Brevet FR3135351A1 — publié le 20231110

L’invention concerne un système d’évaluation de puissance thermique de batterie de véhicule automobile, comprenant - au moins un module d’évaluation (ET), chaque module comprenant une cellule, un capteur thermique disposé contre la cellule, un refroidisseur disposé contre la cellule, une couche d’isolation enveloppant ces éléments, - un système de refroidissement (SR) comprenant un circuit de refroidissement (CR) parcouru par un fluide calorifique (F), - une enceinte de conditionnement (AC) dudit module d’évaluation (ET), - au moins un moyen d’évaluation (CP1) pour évaluer des paramètres d’utilisation de batterie étant l’état de charge, l’état de santé, la température, et le courant, - au moins un moyen (CP1) pour réaliser un modèle d’apprentissage automatique (M) de prédiction de puissance thermique de batterie, sur la base desdits paramètres d’utilisation de batterie. L’invention concerne également un procédé et un programme sur la base d’un tel système. Fig. 4 SYSTEME D’EVALUATION DE PUISSANCE THERMIQUE DE BATTERIE DE VEHICULE AUTOMOBILE, PROCEDE ET PROGRAMME SUR LA BASE D’UN TEL SYSTEME L’invention se rapporte au domaine des batteries de traction de véhicule automobile, plus particulièrement des mesures de puissance thermique de ces batteries. La production de chaleur est un élément critique pour le développement du refroidisseur de la batterie. Il est connu que la production de la chaleur dépend de l’état de charge (ou SOC), de l’état de santé (SOH), de la température de batterie, et du courant de charge et décharge. Actuellement, il n’y a pas de solution fiable industrialisée pour les mesures de ce paramètre critique. Certaines publications scientifiques proposent des solutions, notamment : - Shashank Arora et al., Experimental Study of Heat Generation Rate during Discharge of LiFePO4 Pouch Cells of different Nominal Capacities and Thickness ; - Kaiwei Chen et al., Measurements of heat generation in prismatic Li-ion batteries, Journal of Power Sources ; et - Yang Hu, Measurement of heat generation rate and heat sources of pouch type Li-ion cells, Applied Thermal Engineering 189 (2021) 116709. Dans les solutions de l’art antérieur, il y a deux types d’essais dont le principe est schématisé en . La cellule C de batterie est entourée par deux blocs d’un matériau (I) ayant des caractéristiques thermiques connues. Le matériau le plus souvent utilisé est le polyéthylène à haute densité (en abrégé HDPE pour « high-density polyethylene »). La chaleur rejetée par la cellule C est absorbée par le polyéthylène à haute densité. Le premier type d’essai est la calorimétrie à conduction de chaleur isothermique (abrégé IHC pour « iso thermal heat conduction calorimetry »). Dans cet essai, on réalise une condition aux limites (ou « boundary condition » en langue anglaise) sur la base d’une température constante. Cette condition aux limites impose une très grande capacité d’absorption de la chaleur produite dans la batterie par le polyéthylène à haute densité (I) pour maintenir la batterie à la température désirée pendant la recharge et la décharge. La température de la batterie est mieux contrôlée dans ce cas, mais l’essai IHC permet uniquement un bas courant de fonctionnement, typiquement moins de 1C (charge ou décharge de la capacité de la cellule en 1 heure). La réalisation est beaucoup trop consommatrice de temps pour couvrir les capacités des cellules de batterie de traction. L’autre type d’essai est la calorimétrie à taux accéléré (en abrégé ARC pour « accelerated-rate calorimetry »). Dans cet essai, on réalise une condition aux limites de type adiabatique. Cet essai permet un changement de la température dans la batterie et un courant plus important. Cet essai considère que la capacité de la cellule de batterie est connue ou la chaleur stockée dans la cellule est négligeable. Avec cette simplification, la réponse du matériau HDPE (I) (indiquée par sa température) à la production de chaleur dans la cellule, est modélisée par une solution analytique dimensionnelle. L’essai ARC est plus rapide que l’essai IHC. Malheureusement, les solutions existantes ne sont pas réalisables dans l’industrie, notamment à cause des inconvénients suivants : - l’essai IHC est limité aux bas courants et il est fastidieux et très consommateur de temps ; - l’essai ARC a besoin du prérequis selon lequel la chaleur stockée dans la batterie est négligeable, ce qui n’est pas le cas pour des cellules plus grandes utilisées dans les véhicules électriques ; - Ces deux types d’essais ont besoin d’une cellule très fine car la masse et l’épaisseur du matériau HDPE (I) doivent être beaucoup plus grandes que la cellule C pour permettre de maintenir la batterie à une température constante dans l’essai IHC, et pour négliger la chaleur stockée dans la cellule C dans l’essai ARC. Cela ne correspond pas à la réalité car la cellule C dans un véhicule électrique est beaucoup plus épaisse et lourde en présentant une capacité thermique importante ; - l’essai ARC mesure la chaleur par une charge ou décharge importante en changeant l’état de charge presque de 100%, ce qui ne permet pas de différencier les influences de l’état de charge et de la température, car la température de la cellule C et l’état de charge sont changés en même temps. L’invention vise à combler les défauts de l’art antérieur, et notamment à proposer une solution peu fastidieuse et rapide, séparant les influences des paramètres tels que l’état de charge et la température, utilisable avec des courants importants de charge et décharge, et davantage adaptée aux cellules de batterie grandes et épaisses. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système d’évaluation de puissance thermique de batterie de véhicule automobile, comprenant au moins un module d’évaluation, chaque module comprenant : - une cellule ayant une première surface et une deuxième surface, - un capteur thermique disposé contre la première surface de la cellule, - un refroidisseur disposé contre la deuxième surface de la cellule, - une couche d’isolation enveloppant la cellule, le capteur thermique et le refroidisseur, le système d’évaluation de puissance thermique comprenant en outre : - un système de refroidissement comprenant un circuit de refroidissement connecté au refroidisseur, parcouru par un fluide calorifique, - une enceinte de conditionnement dudit module d’évaluation, - au moins un moyen d’évaluation pour évaluer des paramètres d’utilisation de batterie étant l’état de charge, l’état de santé, la température, et le courant, - au moins un moyen pour réaliser un modèle d’apprentissage automatique de prédiction de puissance thermique de batterie, sur la base desdits paramètres d’utilisation de batterie, caractérisé en ce que ledit moyen d’évaluation des paramètres d’utilisation de batterie comprend : - un moyen pour charger et décharger ledit module au moins deux fois de sorte à faire varier la température jusqu’à une valeur déterminée, - un moyen pour déterminer l’énergie accumulée au moyen de la formule : , où est le débit, est une fréquence d’échantillonnage, et sont les températures à la sortie et à l’entrée du refroidisseur, - un moyen pour déterminer une puissance thermique de batterie au moyen de la formule : , avec , où et sont les durées de charge et décharge pour un point de mesure. Avantageusement, contrairement à l’art antérieur, l’invention propose une solution adaptée aux cellules de batterie de véhicule automobile qui sont plus puissantes, plus épaisses et plus lourdes. Cette invention utilise les conditions aux limites, en condition adiabatique, ce qui est plus rapide et moins fastidieux que dans l’art antérieur. Au lieu de mesurer la température du matériau HDPE comme une réponse à la production de chaleur de la cellule, cette invention utilise l’accumulation d’énergie de chaleur. L’évaluation de la puissance thermique est plus précise que dans les essais ARC. En outre, au lieu de charger ou décharger la cellule de 0% SOC à 100% SOC servant à générer une chaleur importante, cette invention décharge et charge la cellule autour d’un état de charge choisi pour des petites valeurs, par exemple +/-5%, de manière répétitive pour accumuler la chaleur en quantité suffisante pour assurer la précision de mesure. Selon une variante, ledit moyen pour charger et décharger est configuré pour charger et décharger le module de +/-2 à 10%, de préférence +/-5%. Cela permet d’avoir une évaluation précise de la puissance thermique et/ou de l’énergie accumulée. Selon une variante, le refroidisseur comprend une structure de feuille d’aluminium en contact avec la deuxième surface de la cellule, le reste du refroidisseur et des canalisations du circuit de refroidissement étant en matériau isolant, de préférence en caoutchouc. L’aluminium permet d’améliorer la conduction thermique entre la cellule et le refroidisseur, et l’isolant permet de limiter les pertes de chaleur. Selon une variante, les ou des canalisations du circuit de refroidissement présentent une section divergente en entrée du refroidisseur et une section convergente en sortie du refroidisseur. Cela permet d’améliorer la précision du modèle en limitant les écoulements turbulents en l’entrée et la sortie du refroidisseur. Selon une variante, le capteur thermique est du type à revêtement produit par dépôt physique en phase vapeur. Cela permet d’utiliser un dispositif de contrôle connecté sans fil, en particulier en communication en champ proche (ou NFC pour « near field communication » en langue anglaise). Selon une variante, le système d’évaluation de puissance thermique comprend un dispositif de contrôle de température connecté au capteur thermique à revêtement produit par dépôt physique en phase vapeur, via une connexion de communication en champ proche. Cela permet de contrôler la température du capteur thermique via une connexion sans fil, en particulier en communication en champ proche. L’invention porte en outre sur un procédé d’évaluation de puissance thermique de batterie de véhicule automobile sur la base d’au moins un module d’évaluation, chaque module comprenant : - une cellule ayant une première surface et une deuxième surface, - un capteur thermique disposé contre la première surface de la cellule, - un refroidisseur disposé contre la deuxième surface de la cellule, - une couche d’isolation enveloppant la cellule, le capteur thermique et le refroidisseur, et sur la base de : - un système de refroidissement comprenant un circuit de refroidissement connecté au refroidisseur, parcouru par un fluide calorifique, et - une enceinte de conditionnement dudit module d’évaluation, le procédé d’évaluation de puissance thermique comprenant les étapes suivantes : - évaluer des paramètres d’utilisation de batterie étant l’état de charge, l’état de santé, la température, et le courant, - réaliser un modèle d’apprentissage automatique de prédiction de puissance thermique de batterie, sur la base desdits paramètres d’utilisation de batterie, caractérisé en ce que l’étape d’évaluation des paramètres d’utilisation de batterie comprend les sous-étapes suivantes : - conditionner au moins une cellule à un état de charge et à une température extérieure donnée, - décharger et recharger ledit module au moins deux fois de sorte à faire varier la température jusqu’à une valeur déterminée, - déterminer l’énergie accumulée au moyen de la formule : , où est le débit, est une fréquence d’échantillonnage, et sont les températures à la sortie et à l’entrée du refroidisseur, - déterminer une puissance thermique de batterie au moyen de la formule : , avec , où et sont les durées de charge et décharge pour un point de mesure. Selon une variante, l’étape de charger et décharger est mise en œuvre pour charger et décharger le module de +/-2 à 10%, de préférence +/-5%. Un autre objet de l’invention a trait à un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé d’évaluation de puissance thermique selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement le montage d’une entité de test de l’art antérieur basée sur une cellule C encadrée par un isolant I en HDPE ; - illustre schématiquement le montage d’une entité de test de l’invention dans des conditions adiabatiques ; - illustre schématiquement le montage de l’entité de test de la dans un système permettant les mesures de l’énergie absorbée par le fluide calorifique ; et - illustre schématiquement davantage de détails du système permettant les mesures de la . L’invention se base sur une entité de test ET sous forme d’un ou plusieurs modules d’évaluation. Le module comprend : - une cellule C ayant une première surface (ou surface supérieure en référence à ) et une deuxième surface (ou surface inférieure en référence à ladite figure), - un capteur thermique T disposé contre la partie supérieure de la cellule C, - un refroidisseur R disposé contre la partie inférieure de la cellule C, et - une couche d’isolation I enveloppant la cellule C, le capteur thermique T et le refroidisseur R. L’invention est en outre basée sur un support de mesures comprenant : - un système de refroidissement SR comprenant un circuit de refroidissement CR connecté au refroidisseur R, le circuit de refroidissement étant parcouru par un fluide calorifique F, et - une enceinte de conditionnement AC dudit module d’évaluation ET. Le circuit de refroidissement CR comprend des canalisations (ou tuyaux) connectés au refroidisseur R. Les figures 2 et 3 divulguent la construction de cette invention. Dans les essais, la condition aux limites est adiabatique. Au lieu d’utiliser le matériau HDPE, un matériau d’isolation I quelconque, par exemple davantage disponible dans le commerce, peut être utilisé. Il faut assurer un effet d’isolation pour un temps suffisant, parce que les mesures sont beaucoup très longues. Par exemple les couches d’isolation I peuvent être beaucoup plus épaisses. La cellule C a une épaisseur importante, et il faut isoler le fond et le haut de la cellule C. Un capteur thermique T est déposé sur le dessus de la cellule C pour mesurer la température la plus haute de la cellule C. Le fil du capteur thermique T doit être bien caché dans les couches d’isolation pour assurer l’effet d’isolation. Il est idéal d’utiliser le capteur thermique T de revêtement produit par PVD (physical vapor deposition) comme proposé dans la demande de brevet co-pendante FR2103618, parce que ce capteur peut être utilisé en communication sans fil de type NFC (pour « near field communication » en langue anglaise). La chaleur générée par la cellule C pendant la charge et la décharge est absorbée par le fluide calorifique F circulant dans le refroidisseur R qui se situe en dessous de la cellule C. Il faut noter qu’il y a deux options de dépôt de la cellule C dans les couches d’isolation I : soit le refroidisseur R est en contact avec la surface la plus petite comme montré en , soit le refroidisseur R est en contact avec la plus grande surface de la cellule C. La première option a besoin moins de capteur thermique T sur la cellule C, parce que la température sur la surface la plus petite est plus homogène. Dans l’autre cas, il faut implanter plusieurs capteurs thermiques T distribués sur la surface de cellule C pour assurer que toute la surface de la cellule C atteigne la température désirée. La explique le principe de mesure : la chaleur générée par la cellule C est absorbée et transportée par le fluide calorifique F, dont la différence de température entre l’entrée Te et la sortie Ts indique la chaleur générée par la cellule C. Pour éliminer la chaleur stockée dans le matériau du tuyau, il est préférable de construire le refroidisseur R avec une plaque fine d’aluminium, de préférence de moins de 1mm, en contact avec le fond de la cellule C ; et l’autre partie du refroidisseur R et tout le tuyau du circuit CR avec un matériau isolant comme du caoutchouc par exemple. Avant le début du refroidissement, il n’y a pas de fluide F dans le refroidisseur R et le tuyau. Pour limiter la chaleur générée par l’écoulement du fluide calorifique F, notamment à cause de la turbulence de l’écoulement, il faut de préférence assurer que l’écoulement dans le refroidisseur soit laminaire à l’entrée Te. En effet, l’écoulement laminaire peut avoir une distribution de température non homogène sur la section du tuyau : la partie plus proche de la cellule C est plus chaude, et la partie plus loin est plus froide. Pour avoir une distribution de température plus homogène, il faut avoir une section du tuyau d’un petit diamètre et d’une importante longueur pour permettre le transfert de chaleur par diffusion dans le tuyau. Les sections divergentes et convergentes doivent avoir une pente suffisamment petite pour éviter la transition à l’écoulement à la turbulence. Pour évider l’impact d’environnement, le tuyau de fluide calorifique F doit être bien isolé pour avoir une condition aux limites adiabatique. La montre le système de support et de mesurage. L’entité de test ET, à savoir l’ensemble illustré en , se situe dans une chambre de climatisation AC qui sert à mettre l’environnement à la température désirée. Il y a un système d’acquisition des données CP1 et il y a un système du contrôle de la batterie CP2 pour effectuer la charge et la décharge de la cellule C. Le système comprend un ensemble de thermostat et pompe TP. Le thermostat permet de fournir le fluide calorifique F à la température désirée qui est égale la température de la chambre de climatisation AC. Le processus de mesures est décrit via les étapes suivantes : 1°) Conditionner la cellule à l’état de charge désiré, et déposer des composants de l’entité de test ET dans la chambre de climatisation AC avec la température désirée pour un temps suffisant : par exemple 24 h. Cela permet d’assurer l’homogénéité de la température à l’intérieur de l’entité de test ET ; Assembler l’entité de test ET dans la chambre AC, ce qui ne prend qu’un court temps ; Fermer la chambre de climatisation AC et continuer à attendre jusqu’à la stabilisation de la température à la température désirée. Le tuyau d’entrée et de sortie traversent la paroi de la chambre de climatisation AC et il faut assurer l’isolation des interfaces. 2°) Commencer à décharger la batterie de petites amplitudes, par exemple de 5%. Ensuite, charger et décharger alternativement avec le courant désiré, de plus grandes amplitudes, par exemple de 10%, en fois jusqu’à ce que la température mesurée se varie d’au moins un nombre de degrés déterminés, par exemple de 1°C. 3°) Arrêter le fonctionnement de la batterie et commencer à fournir du fluide calorifique F ayant la même température que la température désirée. L’énergie est accumulée jusqu’au moment où la température mesurée au-dessus de la cellule C revient à la température initiale : , où est le débit, est la fréquence d’échantillonnage. La sommation est à faire pour chaque pas de temps tout au long du mesurage. 4°) Pour changer le courant de recharge et décharge, il faut de préférence vider le refroidisseur et répéter l’étape 2 et 3. De préférence, les courants à tester sont 0.1C, 1C, 2C, 4C. 5°) Pour tester la cellule C dans un autre l’état de charge, il faut de préférence décharger ou charger la cellule C avec un faible courant, par exemple 0.1C jusqu’à l’état de charge désiré, tout en continuant de faire circuler le fluide calorifique F en maintenant la température à la température désirée jusqu’à ce que la température mesurée par le capteur T au-dessus de la cellule C revienne à la température désirée. Ensuite il faut, de préférence vider le refroidisseur, et les étapes 2, 3, 4 sont à répéter. Les points préférés pour l’état de charge sont de 10% à 90% pour des pas de 20%. 6°) Pour changer la température désirée, il faut séparer l’entité de test ET et refaire les étapes 1 à 5 ci-dessus. Les points préférés pour la température sont -20, 0, 10, 30 et 50 °C. Avec une cellule C industrialisée telle que celles des batteries de véhicules électriques, qui a une capacité thermique importante mais inconnue, il n’y a pas de solution analytique comme imposée par l’essai ARC. Cette grande capacité thermique produit une grande difficulté pour le mesurage de l’essai IHC aussi, car il impose une température constante de la batterie qui n’est pas réalisable avec une grande capacité thermique. Cette invention, bien qu’elle prenne beaucoup plus de temps pour les mesures, permet des mesures pour les grandes cellules. Ces mesures permettent d’avoir une modélisation par l’apprentissage automatique avec les données d’entrée comme l’état de charge, l’état de santé, la température, le courant, et les données de sortie comme la puissance de chaleur calculée comme suit : , où , et et sont les durées de charge et décharge pour un point de mesure. Il est nécessaire de construire ce modèle M avec l’apprentissage automatique parce que les corrélations entre les données d’entrée et les données de sortie sont non linéaires et les données d’entrée ont plusieurs dimensions. Une interpolation linéaire n’est pas faisable. En résumé, cette invention propose de réaliser des mesures de la production de chaleur de batterie avec le principe de l’équilibre d’énergie entre la chaleur générée par la batterie et la chaleur absorbée par le fluide calorifique. Elle réalise la production de chaleur par charges et décharges alternatives autour d’un état de charge pour assurer la précision de mesure. Elle offre une solution peu fastidieuse et élimine la nécessité de savoir ou de négliger la capacité thermique de la cellule C pour permettre des mesures sur des cellules C industrialisées. Système d’évaluation de puissance thermique de batterie de véhicule automobile, comprenant au moins un module d’évaluation (ET), chaque module comprenant : - une cellule (C) ayant une première surface et une deuxième surface, - un capteur thermique (T) disposé contre la première surface de la cellule (C), - un refroidisseur (R) disposé contre la deuxième surface de la cellule (C), - une couche d’isolation (I) enveloppant la cellule (C), le capteur thermique (T) et le refroidisseur (R), le système d’évaluation de puissance thermique comprenant en outre : - un système de refroidissement (SR) comprenant un circuit de refroidissement (CR) connecté au refroidisseur (R), parcouru par un fluide calorifique (F), - une enceinte de conditionnement (AC) dudit module d’évaluation (ET), - au moins un moyen d’évaluation (CP1) pour évaluer des paramètres d’utilisation de batterie étant l’état de charge, l’état de santé, la température, et le courant, - au moins un moyen (CP1) pour réaliser un modèle d’apprentissage automatique (M) de prédiction de puissance thermique de batterie, sur la base desdits paramètres d’utilisation de batterie, caractérisé en ce que ledit moyen d’évaluation des paramètres d’utilisation de batterie comprend : - un moyen pour charger et décharger ledit module au moins deux fois de sorte à faire varier la température jusqu’à une valeur déterminée, - un moyen pour déterminer l’énergie accumulée au moyen de la formule : , où est le débit, est une fréquence d’échantillonnage, et sont les températures à la sortie (Ts) et à l’entrée (Te) du refroidisseur (R), - un moyen pour déterminer une puissance thermique de batterie au moyen de la formule : , avec , où et sont les durées de charge et décharge pour un point de mesure. Système d’évaluation de puissance thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen pour charger et décharger est configuré pour charger et décharger le module de +/-2 à 10%, de préférence +/-5%. Système d’évaluation de puissance thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le refroidisseur (R) comprend une structure de feuille d’aluminium en contact avec la deuxième surface de la cellule (C), le reste du refroidisseur (R) et des canalisations du circuit de refroidissement (CR) étant en matériau isolant, de préférence en caoutchouc. Système d’évaluation de puissance thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ou des canalisations du circuit de refroidissement (CR) présentent une section divergente en entrée du refroidisseur (R) et une section convergente en sortie du refroidisseur (R). Système d’évaluation de puissance thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur thermique (T) est du type à revêtement produit par dépôt physique en phase vapeur. Système d’évaluation de puissance thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de contrôle de température connecté au capteur thermique (T) à revêtement produit par dépôt physique en phase vapeur, via une connexion de communication en champ proche. Procédé d’évaluation de puissance thermique de batterie de véhicule automobile sur la base d’au moins un module d’évaluation, chaque module comprenant : - une cellule (C) ayant une première surface et une deuxième surface, - un capteur thermique (T) disposé contre la première surface de la cellule (C), - un refroidisseur (R) disposé contre la deuxième surface de la cellule (C), - une couche d’isolation (I) enveloppant la cellule (C), le capteur thermique (T) et le refroidisseur (R), et sur la base de : - un système de refroidissement (SR) comprenant un circuit de refroidissement (CR) connecté au refroidisseur (R), parcouru par un fluide calorifique (F), et - une enceinte de conditionnement (AC) dudit module d’évaluation (ET), le procédé d’évaluation de puissance thermique comprenant les étapes suivantes : - évaluer des paramètres d’utilisation de batterie étant l’état de charge, l’état de santé, la température, et le courant, - réaliser un modèle d’apprentissage automatique (M) de prédiction de puissance thermique de batterie, sur la base desdits paramètres d’utilisation de batterie, caractérisé en ce que l’étape d’évaluation des paramètres d’utilisation de batterie comprend les sous-étapes suivantes : - conditionner au moins une cellule (C) à un état de charge et à une température extérieure donnée, - décharger et recharger ledit module au moins deux fois de sorte à faire varier la température jusqu’à une valeur déterminée, - déterminer l’énergie accumulée au moyen de la formule : , où est le débit, est une fréquence d’échantillonnage, et sont les températures à la sortie (Ts) et à l’entrée (Te) du refroidisseur (R), - déterminer une puissance thermique de batterie au moyen de la formule : , avec , où et sont les durées de charge et décharge pour un point de mesure. Procédé d’évaluation de puissance thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’étape de charger et décharger est mise en œuvre pour charger et décharger le module de +/-2 à 10%, de préférence +/-5%. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé d’évaluation de puissance thermique selon l’une quelconque des revendications 7 à 8, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.