Brevet FR3130387A1 — publié le 20230616

Procédé de de surveillance de l’état de santé d’ une batterie à cellules explosives et dispositif mettant en œuvre ce procédé Un aspect de l’invention concerne un procédé (100) de surveillance de l’état de santé d'une batterie à cellules explosives comportant une pluralité de composants internes répartis dans une pluralité de zones (zone 1, zone 2), chaque zone de la batterie comportant au moins une cellule explosive, chaque composant interne étant associé à un moyen de vérification de cohérence dudit composant interne, le procédé comprenant au moins : une première vérification (110) de cohérence des données d'un premier composant interne d'une zone de la batterie, et une deuxième vérification (110) de cohérence des données d'un deuxième composant interne de la même zone de la batterie, les première et deuxième vérifications étant espacées d'au plus un intervalle de temps (X) prédéfini. Un autre aspect de l’invention concerne un dispositif de surveillance de l’état de santé d’une batterie à cellules explosives, comportant un organe de gestion de la batterie, localisé à l’extérieur des cellules de la batterie et mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 Procédé de surveillance de l’état de santé d’une batterie à cellules explosives et dispositif mettant en œuvre ce procédé DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne un procédé de surveillance de l’état de santé d’une batterie à cellules explosives telle qu’une batterie Li-ion ou post Li-ion. Elle concerne également un dispositif de surveillance de l’état de santé d’une batteriemettant en œuvre ce procédé. L’invention trouve des applications dans le domaine des batteries à cellules explosives et, en particulier, dans le domaine des batteries électriques destinées à l’aéronautique. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Les batteries Lithium-ion, ou Li-ion, sont des batteries à cellules explosives, c'est-à-dire dont les cellules peuvent s’emballer thermiquement et exploser. En effet, une batterie Li-ion comporte plusieurs éléments, appelés cellules, dont le nombre varie en fonction notamment de la puissance de la batterie. Chaque cellule d’une batterie Lithium-Ion comprend une électrode positive (anode), une électrode négative (cathode) et un électrolyte conducteur d’ions permettant aux ions Lithium de migrer de la cathode vers l’anode, lors du chargement de la batterie, et de l’anode vers la cathode, lors de son déchargement. Du fait même de leur conception, les batteries Lithium-ion peuvent être dangereuses car leurs cellules sont susceptibles d’exploser à la suite d’un emballement thermique, provoquant de gros dégâts. En effet, un emballement thermique peut se traduire par la génération de gaz dont certains sont toxiques, de flammes, de fumées, voire même d’explosions violentes. De nombreuses causes peuvent être à l’origine d’un emballement thermique, comme une surchauffe, un abus électrique, un abus mécanique, un abus thermique, des vibrations, etc. Si certaines de ces causes peuvent être évitées en maitrisant la manipulation et le stockage des batteries Li-ion, d’autres causes ne peuvent malheureusement pas être contrôlées, comme le défaut de fabrication. En effet, un défaut, comme une impureté qui s’introduit dans une cellule de la batterie Li-ion, au moment de la fabrication de ladite batterie, peut générer une résistance au sein de la cellule, à l’origine d’un emballement thermique. Compte tenu de la conception de ces batteries Li-ion, plus la puissance d’une batterie est élevée, plus les risques d’explosion sont élevés et plus les dommages sont grands quand la batterie libère de manière incontrôlée l'énergie stockée. Dans le domaine de l’aéronautique, les batteries doivent pouvoir être installées sur des aéronefs électriques ou des aéronefs hybrides. Les batteries doivent donc être des batteries hautes puissances. Or, si une batterie haute puissance subit un emballement thermique, en particulier lorsque l’aéronef est en vol, les conséquences peuvent être dramatiques. En effet, même si la plupart des batteries Li-ion intègrent des moyens pour contenir l’emballement thermique, l’emballement thermique ne peut être contenu très longtemps. Il est donc important que le personnel au poste de pilotage de l’aéronef puisse être averti d’un risque d’emballement thermique afin qu’il puisse interrompre le vol et prévoir un atterrissage sécurisé le plus rapidement possible. Des solutions ont été proposées pour réaliser une surveillance de l’emballement thermique. Plusieurs de ces solutions ont été décrites dans le document « A survey of methods for monitoring and detecting thermal runaway of lithium-ion batteries » de Z. Liao, S. Zhang, K. Li, G. Zhang et T. G. Habetler, Journal of Power Sources, Elsevier, 20/07/2019. Certaines de ces solutions reposent sur des algorithmes utilisant les données fournies par les capteurs présents dans la batterie, comme les capteurs de tension, les capteurs de température et les capteurs de courant. L’inconvénient de ce type de solution est qu’il faut être assuré que l’emballement thermique a effectivement lieu afin d’éviter les faux positifs ; pour cela, il convient de bien connaitre et caractériser l’emballement thermique. De plus, comme il existe une infinité de scénarii d’emballement thermique, les algorithmes intègrent généralement tous ces scénarii, ce qui conduit à sur-instrumenter la batterie et en augmenter la masse et le coût. D’autres solutions de surveillance de l’emballement thermique ont été proposées, basées sur l’ajout de capteurs dédiés tels que des capteurs de pression, de gaz, de son, etc. L’inconvénient de ce type de solutions est que l’ajout des capteurs induit un ajout de masse (du fait non seulement de la masse des capteurs mais également du volume occupé par les capteurs qui implique un boîtier de batterie plus grand) et de coût lié à l’utilisation de ces capteurs. De plus, ce type de capteurs nécessite une carte électronique pour analyser le signal renvoyé par les capteurs, ce qui augmente encore la masse et le coût de cette solution. Il existe donc un réel besoin d’un moyen permettant de surveiller l’état de santé d’une batterie Li-ion pour détecter un potentiel emballement thermique au sein de la batterie , ce moyen devant être simple à mettre en œuvre et facilement embarquable à bord d’un aéronef (c'est-à-dire avec pas ou peu de masse ajoutée). Un tel moyen est d’autant plus nécessaire qu’une norme de sécurité aéronautique contraint à embarquer au moins deux moyens dissimilaires pour détecter un emballement thermique à bord d’un aéronef. Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de complexité, de masse et de coût des moyens de surveillance de l’emballement thermique dans une batterie Li-ion, le demandeur propose un procédé de surveillance de l’état de santé d’une batterie à cellules explosives utilisant les composants internes à la batterie. Dans ce procédé, il est considéré que l’absence de données fournies par des composants internes, défectueux, constitue une source d’informations sur l’état de santé des cellules de la batterie. Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de surveillance de l’état de santé d'une batterie à cellules explosives comportant une pluralité de composants internes répartis dans une pluralité de zones, chaque zone de la batterie comportant au moins une cellule explosive, chaque composant interne étant associé à un moyen de vérification de cohérence dudit composant interne, le procédé comprenant au moins : une première vérification de cohérence des données d'un premier composant interne d'une zone de la batterie, et une deuxième vérification de cohérence des données d'un deuxième composant interne de la même zone de la batterie, les première et deuxième vérifications étant espacées d'au plus un intervalle de temps (X) prédéfini. Ce procédé permet de surveiller l’état de santé de la batterie en utilisant uniquement les composants déjà présents dans ladite batterie, ce qui permet de ne pas augmenter la masse de la batterie, ni son coût. Le procédé est en outre relativement simple à mettre en œuvre dans la mesure où, en dehors de la fenêtre de temps considérée, il est indépendant de tout scénario d’emballement thermique et toute caractérisation de la signature de l’emballement thermique. Ce procédé peut être mis en œuvre pour toutes sortes de batteries hautes puissances dont les cellules sont explosives. Il peut bien entendu être mis en œuvre sur des batteries Li-ion ou sur des batteries dont la chimie est encore en développement, appelées batteries post Li-ion. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de surveillance de l’état de santé d’une batterie selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : il comporte une détection d’un emballement thermique lorsque des premières données non-cohérentes sont détectées durant la première vérification de cohérence et que des deuxièmes données non-cohérentes sont détectées durant la deuxième vérification de cohérence. il comporte : une pluralité de première et deuxième vérifications de cohérence, chaque combinaison de première et deuxième vérifications de cohérence étant réalisée pour un ensemble de premier et deuxième composants internes, de natures différentes ; et une détection d’un emballement thermique potentiel lorsque des premières et deuxièmes données non-cohérentes sont détectées pour un ensemble de premier et deuxième composants internes. il comporte une confirmation d’emballement thermique lorsqu’au moins un premier et un deuxième emballements thermiques potentiels sont détectés, le premier emballement thermique potentiel résultant de données non-cohérentes d’un premier ensemble de premier et deuxième composants internes d’une même zone, le deuxième emballement thermique potentiel résultant de données non-cohérentes d’un deuxième ensemble de premier et deuxième composants internes de la même zone. les composants internes de la batterie comprennent au moins un capteur de données positionné à l’intérieur des cellules de la batterie et/ou au moins un bus de données positionné à proximité des cellules de la batterie. les capteurs de données comportent des capteurs de tension et/ou des capteurs de température. l’intervalle de temps est d’une durée prédéfinie, variant entre quelques minutes et quelques dizaines de minutes. une zone comporte une cellule ou un ensemble de plusieurs cellules de la batterie. le nombre de composants internes dans une même zone de la batterie est un paramètre prédéfini en fonction de la batterie, ce nombre étant au moins égal à deux. Selon un second aspect, l’invention concerne un dispositif de surveillance de l’état de santé d’une batterie à cellules explosives, caractérisé en ce qu’il comporte un organe de gestion de la batterie, localisé à l’extérieur des cellules de la batterie et mettant en œuvre le procédé tel que défini précédemment. Ce dispositif présente l’avantage de pouvoir être implanté dans un organe déjà existant de la batterie et, par conséquent, de ne générer aucune masse supplémentaire. Avantageusement, l’organe de gestion de la batterie comporte une unité de détermination d’un emballement thermique recevant, en entrée, des données relatives aux composants internes et fournissant, en sortie, une information d’emballement thermique et une localisation dudit emballement thermique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles : La représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, un mode de réalisation général du procédé de détection d’un emballement thermique selon l’invention ; La représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, un exemple du procédé selon l’invention dans lequel les composants internes comportent des capteurs de température, des capteurs de tension et des bus de données dont les pertes sont traitées parallèlement ; La représente, sous une forme schématique, une unité de détermination de l’emballement thermique selon l’invention, intégrée dans l’organe de gestion de la batterie ; La représente schématiquement un exemple d’implémentation du procédé de la ; et La représente des exemples de chronogrammes dans une simulation du procédé avec un capteur de température et un bus de données perdus. Procédé (100) de surveillance de l’état de santé d'une batterie à cellules explosives comportant une pluralité de composants internes répartis dans une pluralité de zones (zone 1, zone 2), chaque zone de la batterie comportant au moins une cellule explosive, chaque composant interne étant associé à un moyen de vérification de cohérence dudit composant interne, le procédé comprenant au moins : une première vérification (110) de cohérence des données d'un premier composant interne d'une zone de la batterie, et une deuxième vérification (110) de cohérence des données d'un deuxième composant interne de la même zone de la batterie, les première et deuxième vérifications étant espacées d'au plus un intervalle de temps (X) prédéfini. Procédé (100) selon la revendication 1, caractérisé qu’il comporte une détection (160) d’un emballement thermique lorsque des premières données non-cohérentes sont détectées durant la première vérification de cohérence et que des deuxièmes données non-cohérentes sont détectées durant la deuxième vérification de cohérence. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte : une pluralité de première et deuxième vérifications (110) de cohérence, chaque combinaison de première et deuxième vérifications de cohérence étant réalisée pour un ensemble de premier et deuxième composants internes, de natures différentes ; et une détection (140) d’un emballement thermique potentiel lorsque des premières et deuxièmes données non-cohérentes sont détectées pour un ensemble de premier et deuxième composants internes. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu’il comporte une confirmation (270) d’emballement thermique (TR) lorsqu’au moins un premier et un deuxième emballements thermiques potentiels (140) sont détectés, le premier emballement thermique potentiel (340) résultant de données non-cohérentes d’un premier ensemble de premier et deuxième composants internes d’une même zone, le deuxième emballement thermique potentiel (240) résultant de données non-cohérentes d’un deuxième ensemble de premier et deuxième composants internes de la même zone. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce les composants internes de la batterie comprennent au moins un capteur de données positionné à l’intérieur des cellules de la batterie et/ou au moins un bus de données positionné à proximité des cellules de la batterie. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capteurs de données comportent des capteurs de tension et/ou des capteurs de température. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’intervalle de temps (X) est d’une durée prédéfinie, variant entre quelques minutes et quelques dizaines de minutes. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’une zone comporte une cellule ou un ensemble de plusieurs cellules de la batterie. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le nombre de composants internes dans une même zone de la batterie est un paramètre prédéfini en fonction de la batterie, ce nombre étant au moins égal à deux. Dispositif de surveillance de l’état de santé d’une batterie à cellules explosives, caractérisé en ce qu’il comporte un organe de gestion de la batterie, localisé à l’extérieur des cellules de la batterie et mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’organe de gestion de la batterie comporte une unité (10) de détermination d’un emballement thermique recevant, en entrée, des données relatives aux composants internes (11-16) et fournissant, en sortie, une information d’emballement thermique et une localisation dudit emballement thermique (17-18).