Brevet FR3027403A1 — publié le 20160422

Procédé pour diagnostiquer des défaillances dans un ensemble de batteries stationnaires La présente invention concerne un procédé pour diagnostiquer des défaillances dans un ensemble de batteries stationnaires. Elle s'applique notamment aux installations de stockage d'énergies d'origines renouvelables 5 de type éolien ou photovoltaïque. Dans le contexte actuel de consensus autour du réchauffement climatique, la diminution des émissions de dioxyde de carbone (CO2) est un 10 défi majeur auquel sont confrontés toutes les industries, notamment les producteurs d'énergie et les constructeurs automobiles, les normes étant toujours plus exigeantes en la matière. Dans le domaine de la construction automobile, outre l'amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, 15 qui s'accompagne d'une baisse des émissions de CO2, les véhicules électriques et les véhicules hybrides thermique-électrique sont aujourd'hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour diminuer les émissions de CO2. Dans la suite de la présente demande, l'expression « véhicules électriques » désigne indifféremment les véhicules électriques et 20 les véhicules hybrides thermique-électrique, y compris les véhicules hybrides rechargeables. Différentes technologies ont été envisagées pour concevoir des batteries de traction pour véhicule électrique, chacune présentant des avantages et des inconvénients. En particulier, la technologie lithium-ion (li- 25 ion) offre un excellent compromis entre densité d'énergie et densité de puissance, idéal aux applications automobiles. Mais sa mise en oeuvre n'est pas sans poser de nombreuses difficultés, tant pour des raisons techniques que pour des raisons économiques. En effet, les batteries li-ion utilisées pour la traction des véhicules électriques subissent une perte de capacité en 30 fonction du temps et en fonction des conditions d'usages. A partir d'un certain seuil de capacité, l'autonomie de ces batteries n'est plus suffisante pour un usage automobile et il faut procéder à leur remplacement. Malheureusement, le coût de stockage et de recyclage des batteries li-ion est très élevé et vient pénaliser la profitabilité économique de ces batteries. C'est pourquoi la demanderesse travaille à prolonger la durée de vie de ces batteries, en proposant de les utiliser pour d'autres applications, notamment des applications stationnaires de stockage d'énergie électrique renouvelable de type éolien ou photovoltaïque, en vue d'alimenter des bâtiments en énergie électrique. En effet, en allongeant la durée d'amortissement du coût de la batterie, cela permet d'absorber son coût de recyclage et donc d'augmenter sa profitabilité économique. Ainsi, la demanderesse a développé un système de stockage d'énergie pour alimenter des bâtiments en énergie électrique, ce système utilisant des batteries « recyclées » dans le sens où elles ont eu une première utilisation ou « première vie » dans des véhicules électriques. On parle ainsi de « seconde vie » pour ces batteries. Toutefois, comme les batteries ont déjà vieilli, un soin tout particulier doit être apporté à la maintenance du système pour assurer les niveaux de sécurité et de performance requis. Il s'agit là d'un problème que la présente invention se propose de résoudre. Le brevet EP2147323 divulgue un système de batteries stationnaires utilisé pour l'alimentation d'un bâtiment et comportant des moyens pour détecter des défaillances des batteries. Un inconvénient majeur de cette solution est qu'elle ne donne pas d'indication précise quant à l'origine des défaillances, laissant le travail de diagnostic précis à l'opérateur de maintenance. Il s'agit là encore d'un problème que la présente invention se propose de résoudre. La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients précités, notamment de fournir un diagnostic sur la réalisation de la consigne de charge ou de décharge de batteries stationnaires. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour détecter des défaillances dans un système de stockage d'énergie électrique comportant au moins une batterie. Le procédé comporte une étape d'application d'une consigne de charge ou de décharge à la batterie. Il comporte également une étape de mesure du courant traversant la batterie pendant l'application de cette consigne. Il comporte également une étape de calcul de m x n erreurs moyennes (eTj( .1,' ) Dans un mode de réalisation encore plus avantageux, le compteur C; peut être incrémenté si T; est une durée inférieure à un seuil prédéterminé et e; dépasse un seuil prédéterminé en ampères, ou si T; est une durée supérieure au seuil prédéterminé et le ratio entre e; et une erreur moyenne prédéterminée pour ladite durée T; dépasse un ratio prédéterminé. Par exemple, l'erreur moyenne eTi(t,') peut être calculée par : eTj( )= eRUS (t = Dans un mode de réalisation tout particulièrement avantageux, le procédé peut comporter une étape de levée d'une alerte de défaillance, l'alerte pouvant inclure d'indiquer, si T; seuili, que la défaillance a pour origine une défaillance de connectique, où seuili est un seuil temporel prédéterminé, si seuili T; seuil2, que la défaillance a pour origine une défaillance de capteur, où seuil2 est un seuil temporel prédéterminé, et si seuil2 Ti, que la défaillance a pour origine le vieillissement de la batterie. La présente invention a également pour objet un système de stockage d'énergie électrique d'origine renouvelable comportant au moins une batterie, ainsi que des moyens matériels et des moyens logiciels pour mettre en oeuvre un tel procédé pour détecter des défaillances. La présente invention a enfin pour objet un bâtiment comportant un tel système. t +T 1 - SUB t(T)- JCOflS(T))2dT La présente invention a pour principal avantage qu'elle permet non seulement de détecter les défaillances des batteries, mais également d'isoler les batteries défectueuses pour pouvoir les échanger, améliorant ainsi les performances, et de cibler la maintenance, améliorant ainsi les prestations offertes au client. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui illustrent : - la figure 1, par un digramme d'architecture, un exemple de système dans lequel l'invention peut être mise en oeuvre ; - les figures 2a, 2b, 2c et 2d, par des graphes, un principe de l'invention de comparer une consigne de charge avec la réalisation de cette consigne ; - les figures 3a, 3b et 3c, par des graphes, un exemple de réalisation du procédé selon l'invention. La figure 1 illustre un système 1 comportant une batterie 11 avec son système de contrôle de type BMS selon l'abréviation anglo-saxonne signifiant « Battery Management System », la batterie 11 étant reliée à un réseau R de distribution d'électricité par l'intermédiaire d'un système de charge et de décharge permettant de transformer un courant alternatif triphasé ou monophasé en courant continu, et vice-versa. Pour répondre aux besoins en courant du bâtiment, un contrôleur principal du système 12 joue le rôle de superviseur des différents modules du système. En particulier, le procédé selon l'invention peut y être implémenté. Il envoie notamment une consigne de puissance P de charge (respectivement de décharge) vers un chargeur 13 (respectivement vers un onduleur 14). Un module d'interface 15 permet les communications entre les calculateurs et les autres organes du système, via des réseaux de type ethercat, ethernet, CAN et Modbus, dont l'utilisation est bien connue. Un contrôleur 16 est dédié au diagnostic des problèmes électriques au niveau matériel : si un problème est détecté, par exemple un court circuit, le calculateur 16 ouvre des disjoncteurs non représentés sur les figures disposés entre le réseau R et le chargeur 13 et l'onduleur 14. Etant donnée la mesure de la tension U aux bornes de la batterie 11, la consigne de puissance P peut être interprété comme une consigne de courant I de charge (respectivement de décharge) via la relation P=Uxl. Un principe de l'invention illustré par les figures 2a à 2d est de comparer l'évolution au cours du temps 2 du courant mesuré lbat traversant réellement la batterie 11 avec la consigne de courant loens. Concrètement, l'invention propose de calculer l'erreur entre la consigne de courant 1"ns et le courant mesuré I. Ainsi, la figure 2a illustre cette comparaison dans un cas idéal sans défaillance : le courant mesuré lbat est illustré par une ligne continue alors que la consigne de courant 1"ns est illustrée par une ligne discontinue. L'erreur peut être calculée lorsque le système est en phase de charge ou lorsqu'il est en phase de décharge, ceci de façon indifférente. Un autre principe de l'invention est de calculer cette erreur dans des fenêtres temporelles glissantes de durées variables. Ceci permet de déduire la fréquence à laquelle la défaillance apparaît et de cibler le remède approprié en fonction de cette fréquence. Les figures 2b, 2c et 2d illustrent trois gammes de fréquence et donc trois types de défaillance qui peuvent être discriminées par l'invention : la figure 2b illustre les défaillances à hautes fréquences (elles se répètent souvent, par exemple 4 fois dans l'intervalle temporel considéré à la figure 2b), qui caractérisent un problème de connectique, la figure 2c illustre les défaillances à fréquences moyennes (elles se répètent moins souvent, par exemple 2 fois dans l'intervalle temporel considéré à la figure 2c), qui caractérisent les problèmes de capteurs, et la figure 2d illustre les défaillances à basses fréquences (elles sont permanentes dans l'intervalle temporel considéré à la figure 2d) qui caractérisent des problèmes de vieillissement. L'erreur moyenne entre le courant de consigne 1"ns et le courant mesuré lbat dans une fenêtre temporelle de durée T s'étendant entre un instant t et l'instant t+T peut par exemple être donnée par la moyenne quadratique : 111 t+T er (t)= - f(lBat (T)- 1""(T))2 dT T , où l'abréviation RMS signifie « Root Mean Square » selon la terminologie anglo-saxonne désignant la moyenne quadratique. Puis, l'erreur maximale sur toutes les fenêtres temporelle de durée T considérées est donnée par : ir (1) = max (eTRUS e (t)) Les figures 3a, 3b et 3c illustrent, pour un même profil de courant lbat donné en fonction du temps T, les étapes de calcul selon l'invention de l'erreur maximale el nTi). Tout d'abord, comme illustré par la figure 3a, une erreur er8(4) est calculée sur une première fenêtre temporelle de durée To entre un instant 15 t10 et un instant ti°+To. Un pas d'échantillonnage temporel At° est alors choisi pour faire glisser la fenêtre temporelle du premier instant t1° à un deuxième instant t20=t10+At°. Puis, une erreur eTRuo s(t2°) est calculée sur une deuxième fenêtre temporelle de durée To entre l'instant t2° et un instant t20+T0. Puis, une erreur eTRuo s(t3°) est calculée sur une troisième fenêtre temporelle de 20 durée To entre un instant t30=t20+At° et un instant t30+T0. Et ainsi de suite, jusqu'à calculer une erreur ers(t,°) sur une nième fenêtre temporelle de durée To entre un instant tn°=t1,1_10-FAt° et un instant tr,°+To. L'erreur maximale e8(T0) max (ers (ti)) est alors calculée. RAIS Ensuite, comme illustré par la figure 3b, une erreur eTi (41) est 25 calculée sur une première fenêtre temporelle de durée T1 plus longue que To entre l'instant t11 et un instant til+Ti. Un pas d'échantillonnage temporel At' est alors choisi pour faire glisser la fenêtre temporelle du premier instant t11 à un deuxième instant t21=t11+Atl. Puis, une erreur eTRui s(t21) est calculée sur une deuxième fenêtre temporelle de durée T1 entre l'instant t21 et un instant 30 t21+T1. Puis, une erreur eTRui s(t31) est calculée sur une troisième fenêtre temporelle de durée T1 entre l'instant t31 et un instant t31+T1. Et ainsi de suite, jusqu'à calculer une erreur ers(tni) sur une nième fenêtre temporelle de durée T1 entre l'instant tn1 et un instant tni+Ti. L'erreur maximale e8(T1) max (ers (ti1)) est alors calculée. Ensuite, comme illustré par la figure 3c, une erreur er8(42) est calculée sur une première fenêtre temporelle de durée T2 plus longue que T1 entre l'instant t12 et un instant t12+T2. Puis, une erreur er8(t22) est calculée sur une deuxième fenêtre temporelle de durée T2 entre l'instant t22 et un instant t22+T2. Puis, une erreur er8(t32) est calculée sur une troisième fenêtre temporelle de durée T2 entre l'instant t32 et un instant t32+T2. Et ainsi 10 de suite, jusqu'à calculer une erreur er8(tn2) sur une nième fenêtre temporelle de durée T2 entre l'instant tn2 et un instant tn2+T2. L'erreur maximale e8(J) max (ers (ti 2 )) est alors calculée. Le processus de calcul se poursuit ainsi m fois, jusqu'à calculer eZs(T.)= max (entim)) sur n fenêtres glissantes de durée Tm plus 15 longues que les fenêtres Tm-i. Le choix des durées Ti, pour 1 flei, dépend du temps de réponse du système, c'est-à-dire du temps nécessaire pour atteindre la consigne désirée. C'est le temps d'établissement du courant dans le cas présent. Dans l'exemple de réalisation qui suit, des durées T1=1 s, T2=1 OS, T3= 100s, 20 T4=1 000s et T5=3600s ont été choisies. A chaque fois que l'erreur maximale el n1;) , où 1 dépasse un seuil prédéfini, un compteur de confirmation C; est incrémenté : si le 25 compteur atteint lui-même un seuil prédéfinit par calibration, une défaillance est réputée détectée. Par contre, si au bout d'un certain délai prédéfini lui aussi, le seuil de confirmation n'est pas atteint, alors le compteur C; est remis à zéro. 30 Dans la suite de la présente demande, les termes défaut et défaillance sont utilisés indifféremment. Première série de fenêtres glissantes : - T0: 1 seconde (s) - At° : 20 millisecondes (ms) - Durée totale de l'observation entre t1° et tn°±To : 10 s - Chevauchement entre 2 fenêtres glissantes successives de durée T0: 400 ms - Nombre de confirmations au compteur Co avant détection d'un défaut : 30 confirmations - Temps avant remise à zéro du compteur Co si pas de défaut détecté : 30 minutes (min) Ce qui signifie qu'un défaut qui se reproduit chaque seconde peut être confirmé au plus tôt en 5 minutes et au plus tard en 15 heures. Deuxième série de fenêtres glissantes : - : 10 s - At1 : 200 ms - Durée totale de l'observation entre t11 et tr,l+Ti : 100 s - Chevauchement entre 2 fenêtres glissantes successives de durée T1: 4 s - Nombre de confirmations au compteur C1 avant détection d'un défaut : 15 défauts - Temps avant remise à zéro du compteur C1 si pas de défaut détecté : 1 heure (h) Ce qui signifie qu'un défaut qui se reproduit chaque seconde peut être confirmé au plus tôt en 25 minutes et au plus tard en 15 heures. Troisième série de fenêtres glissantes : - T2 : 1 00 S - At2 : 2 s - Durée totale de l'observation entre t12 et tn2+T2 : 1000 s - Chevauchement entre 2 fenêtres glissantes successives de durée T2 40s - Nombre de confirmations au compteur C2 avant détection d'un défaut : 5 défauts - Temps avant remise à zéro du compteur C2 si pas de défaut détecté : 5 h Ce qui signifie qu'un défaut qui se reproduit chaque seconde peut être confirmé au plus tôt en 80 minutes et au plus tard en 25 heures. Quatrième série de fenêtres glissantes : - T3 : 1000 S - At3 : 20 s - Durée totale de l'observation entre t13 et tn3+T3 : 5000 s - Chevauchement entre 2 fenêtres glissantes successives de durée T3: 400 s - Nombre de confirmations au compteur C3 avant détection d'un défaut : 3 défauts - Temps avant remise à zéro du compteur C3 si pas de défaut détecté : 8 heures Ce qui signifie qu'un défaut qui se reproduit chaque seconde peut être confirmé au plus tôt en 4 heures et au plus tard en 24 heures. Cinquième série de fenêtres glissantes : - T4 : 3600 s - At4 : 20 s - Durée totale de l'observation entre t14 et tn4+T4: 10800 s - Chevauchement entre 2 fenêtres glissantes successives de durée T4: 1440 s - Nombre de confirmations au compteur C4 avant détection d'un défaut : 2 défauts - Temps avant remise à zéro du compteur C4 si pas de défaut détecté : 12h Ce qui signifie qu'un défaut qui se reproduit chaque seconde peut être 5 confirmé au plus tôt en 6 heures et au plus tard en 24 heures. Pour les fenêtres de durées courtes, notamment de durées To, T1 et T2, la valeur absolue de l'erreur peut être considérée comme significative. Dans 10 ces cas, les erreurs eme(To), eme(T1) et eme(T2) peuvent être comparées, en vue d'incrémenter les compteurs Co, Clet C2 respectivement, à des seuils absolus en ampères (A), comme ST0=6A, STi =4A et ST2=2A respectivement. Alors que, pour les fenêtres de durées plus longues, notamment T3 et T4, la valeur absolue de l'erreur ne peut pas être considérée 15 comme significative. En effet, lorsqu'on travaille sur des courtes périodes, c'est-à-dire à hautes fréquences, on surveille les pics de courant élevés et on raisonne donc en valeur absolue de l'erreur. Alors que pour les fréquences plus faibles, on cherche à surveiller la performance du système et donc on raisonne en pourcentage de réalisation de la consigne, qui correspond 20 sensiblement à un rendement. Dans ces cas, ce sont les erreurs relatives eRAIS (T3)1 courant moyen T3 et eme (T4)I courant RAIS T41 où courant moyen T3 et courant RAIS T4 désignent les courants moyens sur 1 t+T3 -\ - I (Ic°ns (T))2 dT et 13 t les périodes T3 et T4 respectivement, calculés par 1 t+T I 4,T f(lcw's( ))2CIT respectivement, qui peuvent être comparées à des ratios 25 comme 0,8 et 0,75 respectivement. Il faut noter que la décroissance des valeurs des seuils est importante afin de pouvoir distinguer les diagnostics les uns des autres. En effet, un soin particulier doit être apporté à la calibration des seuils afin de pouvoir distinguer séparément les différents diagnostics. Par exemple, un dépassement de 20A sur une période de 1 30 seconde correspond à un dépassement de 2A sur une plage de 10 secondes. Ainsi, si le diagnostic doit être effectué sur la fenêtre de 1 seconde et non par la fenêtre de 10 secondes, alors le seuil de la fenêtre 10 seconde doit être supérieur à 2A. L'exemple de réalisation qui précède permet d'aider le personnel de 5 maintenance à prendre les décisions adéquates en fonction du type de la panne : - si une défaillance est détectée pour une durée T; de l'ordre de 1 à 10 secondes, alors le système peut être arrêté immédiatement et le personnel de maintenance peut être orienté vers des problèmes de 10 connectique (tests de continuité) ou des problèmes d'instabilité du système (mises à jours logicielle) ; - si une défaillance est détectée pour une durée T; de l'ordre de 100s, alors le personnel de maintenance peut être orienté vers des dérives de capteurs (changement de capteurs à prévoir) ; 15 - si une défaillance est détectée pour une durée T; de l'ordre de 1000 secondes ou plus, alors il s'agit probablement du phénomène de vieillissement et il faut alors prévoir de changer la batterie. 20 En fournissant un diagnostic précis quant à l'origine de la défaillance, un avantage supplémentaire de l'invention est donc de diminuer significativement les coûts de maintenance. REVENDICATIONS1. Procédé pour détecter des défaillances dans un système de stockage d'énergie électrique comportant au moins une batterie, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape d'application d'une consigne de charge ou de décharge à la batterie ; - une étape de mesure du courant traversant la batterie pendant l'application de ladite consigne ; - une étape de calcul de m x n erreurs moyennes (eT,(0), 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour tout j entre 1 et m et pour tout i entre 1 et n, tj ti" + At' où At' est un pas d'échantillonnage prédéterminé. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compteur C; est incrémenté si l'une des deux conditions suivantes est réalisée : - T; est une durée inférieure à un seuil prédéterminé et e; dépasse un seuil prédéterminé en ampères, ou ; - T; est une durée supérieure au seuil prédéterminé et le ratio entre e; et une erreur moyenne prédéterminée pour ladite durée T; dépasse un ratio prédéterminé. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'erreur moyenne t,,±T I s( rat (T) Fons (T))2 dT T , 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de levée d'une alerte de défaillance, ladite alerte incluant d'indiquer : - Si T; seuili, que la défaillance a pour origine une défaillance de connectique, où seuili est un seuil temporel prédéterminé ; - Si seuili T; seuil2, que la défaillance a pour origine une défaillance de capteur, où seuil2 est un seuil temporel prédéterminé ; - Si seuil2 Ti, que la défaillance a pour origine le vieillissement de la batterie. eTi(t ) est calculée par : eT (t )=eTme ( ) = 6. Système de stockage d'énergie électrique d'origine renouvelable comportant au moins une batterie, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens matériels et des moyens logiciels pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7. Bâtiment caractérisé en ce qu'il comporte un système selon la revendication précédente.