On observe que la différence entre la première fonction fl' et f2' sur la figure 4 est nettement moins perceptible que la différence entre les fonctions fl et f2 sur la figure 3. Notamment les fonctions fl et f2 sont décalées l'une de l'autre à la fois en abscisse et en ordonnée alors que les fonctions fl' et f2' sont décalées uniquement en ordonnées. Comparativement à une méthode basée sur des fonctions établissant une relation entre la capacité incrémentale et une tension, la méthode qui vient d'être décrite, basée sur des fonctions établissant une relation entre la capacité incrémentale et un temps écoulé de charge ou de décharge, permet de mieux mettre en évidence une différence de comportement entre les différents étages et donc de détecter de manière plus précoce un risque de défaillance.
[0057] 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 premiertémoin 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. [0058] 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 premier seuil peut aussi correspondre à un seuil au-delà duquel le système de contrôle électronique 4 ne peut plus parvenir à compenser des déséquilibres entre les différents étages du dispositif de stockage d'énergie.
[0059] Le deuxième seuil peut être déterminé en fonction d'une surcharge admissible par au moins un étage de cellules électrochimiques du dispositif de stockage d'énergie. La surcharge admissible désigne le pourcentage de charges qu'est capable de supporter un étage avant une dégradation irréversible. 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.
[0060] Selon un autre perfectionnement de l'invention, la quatrième étape E4 peut comprendre une sous-étape de calcul d'un courant de charge moyen l_moy du dispositif de stockage d'énergie entre l'instant où la première fonction fl atteint un des extremums VMll, VM12, VM13 et l'instant où la deuxième fonction f2 atteint un des extremums VM21, VM22, VM23 correspondant. De préférence, le courant de charge I (dont la valeur est fournie par le système de contrôle électronique 4) est sensiblement constant entre ces deux instants et le courant de charge moyen l_moy est égal à cette valeur. En variante, le courant de charge I peut subir certaines variations entre ces deux instants et dans ce cas une moyenne temporelle peut être calculée. Ensuite, la quatrième étape E4 peut comprendre une sous- étape de calcul d'une variation d'état de charge D_SOC au moyen d'une multiplication de la différence entre la durée Til, T12, T13 de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint un de ses extremums et la durée T21 T22, T23 de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint l'extremum VM21, VM22, VM23 correspondant avec le courant de charge moyen l_moy. Autrement dit, le déséquilibre d'état de charge D_SOC peut être calculé par la formule suivante : D SOC = D_T x l_moy / Q où Q désigne la capacité totale restante de l'étage de cellules concerné, c'est-à-dire la capacité totale de l'étage considéré lors de la mise en œuvre du procédé, et où D_T est égal au résultat de la soustraction T11-T21 ou T12-T22 ou T13-T23 . Ainsi, le déséquilibre d'état de charge D_SOC est égal à un rapport entre deux quantités de charges et peut être exprimé en pourcentage. Ensuite, lors d'une cinquième étape E5, on peut comparer le déséquilibre d'état de charge D SOC à un seuil, ou à plusieurs seuils pour quantifier le niveau de criticité de l'alerte. En particulier, le déséquilibre d'état de charge D_SOC peut être comparé à un premier seuil et à un deuxième seuil comme expliqué précédemment. Le premier seuil peut être par exemple compris entre 5% et 20%. Le second seuil d'alerte, strictement supérieur au premier seuil d'alerte, peut être par exemple compris entre 20% et 40%.
[0061] Finalement, grâce à l'invention, on dispose d'un procédé de détection précoce 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.
[0062] L'invention présente l'avantage de ne requérir aucune caractérisation préalable du dispositif de stockage d'énergie ou d'un dispositif de stockage d'énergie similaire. En effet, selon l'invention, ladite fonction caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage est établie directement avec le dispositif de stockage d'énergie dont on cherche à détecter un risque de défaillance par déséquilibre. Selon l'invention, on compare le fonctionnement de l'étage présentant la plus faible tension à ses bornes avec le fonctionnement d'autres étages du même dispositif de stockage énergie. Le procédé selon l'invention est donc beaucoup plus simple à mettre en œuvre que les procédés de détection préalablement connus. Le procédé peut être mis en œuvre sur tout dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d'étages reliés électriquement entre eux en série, sans caractérisation ou calcul d'un bon fonctionnement théorique de ce dispositif de stockage d'énergie. L'équipement de surveillance mettant en œuvre le procédé de détection selon l'invention est ainsi "plug-and-play", c'est-à-dire qu'il est fonctionnel aussitôt qu'il est relié au système de contrôle électronique d'un dispositif de stockage énergie.

Claims

Revendications ) 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 (3) reliées électriquement entre elles en parallèle, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape (E2) de détermination d'une première fonction (fl) 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 un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de l'au moins un étage,
- 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 un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de l'étage présentant la plus faible tension à ses bornes, puis
- une étape (E4) de calcul d'une différence entre ladite première fonction (fl) et ladite deuxième fonction (f2), 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 (fl) définit une relation entre d'une part une moyenne sur l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie d'une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans chaque étage et d'autre part un temps écoulé au cours d'une charge ou d'une décharge de l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie. ) Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, 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 l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (E4) de calcul d'une différence entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction comprend une sous-étape de calcul d'une valeur intégrale d'une différence entre la première fonction (fl) et la deuxième fonction (f2). ) Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (E4) de calcul d'une différence entre ladite première fonction (fl) et ladite deuxième fonction (f2) comprend :
- une sous-étape d'estimation d'un extremum (VM11, VM12, VM13) atteint par la première fonction,
- une sous-étape d'estimation d'un extremum (VM21, VM22, VM23) atteint par la deuxième fonction, puis
- une sous-étape de calcul d'une différence entre l'extremum (VMll, VM12, VM13) atteint par la première fonction et l'extremum (VM21, VM22, VM23) atteint par la deuxième fonction. ) Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (E4) de calcul d'une différence entre ladite première fonction (fl) et ladite deuxième fonction (f2) comprend :
- une sous-étape de détection d'un extremum (VMll, VM12, VM13) atteint par la première fonction (fl),
- une sous étape d'estimation d'une durée (Til, T12, T13) de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son extremum (VMll, VM12, VM13),
- une sous-étape de détection d'un extremum (VM21, VM22, VM23) atteint par la deuxième fonction (f2),
- une sous-étape d'estimation d'une durée (T21 T22, T23) de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son extremum (VM21, VM22, VM23),
- une sous-étape de calcul d'une différence entre la durée (Til, T12, T13) de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son extremum et la durée (T21 T22, T23) de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son extremum (VM21, VM22, VM23). ) Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape (E4) de calcul d'une différence entre ladite première fonction (fl) et ladite deuxième fonction (f2) comprend :
- une sous-étape de calcul d'un courant de charge moyen du dispositif de stockage d'énergie entre un instant où la première fonction atteint son extremum (VMll, VM12, VM13) et un instant où la deuxième fonction atteint son extremum (VM21, VM22, VM23), puis
- une sous-étape de calcul d'un déséquilibre d'état de charge par la formule :
D_SOC = D_T x l_moy / Q, où :
D_SOC désigne le déséquilibre d'état de charge,
D_T désigne la différence entre la durée (Til, T12, T13) de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint un extremum et la durée (T21 T22, T23) de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint un extremum (VM21, VM22, VM23) correspondant, l_moy désigne le courant de charge moyen, et
Q désigne la capacité totale restante de l'étage de cellules considéré, puis
- une étape (E5) de comparaison dudit déséquilibre d'état de charge à un seuil. ) Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (E4) de calcul d'une différence entre ladite première fonction (fl) et ladite deuxième fonction (f2) comprend :
- une sous-étape d'estimation d'un premier extremum (VMll) atteint par la première fonction,
- une sous-étape d'estimation d'au moins un deuxième extremum (VM12, VM13) atteint par la première fonction,
- une sous étape d'estimation d'une durée (Tll) de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son premier extremum (VMll),
- une sous-étape d'estimation d'une durée (T12, T13) de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son deuxième extremum (VM12, VM13),
- une sous-étape d'estimation d'un premier extremum (VM21) atteint par la deuxième fonction,
- une sous-étape d'estimation d'au moins un deuxième extremum (VM22, VM23) atteint par la deuxième fonction,
- une sous-étape d'estimation d'une durée (T21) de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son premier extremum (VM21),
- une sous-étape d'estimation d'une durée (T22, T23) de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son deuxième extremum (VM22, VM23), puis :
- une sous-étape de calcul d'une différence entre le premier extremum (VM11) de la première fonction et le premier extremum (VM21) de la deuxième fonction, et/ou
- une sous-étape de calcul d'une différence entre le deuxième extremum (VM12, VM13) de la première fonction et le deuxième extremum (VM22, VM23) de la deuxième fonction, et/ou
- une sous-étape de calcul d'une différence entre la durée (Tll) de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son premier extremum (VM11) et la durée (T21) de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son premier extremum (VM21), et/ou
- une sous-étape de calcul d'une différence entre la durée (T12, T13) de charge ou de décharge au terme de laquelle la première fonction atteint son deuxième extremum (VM12, VM13) et la durée (T22, T23) de charge ou de décharge au terme de laquelle la deuxième fonction atteint son deuxième extremum (VM22, VM23). ) Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première fonction (fl) 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. 0) 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. 1) Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier seuil est déterminé en fonction d'une dispersion constatée de ladite différence, et en ce que le deuxième seuil est déterminé en fonction d'une surcharge admissible par au moins un étage de cellules électrochimiques du dispositif de stockage d'énergie. 2) 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.
PCT/EP2023/068390 2022-07-04 2023-07-04 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 WO2024008715A1 (fr)

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PCT/EP2023/068390 WO2024008715A1 (fr) 2022-07-04 2023-07-04 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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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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