Brevet FR2987135A1 — publié le 20130823

PROCEDE DE DETERMINATION DU VIEILLISSEMENT D'UN SYSTEME DE STOCKAGE D'ENERGIE [1] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [2] L'invention concerne un procédé de détermination du vieillissement d'un système de stockage d'énergie, par exemple une batterie d'un véhicule. [3] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les véhicules automobiles dont le système de stockage d'énergie permet d'assurer l'alimentation de l'ensemble des consommateurs électriques du véhicule et de la machine électrique de traction dans le cadre d'un véhicule hybride ou électrique. [4] Le caractère général de l'invention permet toutefois de l'appliquer et de l'étendre à l'ensemble des moyens de stockage d'énergie électrique de tous les secteurs d'activités confondus. [05] ETAT DE LA TECHNIQUE [6] L'énergie électrique prend une place de plus en plus importante dans les véhicules pour un grand nombre d'applications dans les domaines des véhicules légers (véhicules hybrides et électriques) et ceux de transport urbain. Pour assurer la disponibilité de cette énergie électrique, on fait intervenir des systèmes de stockage d'énergie (« SSE ») embarqués. [7] Les caractéristiques physiques d'un SSE évoluent au cours du temps dégradant l'aptitude du SSE à accumuler et délivrer du courant. Cette dégradation se traduit par une baisse de performance du véhicule lié à une perte de son rendement. Dans le cas d'un véhicule hybride, une perte de rendement du SSE est défavorable sur la consommation du véhicule. Dans le cas d'un véhicule purement électrique, une mauvaise prédiction de la durée de vie d'un SSE peut même conduire à une immobilisation du véhicule. [8] Parallèlement à ces contraintes techniques, une mauvaise gestion de la durée de vie du SSE conduit à des surcouts à l'usage pour l'utilisateur qui doit remplacer le SSE. Une mauvaise prédiction de la durée de vie d'un SSE conduit également à un surcout pour le constructeur dans l'évaluation des contrats de garantie des SSE. [9] Les besoins en systèmes de stockages d'énergie électrique pour alimenter la chaine de traction nécessitent donc de connaitre parfaitement leur tenue en endurance dans le temps, c'est-à-dire le vieillissement en cyclage et calendaire. On entend par « vieillissement en cyclage d'un système de stockage », la réduction de son efficacité pour chaque cycle d'utilisation. Le mode de vieillissement calendaire correspond au vieillissement des SSE lorsqu'ils sont laissés au repos. [10] La validation de la tenue en endurance dans le temps nécessite d'appliquer un profil de courant sur le SSE qui soit représentatif d'une utilisation typique d'un utilisateur. L'état de l'art actuel met en évidence des profils de sollicitations clients déterminés de façon empirique sur la base de retour d'expérience. Dans le domaine d'application automobile, le SSE est sollicité suivant un profil d'usage client qui peut consister à une utilisation de type urbain long ou autoroutier. [11] Le principal inconvénient de ce type d'approche est que ces profils de sollicitations ne sont pas basés sur la définition d'essais représentatifs en terme d'endommagement de type client sur toute la durée de vie d'utilisation du SSE. Les résultats d'essais ne permettent pas de conclure sur la validation du SSE pour un usage client donné. En effet si le résultat du test est positif le SSE peut être surdimensionné. L'autre cas de figure est l'échec au passage de l'essai ; ce résultat peut conduire à remettre en cause la sévérité du profil de sollicitation appliqué au SSE. Dans les deux situations décrites les résultats d'essais ne permettent pas de conclure avec pertinence sur l'interprétation du résultat d'essai. [12] Un autre cas de figure consiste à appliquer des profils de sollicitations clients joués en temps réel pendant la phase d'essai. L'inconvénient de ce type de démarche est que leurs temps de réalisation n'est pas compatible des phases de développement qui sont de plus en plus réduites dans le temps en particulier dans le contexte automobile. [013] OBJET DE L'INVENTION [14] L'invention permet de déterminer un profil de sollicitation équivalent à appliquer lors des essais de validations des SSE plus simple dans son expression en comparaison avec une sollicitation temps réelle issue d'un usage clientèle. Par ailleurs, munie de la bonne connaissance de cette donnée l'invention permet de dimensionner au plus juste le SSE suivant le cahier des charges associé à son utilisation. L'invention permet également de prédire la durée de vie ainsi que les modes de défaillances du SSE lors de l'essai de validation. Ainsi, le SSE validé par l'invention présente un lo usage sécurisé et un dimensionnement optimisé. [15] L'invention concerne un procédé de détermination du vieillissement d'un système de stockage d'énergie, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : mesurer un signal de sollicitation du système de stockage d'énergie en fonction du temps, définir un signal de 15 sollicitation élémentaire comportant des paramètres variables, identifier des signaux de sollicitations élémentaires subies par le système de stockage d'énergie, le signal de sollicitation correspondant à un ensemble de signaux élémentaires, calculer une valeur d'endommagement élémentaire subi par le système de stockage d'énergie pour chaque signal de sollicitation 20 élémentaire, calculer une valeur de l'endommagement cumulé en réalisant la somme des valeurs d'endommagement élémentaire subi par le système de stockage d'énergie et déterminer un signal de sollicitation équivalent à la valeur de l'endommagement cumulé pour simuler le vieillissement du système de stockage d'énergie. 25 [016] Ainsi, l'invention a l'avantage de limiter la durée et la mise en oeuvre de l'essai et donc de proposer un procédé permettant de valider un SSE en cours de développement vis-à-vis de sa tenue en fatigue par cyclage (successions de charge / décharge). [017] Selon une réalisation, l'étape d'indentification des signaux de 30 sollicitations élémentaires subies par le système de stockage d'énergie est effectuée par une décomposition par paires en associant les minima croissants et les maxima décroissants de la mesure du signal de sollicitation du système de stockage d'énergie. [018] Selon une réalisation, le signal de sollicitation équivalent à la valeur de l'endommagement cumulé est déterminé à partir du calcul d'un endommagement élémentaire subi par le système de stockage d'énergie pour des signaux amplifiés de sollicitation élémentaire. [019] Selon une réalisation, le procédé comporte l'étape de mesurer le courant et la tension délivrés par le système de stockage d'énergie ainsi que la température du système de stockage d'énergie au moyen d'un calculateur, et l'étape de mesurer les signaux de sollicitation réelle du système de stockage d'énergie lors de l'utilisation du système de stockage d'énergie. [020] Selon une réalisation, le procédé comporte l'étape d'évaluer la valeur d'endommagement cumulé réel subi par le système de stockage d'énergie en fonction des signaux de sollicitation réelle. [21] Selon une réalisation, le procédé comporte l'étape d'évaluer la durée de vie restante du système de stockage d'énergie en fonction de la valeur de l'endommagement cumulé réel subi. [22] Selon une réalisation, le procédé comporte l'étape d'évaluer la sévérité d'utilisation du système de stockage d'énergie en fonction de la valeur de l'endommagement cumulé réel subi entre deux utilisations du système de stockage d'énergie. [023] Selon une réalisation, chaque signal de sollicitation élémentaire est défini comme un signal en forme de créneau comprenant une valeur moyenne, une amplitude et une période. [24] Selon une réalisation, l'étape de mesure des signaux de sollicitation consiste à mesurer l'évolution du courant débité par le système de stockage d'énergie en fonction du temps. [25] Selon une réalisation, l'étape de mesure des signaux de sollicitation consiste à mesurer l'évolution de la température du système de stockage d'énergie en fonction du temps. [26] BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [027] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [028] Figure 1 : un organigramme des étapes du procédé de détermination du vieillissement d'un SSE de l'invention ; [29] Figure 2 : une représentation temporelle d'une mesure d'un signal de sollicitation d'un SSE représentatif d'une utilisation typique du SSE ; [30] Figure 3 : une représentation temporelle d'un signal de sollicitation lo élémentaire de l'invention ; et [31] Figure 4 : une représentation de la valeur de l'endommagement élémentaire subi par un SSE en fonction de l'amplitude du signal de la sollicitation élémentaire et du nombre de cycles. [32] Les éléments identiques, similaires ou analogues, conservent les 15 mêmes références d'une figure à l'autre. [33] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION [34] Le vieillissement d'un SSE dépend des variations de courant délivré, des variations de son état de charge ou encore des variations de sa 20 température. Le vieillissement dépend également du type de SSE, de son architecture, de son environnement et du profil de sollicitation découlant de l'usage clientèle. Dans des conditions dites normales de fonctionnement, c'est-à-dire sans dépasser les limites spécifiées par le fournisseur (limites en tension, courant et température), il est possible d'identifier trois contraintes 25 fondamentales : le niveau de courant, la température et l'état de charge associé à la plage de variation du SSE. [35] Dans le cas d'un SSE d'un véhicule automobile, ces contraintes ne sont pas identiques en fonction du type de véhicule sur lequel le SSE sera embarqué. Si on prend l'exemple des véhicules Hybrides et Electriques, la 30 plage de variation de l'état de charge du SSE n'est pas la même, les régimes de charge et décharge sont aussi différents. Cependant, nous pouvons regrouper dans des classes ces contraintes et par conséquent faciliter l'étude de l'influence de chaque paramètre sur le vieillissement du SSE. [36] La Figure 1 montre que le procédé de détermination du vieillissement d'un SSE de l'invention comporte une étape 100 de mesure d'un signal de sollicitation du SSE. La mesure du signal de sollicitation peut être effectuée en fonction de la température du SSE, du courant ou de la tension délivrés. La Figure 2 montre un exemple de signal de sollicitation en courant Pref d'un SSE supposé être représentatif d'une utilisation client enregistrée sur une distance connue. Le profil de sollicitation du client présente un grand nombre de maxima et de minima dont l'amplitude est variable. [37] Afin de simplifier ce profil de sollicitation Pref client, on défini dans une étape 108 un signal de sollicitation élémentaire Si. Par exemple, chaque sollicitation élémentaire Si peut être définie par une amplitude l_a, une valeur moyenne l_m et une période t. La Figure 3 montre un exemple de signal de sollicitation élémentaire Si sous la forme d'un signal créneau d'amplitude l_a, de valeur moyenne l_m et de période t. Le rapport cyclique A est de 50% sur l'exemple de la Figure 3 mais en variante ce rapport cyclique peut également être modulable. En variante, la forme du signal de sollicitation élémentaire peut être sinusoïdale, triangulaire et peut comporter une modulation d'amplitude ou de phase. [38] Muni du signal temporel mesuré, on isole les cycles de courant élémentaires ou sollicitation élémentaire Si auxquels le SSE est soumis, par comptage. Par exemple, la méthode de comptage peut consister en une décomposition en quatre points par paires en associant les minima croissants et les maxima décroissants (dite méthode de « rainflow »). Les signaux temporels de sollicitation mesurés sont ainsi transformés en un ensemble de signal de sollicitation élémentaire Si d'indice i décrits par les triplets : fl_mi ; l_ai ; ni}. [39] Pour chaque signal de sollicitation élémentaire Si, on calcul dans une étape 102 la valeur d'endommagement élémentaire Ei du SSE. Afin de quantifier la notion d'endommagement lié à l'application de chacun des signaux de sollicitation élémentaire Si de courant vu par le SSE, il faut définir au préalable un critère de fin de vie. On considérera un SSE arrivée en fin de vie quand son état de vieillissement atteint une valeur limite préconisée par le fournisseur. Ce critère traduit son aptitude à répondre correctement aux besoins de l'application. Dans le cas d'une batterie Li Ion, on peut fixer la limite d'utilisation à 70 % (limite pour laquelle la diminution de la capacité ou de puissance est de 30% par rapport à l'état neuf). Pour chacun des signaux de sollicitations élémentaire Si, le SSE subit donc un certain endommagement définit par : Ei (%)=100* avec Ni étant le nombre de Ni cycles de la sollicitation mesurée 100. [40] Pour remonter à l'endommagement Et totale du SSE, il suffit de cumuler dans une étape 104 l'ensemble des valeurs d'endommagement élémentaire soit : Et =1E, . Le SSE atteint la fin de vie quand Et=100%. Ainsi, à partir du profil de sollicitation Pref, la valeur d'endommagement cumulé est estimé sur toute la durée de la sollicitation. En outre, la valeur d'endommagement élémentaire Ei correspondant à un grand nombre de signal de sollicitation élémentaire Si est représenté en fonction du nombre de cycles, par exemple sur une courbe de Wiihler. La Figure 4 montre un exemple de courbe de Wiihler comprenant un domaine 12 pour lequel le SSE est opérationnel et un domaine 13 pour lequel le SSE est hors d'usage. A partir de la courbe de Wiihler, on peut déterminer dans une étape 105 un profil de sollicitation simple équivalent à la même valeur d'endommagement Et que le profil de sollicitation Pref. [41] Cette invention peut être mise en oeuvre pour caractériser un SSE. Si la valeur d'endommagement cumulé Et est supérieur à 100%, alors le SSE a été sous-dimensionné. Son fonctionnement ne pourra pas être garanti sur toute la durée d'usage fixée. Il faut donc revoir la conception du SSE. En revanche, si la valeur d'endommagement cumulé Et est très inférieure 100%, alors le SSE a été surdimensionné. Des optimisations sont envisageables avec des gains en termes de coût, masse et volume. Finalement, si la valeur d'endommagement cumulé Et est proche de 100% (100%), alors le dimensionnement est optimal. En outre, il est possible de vérifier la solidité du SSE par application du profil équivalent simple défini. Cette invention permet ainsi un usage sécurisé et optimisé du fonctionnement d'un SSE. De plus, la simplicité du profil de sollicitation équivalent permet de diminuer le temps de réalisation des essais de validation des SSE et de réduire la puissance de calcul nécessaire. [042] En variante, la valeur d'endommagement élémentaire Ei représenté sur la courbe de Wiihler correspond à des signaux amplifiés de sollicitation élémentaire Si. Par exemple, l'amplitude du signal de sollicitation élémentaire est augmentée de 10 à 50%. Il est possible de retrouver le nombre de cycles à appliquer qui conduirait à la même valeur d'endommagement que le profil équivalent simple. Ainsi, le fait d'amplifier le signal de sollicitation équivalent permet de diminuer le nombre de cycles à appliquer sur le SSE et diminue le temps de réalisation de l'essai. L'intérêt apparait clairement lorsque que cette démarche est inscrite dans le cadre du cycle de développement d'un SSE et diminue les temps de développement de nouveaux SSE en agissant sur le compactage dans le temps de la phase de validation par essai de ce composant. [043] En variante, le SSE comporte un calculateur BMS apte à mesurer le courant et la tension délivrés par le SSE ainsi que la température du SSE. Le cumul de la valeur de l'endommagement Et enregistré est alors à situer à la solidité du SSE dimensionnée en phase de conception pour lequel Et=100 %. Cette variante permet de diagnostiquer de manière fiable le restant à vivre du SSE en comparant le ratio Et /Solidité Minimale. Ainsi, l'utilisateur client ou le professionnel aura une information sur la durée de vie restante du SSE avant son replacement et peut donc prévenir l'apparition de panne immobilisante de façon fiable. Dans le domaine automobile, cette mise en oeuvre permet également de rendre accessible une information sur l'état du SSE au conducteur et au superviseur dans le cadre d'un meilleur monitoring du SSE. De plus, cette mise en oeuvre diminue le coût à l'usage du SSE en préservant sa durée de vie pour le conducteur et le constructeur. [044] Dans le domaine automobile, l'invention trouve un usage particulièrement pertinent dans le cas de location de SSE pour des véhicules urbains de location. L'indicateur mis en place permet d'évaluer la sévérité d'utilisation du client dans l'utilisation du véhicule et donc dans l'évaluation de la conduite. En effet la durée de vie d'un SSE dépend fortement du type d'usage qui en ait fait. L'exploitant du parc des SSE en location peut suivre la déviation de la courbe réelle de la valeur d'endommagement par rapport à la courbe de référence. Il peut ainsi adapter sa politique tarifaire de location en fonction de cette déviation. De plus cet indicateur étant un reflet sur le type de conduite du conducteur, l'invention permet de mettre en oeuvre des moyens pour que le conducteur bénéficie de recommandations sur sa conduite. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination du vieillissement d'un système de stockage d'énergie, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : - mesurer (100) un signal de sollicitation (Pref) du système de stockage d'énergie en fonction du temps, - définir (108) un signal de sollicitation élémentaire (Si) comportant des paramètres variables (l_a, l_m, t), - identifier (101) des signaux de sollicitations élémentaires (Si) subies par le système de stockage d'énergie, le signal de sollicitation (Pref) correspondant à un ensemble de signaux élémentaires (Si), - calculer (102) une valeur d'endommagement élémentaire (Ei) subi par le système de stockage d'énergie pour chaque signal de sollicitation élémentaire (Si), - calculer (104) une valeur de l'endommagement cumulé (Et) en réalisant la somme des valeurs d'endommagement élémentaire (Ei) subi par le système de stockage d'énergie et - déterminer (105) un signal de sollicitation équivalent à la valeur de l'endommagement cumulé (Et) pour simuler le vieillissement du système de stockage d'énergie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'indentification (101) des signaux de sollicitations élémentaires (Si) subies par le système de stockage d'énergie est effectuée par une décomposition par paires en associant les minima croissants et les maxima décroissants de la mesure (100) du signal de sollicitation (Pref) du système de stockage d'énergie. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le signal de sollicitation équivalent à la valeur de l'endommagement cumulé (Et) est déterminé (105) à partir du calcul d'un endommagement élémentaire (Ei) subi par le système de stockage d'énergie pour des signaux amplifiés de sollicitation élémentaire (Si).35 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de mesurer le courant et la tension délivrés par le système de stockage d'énergie ainsi que la température du système de stockage d'énergie au moyen d'un calculateur (BMS), et l'étape de mesurer (100) les signaux de sollicitation réelle du système de stockage d'énergie lors de l'utilisation du système de stockage d'énergie. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape d'évaluer la valeur d'endommagement cumulé réel subi par le système de stockage d'énergie en fonction des signaux de sollicitation réelle. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape d'évaluer la durée de vie restante du système de stockage d'énergie en fonction de la valeur de l'endommagement cumulé réel subi. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape d'évaluer la sévérité d'utilisation du système de stockage d'énergie en fonction de la valeur de l'endommagement cumulé réel subi entre deux utilisations du système de stockage d'énergie. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque signal de sollicitation élémentaire est défini comme un signal en forme de créneau comprenant une valeur moyenne (l_m), une amplitude (l_a) et une période (t). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'étape de mesure (100) des signaux de sollicitation consiste à mesurer l'évolution du courant débité par le système de stockage d'énergie en fonction du temps. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'étape de mesure (100) des signaux de sollicitation consiste à mesurer l'évolution de la température du système de stockage d'énergie en fonction du temps. 20 25 30 35