Brevet FR3126785A1 — publié le 20230310

L’invention porte sur un procédé mis en œuvre par une unité de traitement de données de surveillance de la sûreté d’une batterie, comprenant les étapes consistant à : acquérir une mesure réalisée par un capteur optique (10) comprenant une fibre optique à réseau de Bragg (F0) agencée le long d’une pluralité de cellules élémentaires (C) composant la batterie, le capteur optique étant apte à réaliser une interrogation optique du réseau de Bragg pour la détermination d’une mesure d’une modification dans la bande passante du réseau de Bragg consécutive d’une contrainte thermique ou mécanique appliquée à la fibre ; traduire la mesure de ladite modification en des données de température et de pression au niveau de chacune desdites cellules élémentaires ; et déterminer un indicateur d’un niveau de sûreté de la batterie à partir desdites données de température et de pression. Figure pour l’abrégé : Figure 3 Procédé de surveillance de la sûreté d’une batterie exploitant une fibre optique à réseau de Bragg Le domaine de l’invention est celui des batteries de cellules d'accumulateurs électriques et plus particulièrement celui de la surveillance de la sûreté de telles batteries. L’invention se rapporte notamment à la surveillance de la sûreté d’une batterie exploitée dans le domaine aéronautique, telle qu’une batterie embarquée à bord d'un aéronef. L’augmentation des tensions et des puissances embarquées dans les futures batteries aéronautiques destinées notamment à l’avion plus électrique se traduit par une augmentation des risques comme par exemple un risque accru d’emballement thermique. Afin d’assurer la sécurité des humains et du matériel, il s’avère donc nécessaire de réussir à empêcher des évènements à risque, voire même à anticiper ces événements en identifiant des signes avant-coureurs de ces événements. On cherche en particulier à prévenir les risques liés à la température et à la déformation mécanique pour ainsi assurer la sureté de fonctionnement de la batterie. L’un des inconvénients majeurs des solutions actuelles est que la masse et le volume augmenteront au fur et à mesure que les puissances demandées aux batteries augmenteront. Ces solutions se décomposent entre, d’une part, des solutions dédiées à la mesure de température et, d’autre part, des solutions dédiées à la mesure des contraintes mécaniques. On connait ainsi des solutions exploitant des capteurs de température filaires répartis sur quelques positions de mesure. Outre qu’elles fournissent des données thermiques partielles et aucune mesure de contraintes mécaniques, ces solutions présentent des inconvénients liés à la limitation du nombre de capteurs (conséquence notamment de leur volume non négligeable et du nombre important de voies d’acquisition), à la masse et à la fiabilité. On connait par ailleurs des solutions pour la mesure des contraintes mécaniques qui exploitent des capteurs de pression, de déplacement ou des accéléromètres dont les désavantages sont liés à leur précision (plage de mesure et réponse aux changements d’altitude) et à difficulté d’intégrer ces éléments dans une batterie en raison de leur volume et de leur masse. L’invention a pour objectif de fournir une solution de surveillance de l’état de sûreté d’une batterie qui permette d’assurer une protection optimale en venant acquérir une cartographie thermique et mécanique complète des cellules composants la batterie, tout en maîtrisant la masse et le volume des moyens dédiés à une telle acquisition afin que cette solution puisse répondre aux exigences aéronautiques notamment celles de l’embarquabilité au sein d’un aéronef. A cet effet, l’invention propose un procédé mis en œuvre par ordinateur de surveillance de la sûreté d’une batterie, comprenant les étapes consistant à : acquérir une mesure réalisée par un capteur optique comprenant une fibre optique à réseau de Bragg agencée le long d’une ou plusieurs cellules élémentaires composant la batterie, le capteur optique étant apte à réaliser une interrogation optique du réseau de Bragg pour la détermination d’une mesure d’une modification dans la bande passante du réseau de Bragg consécutive d’une contrainte thermique ou mécanique appliquée à la fibre ; traduire la mesure de ladite modification en des données de température et de pression au niveau de chacune de la ou des cellules élémentaires ; et déterminer un indicateur d’un niveau de sûreté de la batterie à partir desdites données de température et de pression. Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants : il comprend en outre les étapes consistant à déterminer si une évolution des données de température et de pression est ou non significative d’une probabilité de risque affectant la batterie et à réduire l’indicateur d’un niveau de sûreté lorsque l’évolution est déterminée comme étant significative d’une probabilité de risque ; pour déterminer si l’évolution est significative d’une probabilité de risque les données de température, respectivement de pression, sont confrontées à un seuil de température, respectivement à un seuil de pression ; pour déterminer si l’évolution est significative d’une probabilité de risque une durée pendant laquelle les données de température, respectivement de pression, excèdent le seuil de température, respectivement le seuil de pression, est mesurée et cette durée est confrontée à une durée maximale de température excessive, respectivement à une durée maximale de pression excessive ; pour déterminer si l’évolution est significative d’une probabilité de risque, lorsque la durée maximale de température excessive, respectivement la durée maximale de pression excessive, est dépassée, une détection d’un effet de bord est vérifiée ; il comprend en outre l’émission d’une alerte lorsque le niveau de sûreté est en dessous d’un seuil d’alerte. D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : La est un schéma en vue de dessus d’un agencement possible de la fibre optique à réseau de Bragg avec un cheminement en serpentin entre les cellules ; La est un schéma en vue de côté de l’agencement de la ; La est un schéma représentant un système de contrôle d’une batterie couplé à un capteur optique dont une fibre optique à réseau de Bragg est agencée le long d’une pluralité de cellules élémentaires composant la batterie ; La est un ordinogramme représentant les différentes étapes mises en œuvre par le procédé de surveillance selon un mode de réalisation possible de l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L’invention porte sur un procédé mis en œuvre par ordinateur de surveillance de l’état de sûreté d’une batterie, par exemple une batterie embarquée au sein d’un aéronef. La batterie B est classiquement constituée de plusieurs cellules individuelles d'accumulateurs électriques C chacune caractérisée par une tension de cellule et une capacité de puissance ou d’énergie. Les cellules sont typiquement câblées en groupes série et parallèle pour obtenir la tension batterie souhaitée et sa capacité attendue. Chaque ensemble de cellules constitue un module, et plusieurs modules constituent un pack batterie. En référence à la , l’invention porte également sur une unité de traitement de données 21 configurée pour mettre en œuvre le procédé de surveillance selon l’invention, ainsi que sur un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de traitement de données, conduisent celle-ci à mettre en œuvre ce procédé de surveillance. L’invention s’étend également à un système de contrôle d’une batterie 20 (également dit BMS pour « Battery Management System ») comprenant ladite unité de traitement de données 21 et une unité de protection 22 configurée pour mettre en œuvre une mesure de protection de la batterie sur réception d’une alerte émise par l’unité de traitement de données 21 comme cela sera décrit ci-après. Le système BMS 20 assure la surveillance en temps réel de la batterie, notamment lorsque celle-ci est embarquée. Il peut prendre la forme d’une carte électronique dotée d’un processeur sur lequel est implémenté le programme d’ordinateur mettant en œuvre le procédé de surveillance selon l’invention. Toujours en référence à la , le procédé de surveillance selon l’invention repose sur l’utilisation d’un capteur 10 doté d’une fibre optique FO utilisant le principe des réseaux de Bragg pour obtenir une cartographie thermique et mécanique d’une zone au moins de la batterie et d’une unité de traitement de données 21 configurée pour déterminer un indicateur d’un niveau de sûreté de la batterie à partir de la cartographie ainsi obtenue. La fibre optique FO et la surveillance réalisée au moyen de celle-ci peuvent ainsi être dédiées, selon le besoin, à une zone de la batterie (au niveau module ou cellule par exemple) ou à la batterie complète. Le capteur 10 comprend plus particulièrement une fibre optique à réseau de Bragg FO et une unité d’analyse optoélectronique 11 reliée à la fibre optique. La fibre optique à réseau de Bragg FO est agencée le long d’une ou plusieurs cellules élémentaires C composant la batterie B. La fibre optique permet de mesurer la température et les contraintes mécaniques en tout point souhaité le long de son parcours, notamment au niveau de chacune des cellules C. Une telle fibre optique FO est plus légère que les capteurs thermiques et mécaniques existants. Elle est en outre insensible aux perturbations électromagnétiques. Elle présente par ailleurs l’avantage de pouvoir être utilisée avec tout type de batteries. La fibre optique FO est accolée sur les cellules C et peut être maintenue sur celles-ci au moyen d’une colle, de préférence une colle thermiquement conductrice pour accroitre la précision de mesure. Les figures 1 et 2 sont des schémas en vue de dessus et de côté respectivement d’un agencement possible de la fibre optique FO. Selon cet agencement, la fibre FO serpente entre les cellules C, en cheminant ainsi alternativement d’une face avant d’une cellule à une face arrière d’une cellule adjacente. L’unité d’analyse optoélectronique 11 est apte à réaliser une interrogation optique du réseau de Bragg pour la détermination d’une mesure d’une modification dans la bande passante du réseau de Bragg consécutive d’une contrainte thermique ou mécanique appliquée à la fibre FO. Le principe physique du « réseau de Bragg » se constitue en application dans une fibre optique par une structure dans laquelle s’alternent des couches de deux matériaux d'indices de réfraction différents provoquant une variation périodique de l'indice de réfraction effectif le long de la fibre optique. L’environnement dans lequel se trouve cette fibre optique exerce des contraintes (principalement thermique et pression mécanique) qui agissent sur les caractéristiques des signaux optiques renvoyés à l’unité d’analyse optoélectronique 11. Ainsi, toute déformation de la fibre modifie la longueur d’onde de Bragg en influant sur un de ses deux paramètres : une extension, une compression ou une torsion de la fibre modifie le pas du réseau tandis qu’une variation de température modifie essentiellement l’indice du cœur et dans une moindre mesure le pas du réseau du fait de la dilatation thermique de la fibre. Dans tous les cas, la modification de la longueur d’onde de Bragg générée par la contrainte peut être mesurée en réflexion, voire en transmission, par le passage d’un signal lumineux dans la fibre, et corrélée à la cause de cette contrainte. L’unité d’analyse optoélectronique 11 comprend à cet effet une source de lumière 12 apte à être pilotée pour émettre ledit signal lumineux dans la fibre et un photorécepteur 13 apte à convertir le signal lumineux ayant parcouru la fibre (en réflexion ou en transmission) en un signal électrique porteur d’une information représentative d’une contrainte thermique ou mécanique appliquée à la fibre FO. En référence notamment à la , le procédé selon l’invention comprend une étape E1 consistant pour l’unité de traitement de données 21 à recevoir la mesure réalisée par le capteur optique 10 d’une modification dans la bande passante du réseau de Bragg consécutive d’une contrainte thermique ou mécanique appliquée à la fibre. Le procédé comprend par ailleurs une étape E2 consistant pour l’unité de traitement de données 21 à traduire la mesure de ladite modification reçue du capteur optique 10 en des données de température et de pression au niveau de la ou des cellules élémentaires le long de laquelle la fibre FO est agencée. Pour cela, l’unité de traitement de données 21 vient convertir la longueur d'onde du réseau de Bragg observée par l’unité d’analyse optoélectronique 11 en données de température et de pression associées à des informations temporelles et spatiales. En effet, lorsque la température ou la pression change en un point de la fibre optique, la longueur d’onde du spectre réfléchi est modifiée. Le delta engendré permet de calculer la modification thermique ou mécanique. Le procédé comprend par ailleurs une étape E3 consistant pour l’unité de traitement de données 21 à déterminer un indicateur d’un niveau de sûreté de la batterie à partir desdites données de température et de pression, par exemple sur la base d’une analyse temps réel de ces données. Ces données peuvent faire l’objet d’une consolidation préalable, par exemple par mise en cohérence des données des boucles précédentes de surveillance. Elles peuvent par ailleurs faire l’objet d’un suivi pour une ou plusieurs zones prédéfinies de la batterie, par exemple pour un module particulier de la batterie. Au fur et à mesure des évènements que la batterie va subir (surchauffe, déformations mécaniques, etc.), la valeur de l’indicateur d’un niveau de sûreté de la batterie va diminuer, l’unité de traitement de données 21 étant par exemple configurée pour déterminer si une évolution des données de température et de pression est significative d’une probabilité de risque affectant la batterie et pour réduire l’indicateur d’un niveau de sûreté lorsque l’évolution est déterminée comme étant significative d’une probabilité de risque. Plus la valeur de l’indicateur est basse, plus les risques de sécurité sont alors identifiés comme étant importants. L’indicateur peut prendre la forme d’un score sur une échelle de sûreté. Ainsi par exemple, un score de 100% indique que la batterie n’est pas dégradée et présente peu de risques pour la sécurité. A contrario, un score de 15% par exemple indique que l’intégrité de la batterie est remise en cause et est donc associée à un risque très important. Afin de déterminer l’indicateur de sûreté, l’unité de traitement de données 21 est configurée pour détecter des signatures thermiques/mécaniques dans les données de température et de pression, signatures qui sont considérées comme représentatives de prémices de dysfonctionnement (par exemple un emballement thermique ou un dégagement gazeux). Notamment, afin de déterminer si l’évolution des données de température et de pression est significative d’une probabilité de risque, l’unité de traitement de données 21 peut être configurée pour confronter les données de température, respectivement de pression, à un seuil de température, respectivement à un seuil de pression. Comme représenté sur la , le procédé de surveillance peut ainsi comprendre une étape E31 au cours de laquelle les données de température sont confrontées à un seuil de température T M et une étape E32 au cours de laquelle les données de pression sont confrontées à un seuil de pression P M . En cas d’évolution non significative (« N » sur la ), la température et la pression étant chacune inférieure à son seuil respectif, aucune action n’est entreprise et la surveillance se fait en boucle continue. Toujours pour déterminer si l’évolution des données de température et de pression est significative d’une probabilité de risque, l’unité de traitement de données 21 peut également être configurée pour mesurer une durée pendant laquelle les données de température, respectivement de pression, excèdent le seuil de température, respectivement le seuil de pression, et confronter cette durée à une durée maximale de température excessive, respectivement à une durée maximale de pression excessive. Comme représenté sur la , le procédé de surveillance peut ainsi comprendre une étape E33 au cours de laquelle la durée pendant laquelle le seuil de température est dépassé est confrontée à une durée maximale de température excessive DT M et une étape E34 au cours de laquelle la durée pendant laquelle le seuil de pression est dépassé est confrontée à une durée maximale de pression excessive DP M . Toujours pour déterminer si l’évolution des données de température et de pression est significative d’une probabilité de risque, l’unité de traitement de données 21 peut en outre être configurée, lorsque la durée maximale de température excessive DT M , respectivement la durée maximale de pression excessive DP M , est dépassée, pour déterminer si des effets de bord sont observables. Une telle détermination peut être réalisée en évaluant le comportement en température et/ou en pression au voisinage temporel de la détection du dépassement la durée maximale de température excessive DT M , respectivement de la durée maximale de pression excessive DP M . Ainsi, comme représenté sur la , le procédé de surveillance peut comprendre une étape E35 au cours de laquelle il est vérifié si des effets de bord O T liés à une température excessive sont observables et une étape E36 au cours de laquelle il est vérifié si des effets de bord O P liés à une pression excessive. L’unité de traitement de données 21 est par ailleurs configurée, dès lors que l’évolution des données de température et de pression est déterminée comme étant significative d’une probabilité de risque, pour réduire l’indicateur d’un niveau de sûreté. Comme représenté sur la , le procédé comprend ainsi une étape E37 de réduction de l’indicateur d’un niveau de sûreté. L’amplitude de cette réduction est gouvernée par l’importance de la probabilité de risque constatée, cette probabilité de risque étant d’autant plus importante que le nombre de tests positifs des étapes E31, E33 et E34 d’une part et des étapes E32, E34 et E36 d’autre part est important. Elle est ainsi plus importante lorsque la durée maximale de température/pression excessive est dépassée que lorsque seul le seuil de température/pression est dépassée. L’unité de traitement de données 21 est en outre configurée pour, au cours d’une étape E38, comparer le niveau de sûreté à un seul d’alerte ISm et pour émettre, au cours d’une étape 39, une alerte lorsque le niveau de sûreté est en dessous du seuil d’alerte. Cette alerte peut notamment être transmise à l’unité de protection 22 du système de contrôle d’une batterie 20 afin que cette unité puisse mettre en œuvre une mesure de protection de la batterie ou générer un signal de requête de maintenance de la batterie. L’invention porte également sur un système de surveillance de la sûreté d’une batterie B, comprenant le capteur optique 10 et l’unité de traitement de données 21 précédemment décrits. Procédé mis en œuvre par une unité de traitement de données de surveillance de la sûreté d’une batterie (B), comprenant les étapes consistant à : acquérir (E1) une mesure réalisée par un capteur optique (10) comprenant une fibre optique à réseau de Bragg (F0) agencée le long d’une ou plusieurs cellules élémentaires (C) composant la batterie (B), le capteur optique étant apte à réaliser une interrogation optique du réseau de Bragg pour la détermination d’une mesure d’une modification dans la bande passante du réseau de Bragg consécutive d’une contrainte thermique ou mécanique appliquée à la fibre ; traduire (E2) la mesure de ladite modification en des données de température et de pression au niveau de chacune de la ou des cellules élémentaires ; et déterminer (E3) un indicateur d’un niveau de sûreté de la batterie à partir desdites données de température et de pression. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre les étapes consistant à déterminer si une évolution des données de température et de pression est ou non significative d’une probabilité de risque affectant la batterie et à réduire (E37) l’indicateur d’un niveau de sûreté lorsque l’évolution est déterminée comme étant significative d’une probabilité de risque. Procédé selon la revendication 2, dans lequel pour déterminer si l’évolution est significative d’une probabilité de risque les données de température, respectivement de pression, sont confrontées (E31, E32) à un seuil de température, respectivement à un seuil de pression. Procédé selon la revendication 3, dans lequel pour déterminer si l’évolution est significative d’une probabilité de risque une durée pendant laquelle les données de température, respectivement de pression, excèdent le seuil de température, respectivement le seuil de pression, est mesurée et cette durée est confrontée (E33, E34) à une durée maximale de température excessive, respectivement à une durée maximale de pression excessive. Procédé selon la revendication 4, dans lequel pour déterminer si l’évolution est significative d’une probabilité de risque, lorsque la durée maximale de température excessive, respectivement la durée maximale de pression excessive, est dépassée, une détection d’un effet de bord est vérifiée (E35, E36). Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre l’émission d’une alerte (E39) lorsque le niveau de sûreté est en dessous d’un seuil d’alerte. Unité de traitement de données (21) configurée pour mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 6. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de traitement de données, conduisent celle-ci à mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 6. Système de contrôle d’une batterie (20) comprenant une unité de traitement de données (21) configurée pour mettre en œuvre le procédé selon la revendication 6 et une unité de protection (22) configurée pour mettre en œuvre une mesure de protection de la batterie sur réception de ladite alerte. Système de surveillance de la sûreté d’une batterie (B), comprenant : un capteur optique (10) comprenant une fibre optique à réseau de Bragg (FO) agencée le long d’une ou plusieurs cellules élémentaires (C) composant la batterie, le capteur optique étant apte à réaliser une interrogation optique du réseau de Bragg pour la détermination d’une mesure d’une modification dans la bande passante du réseau de Bragg consécutive d’une contrainte thermique ou mécanique appliquée à la fibre ; une unité de traitement de données (21) configurée pour traduire la mesure de ladite modification reçue du capteur optique en des données de température et de pression au niveau de chacune de la ou des cellules élémentaires et déterminer un indicateur d’un niveau de sûreté d’une zone de la batterie à partir desdites données de température et de pression dans ladite zone.