Brevet FR3125922A1 — publié le 20230203

Titre : Procédé de diagnostic d’une batterie et procédé de contrôle associé L’invention concerne le domaine des systèmes de contrôle de batteries (ou BMS pour « Battery Management System » en anglais). Elle trouve pour application particulièrement avantageuse la gestion de cellules, modules ou pack de stockage électrochimique de l’énergie. Le postulat qui préside au modèle proposé est que, d’une manière simplifiée, la forme de la tension en décharge suit une courbe unique à une homothétie et une translation près, quel que soit le régime de décharge. Une simplification et une amélioration du diagnostic et du contrôle du comportement d’une batterie (état de charge / état de santé, par exemple) et donc de sa gestion, notamment lorsque de grandes profondeurs de décharge et/ou des régimes élevés sont mis en œuvre, sont avantageusement atteintes. En effet, l’estimation des valeurs d’état de charge de la batterie à partir des mesures de tension et courant en décharge en est grandement facilitée. Procédé de diagnostic d’une batterie et procédé de contrôle associé La présente invention concerne le domaine des systèmes de contrôle de batteries (ou BMS pour « Battery Management System » en anglais). Elle trouve pour application particulièrement avantageuse la gestion de cellules, modules ou pack de stockage électrochimique de l’énergie. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le cadre de la présente invention, le terme « batterie » désigne un dispositif fermé de stockage électrochimique de l’énergie. En référence à la annexée, un tel dispositif 11 peut comprendre une ou plusieurs cellules 111, voire un ou plusieurs modules 112, et constitué le cas échéant un pack 113. Le terme « batterie » couvre donc une unique cellule 111, un ensemble de cellules 111 et/ou de modules 112, quels que soient leur nombre ou leur(s) arrangement(s) électrique(s) (avec selon les cas éventuellement une mise en série et/ou parallèle de cellules/modules). En outre, ce terme inclut aussi bien un dispositif rechargeable (accumulateur ou « secondary battery » en anglais) qu’un dispositif non rechargeable (pile ou « primary battery » en anglais). De manière usuelle, les applications utilisant une batterie font appel à un système de contrôle/gestion de cette batterie. Les indicateurs classiquement disponibles pour assurer la gestion de la batterie sont les valeurs mesurées de tension, de courant, et éventuellement de température, au niveau de chaque cellule, et/ou au niveau de chaque module, et/ou au niveau du pack suivant les arrangements (nombre, montage(s) en série et/ou en parallèle, etc.) de la batterie. Ces indicateurs sont le plus souvent utilisés dans des modèles implémentés par le système de contrôle et permettant d’estimer l’état de la batterie (état de charge, état de santé par exemple) pour aider à la prise de décisions quant à sa gestion subséquente. On appellera par la suite procédé de diagnostic les étapes permettant la définition et le calibrage d’un tel modèle. L’architecture d’un drone aérien 1 (comprenant au moins un moteur 12 et au moins une hélice 13) embarquant un système de contrôle 10 d’une batterie 11 est par exemple telle qu’illustrée schématiquement sur la annexée. Une alimentation électrique externe 2 est utilisée pour recharger la batterie 11. Les solutions de contrôle/diagnostic existantes présentent au moins l’un des inconvénients suivants : Elles requièrent la réalisation de nombreuses expériences préalablement à leur utilisation effective, Elles nécessitent de stocker et traiter un grand nombre de données, Elles nécessitent un temps d‘analyse long, Elles ne permettent pas d’identifier des déséquilibres (ou hétérogénéités) entre cellules et/ou modules, Elles sont d’autant moins performantes que les cellules ou les modules à gérer sont vieillissants, et Elles conduisent, par leur manque de performance, à surdimensionner les installations qu’elles gèrent, en particulier quand ces installations sont destinées à être utilisées pour fournir, par périodes, de fortes puissances. Un objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de contrôle d’une batterie qui permette de palier au moins un des inconvénients susmentionnés. Plus particulièrement, un objet de la présente invention est de proposer un procédé de diagnostic d’une batterie qui permette d’améliorer non seulement son diagnostic (état de charge, état de santé par exemple), mais aussi le suivi de son comportement en utilisation pour en avoir une meilleure gestion. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RESUME Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect, on prévoit un procédé de diagnostic d’une batterie comprenant les étapes suivantes : Mesurer, entre des bornes de la batterie, une courbe de décharge à courant constant depuis un état chargé de la batterie pour chaque régime de décharge parmi une pluralité de N régimes de décharge différents entre eux, en utilisant une technique de compensation de chute ohmique, et Déterminer, relativement à une des courbes de décharge choisie comme référence, un facteur de translation F T et un facteur d’homothétie F H à appliquer sur au moins l’une, de préférence sur chacune, des N-1 autres courbes de décharge pour les transformer en courbes superposées de façon optimisée à la courbe de décharge choisie comme référence. Selon un deuxième aspect, on prévoit un procédé de contrôle d’une batterie utilisant la courbe de décharge choisie comme référence, le facteur de translation F T et le facteur d’homothétie F H tels que déterminés par mise en œuvre préalable du procédé de diagnostic tel qu’introduit ci-dessus. Ainsi, les procédés proposés permettent de simplifier et d’améliorer le diagnostic/contrôle du comportement d’une batterie (état de charge et/ou état de santé, par exemple) et donc sa gestion, en particulier, mais pas uniquement, lorsque de grandes profondeurs de décharge et/ou des régimes élevés sont mis en œuvre. Il permet en effet de faciliter l’estimation des valeurs d’état de charge et/ou d’état de santé de la batterie à partir des mesures de tension et courant en décharge. Il offre plus particulièrement les avantages techniques suivants : Une meilleure utilisation de l’énergie disponible dans le pack (pour moins de surdimensionnement des batteries, en particulier quand des périodes d’utilisation du pack à puissance élevée sont à prévoir), Une réduction des expériences préalables à son utilisation effective, pour un déploiement plus rapide, Une réduction des données à stocker et à traiter pour la gestion du pack de batteries, Une prise en charge des déséquilibres (hétérogénéités) entre cellules et/ou modules du pack, Une réduction du temps d’analyse pour la gestion des batteries, et Une simplification du suivi du pack en vieillissement. D’autres aspects concernent : un procédé de diagnostic d’une pluralité de batteries mettant en œuvre le procédé de diagnostic d’une batterie tel qu’introduit ci-dessus aux bornes de plusieurs batteries de la pluralité, voire de chaque batterie de la pluralité ; un procédé de contrôle d’une pluralité de batteries utilisant les courbes de décharge choisies comme références, les facteurs de translation F T et les facteurs d’homothétie F H tels que déterminés par mises en œuvre préalable du procédé de diagnostic d’une batterie tel qu’introduit ci-dessus aux bornes de plusieurs batteries de la pluralité, voire de chaque batterie de la pluralité ; un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par au moins un processeur, exécute au moins les étapes d’un des procédés de diagnostic tels qu’introduits ci-dessus ; un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par au moins un processeur, exécute au moins l’un des procédés de contrôle tels qu’introduits ci-dessus ; un système de diagnostic d’au moins une batterie, le système comprenant un support de mémorisation et au moins un processeur configuré pour stocker et implémenter, respectivement, un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par ledit au moins un processeur, exécute au moins les étapes d’un des procédés de diagnostic tels qu’introduits ci-dessus ; et un système de contrôle d’au moins une batterie, le système comprenant un support de mémorisation et au moins un processeur configuré pour stocker et implémenter, respectivement, un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par ledit au moins un processeur, exécute au moins l’un des procédés de contrôle tels qu’introduits ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La illustre schématiquement l’architecture d’un drone aérien embarquant un système de contrôle d’une batterie selon un aspect de l’invention. La représente graphiquement un exemple de courbes de décharge à différents régimes (courant constant entre C/20 et 7,7C) pour une même cellule : évolution de la tension (V) en fonction de la charge passée depuis le début de la décharge à partir d‘un état chargé Q (Ah), ladite charge étant ici normalisée par la capacité nominale Qn (2,6 Ah, donnée constructeur pour la cellule considérée) et en prenant en compte la compensation de chute ohmique (Uarrêt = Uarrêt constructeur - RI) ; Ici, le régime C correspond donc à un courant de décharge constant égal au courant nominal In égal à 2,6 A. La représente graphiquement un exemple de fonction d’homothétie F H déduite de la . La fonction d’homothétie F H y est déterminée comme une courbe construite par ajustement des valeurs de capacité pratiques mesurées en fin de décharge Qmax pour chaque régime, en prenant en compte la compensation de chute ohmique (Uarrêt = Uarrêt constructeur - RI) : FH = Qn/Qmax. La représente graphiquement l’exemple des courbes de décharge de la avec une tension d’arrêt prenant en compte la compensation de chute ohmique ( U arrêt = Uarrêt constructeur - RI) et avec une charge exprimée relativement à la valeur Qmax. La représente graphiquement l’évolution de la différence de tension entre deux courbes de la en fonction de leur différence de régime. Une bonne approximation de ces données est la parabole en pointillés. Elle correspond à une fonction de translation F T affine. La représente graphiquement les variations de la capacité pratique mesurée en fin de décharge, Q max, normalisée par la capacité nominale Qn, en fonction du régime utilisé pour deux conditions d’arrêt différentes : avec compensation de chute ohmique (Uarrêt = Uarrêt constructeur - RI) en ronds pleins et sans compensation de chute ohmique (Uarrêt = Uarrêt constructeur) en ronds vides. La représente graphiquement les variations de la densité d’énergie en fonction de la densité de puissance moyenne lors de décharges à courant constant pour deux conditions d’arrêt différentes : avec compensation de chute ohmique ( U arrêt = Uarrêt constructeur - RI) en carrés pleins et sans compensation de chute ohmique (Uarrêt = Uarrêt constructeur) en carrés vides. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques ou graphiques destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle de toutes les applications pratiques. Procédé de diagnostic d’une batterie comprenant les étapes suivantes : Mesurer, entre des bornes de la batterie, une courbe de décharge à courant constant depuis un état chargé de la batterie pour chaque régime de décharge parmi une pluralité de N régimes de décharge différents entre eux, en utilisant une technique de compensation de chute ohmique, et Déterminer, relativement à une des courbes de décharge choisie comme référence, un facteur de translation F T et un facteur d’homothétie F H à appliquer sur au moins l’une des N-1 autres courbes de décharge pour les transformer en courbes superposées de façon optimisée à la courbe de décharge choisie comme référence. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la technique de compensation de chute ohmique comprend, voire consiste en, la modification de la tension d’arrêt par la soustraction à la tension d’arrêt constructeur d’une quantité au plus égale au produit du courant de décharge I considéré par la résistance interne R de la batterie. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la courbe de décharge choisie comme référence est celle mesurée pour le plus bas régime considéré parmi lesdits différents régimes de décharge. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la courbe de décharge choisie comme référence est mesurée pour un régime de décharge moyen d’utilisation. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits différents régimes de décharge sont compris entre C /100 et 100 C , de préférence entre C /10 et 10 C . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque courbe de décharge est mesurée depuis un même état de charge de la batterie, de préférence depuis un état de charge maximum de la batterie. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque courbe de décharge est mesurée jusqu’à un état de décharge maximale prenant en compte la compensation de chute ohmique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le facteur de translation F T et le facteur d’homothétie F H sont déterminés comme des fonctions solutions, de préférence optimisées, d’un ensemble d’équations prenant chacune, pour un régime de décharge considéré, la forme suivante : , où est une série de valeurs de tension U(I,Q) mesurées auxdites bornes de la batterie en fonction de la charge Q de la batterie, et pendant une décharge avec le courant de décharge I considéré, est la courbe de décharge choisie comme référence, est le régime de décharge considéré et est égal à , où est le courant de décharge considéré et le courant nominal de la batterie, est la capacité nominale de la batterie, est la charge de la batterie à partir d’un état complètement chargé, est un terme sans dimension, et est un terme homogène à une tension électrique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le facteur de translation F T est une fonction du régime, de préférence une fonction affine du régime. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le facteur d’homothétie F H est un terme liant régimes de décharge et capacités maximales Q max de décharge pour une tension d’arrêt tenant compte de la chute ohmique. Procédé de diagnostic d’une pluralité de batteries mettant en œuvre le procédé de diagnostic d’une batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes aux bornes de plusieurs batteries de la pluralité, voire de chaque batterie de la pluralité. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par au moins un processeur, exécute au moins les étapes de l‘un parmi le procédé de diagnostic selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 et le procédé de diagnostic selon la revendication 11. Système de diagnostic d’au moins une batterie, le système comprenant un support de mémorisation et au moins un processeur configuré pour stocker et implémenter, respectivement, un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par ledit au moins un processeur, exécute au moins les étapes de l‘un parmi le procédé de diagnostic selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 et le procédé de diagnostic selon la revendication 11. Procédé de contrôle d’une batterie utilisant la courbe de décharge choisie comme référence, le facteur de translation F T et le facteur d’homothétie F H tels que déterminés par mise en œuvre préalable du procédé de diagnostic selon l’une quelconque des revendications 1 à 10. Procédé selon la revendication précédente, comprenant le calcul de l’état de charge, ou de la charge , de la batterie, en utilisant la courbe de décharge choisie comme référence, le facteur de translation et le facteur d’homothétie , ces facteurs étant définis à un instant donné par la mesure du courant I circulant entre les bornes de la batterie et étant utilisés pour transformer la courbe de décharge choisie comme référence en une courbe de décharge sur laquelle est le cas échéant lue une valeur estimative de la charge de la batterie audit instant donné pour la valeur de tension mesurée aux bornes de la batterie audit instant donné. Procédé selon la revendication précédente, comprenant en outre l’estimation de l’état de santé de la batterie, notamment en fonction de ladite valeur estimative, et ce potentiellement à chaque instant. Procédé selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel les mesures de courant et de tension aux bornes de la batterie sont réalisées en tenant compte de la technique de compensation de chute ohmique, de sorte que la tension d’arrêt considérée soit inférieure à la tension d’arrêt constructeur ( U arrêt = U arrêt constructeur - RI ). Procédé de contrôle d’une pluralité de batteries utilisant les courbes de décharge choisies comme références, les facteurs de translation F T et les facteurs d’homothétie F H tels que déterminés par mises en œuvre préalable du procédé de diagnostic d’une batterie selon la revendication 11 aux bornes de plusieurs batteries de la pluralité, voire de chaque batterie de la pluralité. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par au moins un processeur, exécute au moins l’un parmi le procédé de contrôle selon les revendications 14 à 17 et le procédé de contrôle selon la revendication 18. Système de contrôle d’au moins une batterie, le système comprenant un support de mémorisation et au moins un processeur configuré pour stocker et implémenter, respectivement, un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par ledit au moins un processeur, exécute au moins l’un parmi le procédé de contrôle selon les revendications 14 à 17 et le procédé de contrôle selon la revendication 18.