Brevet FR3136114A1 — publié le 20231201

Titre : Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d' un dispositif de stockage d'énergie Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie (1) comprenant un ensemble d’étages (2) reliés électriquement entre eux en série et constitués de cellules électrochimiques reliés électriquement entre elles en parallèle, caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E2) de détermination d'une première fonction (f1) caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage, la première fonction définissant une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de l'au moins un étage, la première fonction étant définie sur une plage de tension (P) donnée. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques Domaine technique de l'invention L’invention concerne le domaine de la surveillance des dispositifs de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques, les étages étant reliés électriquement en série, chaque étage comprenant une à plusieurs cellules électrochimiques en parallèle, notamment des cellules de type Lithium-ion. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre entre les étages en série d'un tel dispositif de stockage d'énergie. L'invention porte aussi sur un équipement de surveillance configuré pour mettre en œuvre un tel procédé de détection. Etat de la technique antérieure Certains dispositifs de stockage d'énergie comprennent un ensemble d’étages de cellules électrochimiques, notamment de type lithium-ion, reliés électriquement en série afin d’obtenir une tension cible souhaitée, chaque étage comprenant une ou plusieurs cellules électrochimiques reliées électriquement en parallèle afin d’obtenir une capacité cible souhaitée. Pour différentes raisons, un déséquilibre d’état de charge couramment dénommé SOC (de l’anglicisme "State-of-Charge") peut apparaître entre les étages en série. Ce déséquilibre est couramment dénommé par l'anglicisme "cell imbalance". Parmi les raisons possibles, on peut citer des problèmes de dispersion d'état de charge lors de l’assemblage des cellules, des problèmes de dispersions d’autodécharge, de capacité, ou encore de résistance entre les cellules, pouvant eux-mêmes être la conséquence de problèmes de dispersion de fabrication des cellules, ou encore des problèmes de dispersion des conditions d’usage en opération entrainant des cinétiques de vieillissement différentes. Une fois observés, ces déséquilibres sont le plus souvent corrigés par un système électronique d’équilibrage. Toutefois, il arrive que le déséquilibre soit tel qu’il ne puisse pas être compensé. Ce déséquilibre peut alors conduire à ce qu'un étage atteigne de manière prématurée sa capacité de charge maximale, respectivement sa décharge maximale, avant les autres étages en série. Si la charge de l'étage est poursuivie après qu'il ait atteint sa capacité de charge maximale, respectivement sa capacité de décharge maximale, il peut résulter une surcharge, respectivement une sous-décharge. Ces états peuvent induire un échauffement indésirable de l’étage en série concerné, provoquer un emballement thermique, voire même un incendie de l'ensemble du dispositif de stockage d'énergie. Pour détecter un risque de déséquilibre d'un étage électrochimique d'un dispositif de stockage d'énergie, la méthode la plus répandue est basée sur l'observation de la tension aux bornes de chaque étage en série lors d'une charge ou d'une décharge complète du système de stockage électrochimique. L’étage de cellules électrochimiques présentant un risque de déséquilibre, ou déjà déséquilibré, possède en règle de générale une tension à ses bornes qui est significativement différente de la tension aux bornes des autres étages et peut ainsi être identifié. Toutefois, cette méthode présente des inconvénients. Les écarts de tension observés sont eux-mêmes fonction des conditions d’usage, à savoir de la température et du courant de charge et de décharge. Ces écarts de tension observés sont également fonction des états de charge et des états de santé (couramment dénommé SOH, de l’anglicisme "State-of-Health") considérés au moment de leur observation. Pour finir, des écarts d'état de charge ne se traduisent pas obligatoirement par des écarts en tension, notamment dans le cas des batteries Lithium Fer Phosphate (LFP), c’est-à-dire à base de phosphate de fer à l’électrode positive, qui présentent une valeur très stable de tension sur une large plage de fonctionnement, dit autrement sur une large plage d'état de charge. Cette méthode apparait ainsi en pratique difficile à calibrer pour éviter des fausses alertes, voire donc insuffisante dans certaines configurations. D'autre part, les écarts de tension entre étages sont parfois trop faibles ou ne deviennent suffisamment importants que très tardivement dans les conditions d’usage, susceptibles alors d’entrainer un problème de sécurité une fois détecté. Ainsi, lorsqu'un risque de déséquilibre est détecté par ce biais, il est généralement nécessaire d'interrompre en urgence l'utilisation du dispositif de stockage d'énergie ce qui perturbe fortement les différents équipements qui lui sont reliés. Les procédés de détection connus de l'état de la technique ne permettent donc pas une gestion simple et sereine de la maintenance des dispositifs de stockage d'énergie. On connait également des indicateurs d'état de santé fournissant un indicateur de l'état de vieillissement d'un dispositif de stockage d'énergie ou d'un étage composant le dispositif de stockage d'énergie. De tels indicateurs sont complexes à calculer et ne permettent pas de détecter un risque de défaillance par déséquilibre d'au moins un étage de cellules électrochimiques composant le dispositif de stockage d'énergie. Parallèlement, avec la généralisation des équipements embarquant une unité de stockage d'énergie, notamment les véhicules automobiles embarquant une batterie lithium-ion, il existe une quantité de plus en plus importante d'unités de stockage d'énergie, dites de seconde vie, qui peuvent être utilisées pour le stockage stationnaire d'énergie, notamment pour stocker de l'énergie électrique produite par une source de production d'énergie intermittente (par exemple de l'énergie solaire ou éolienne) en vue de restituer cette énergie de manière progressive. Ces différentes unités de stockage d'énergie sont rassemblées et connectées ensemble électriquement de manière à former un dispositif de stockage d'énergie de plus grande capacité. Comme les unités de stockage d'énergie qui composent de tels dispositifs de stockage d'énergie peuvent présenter des niveaux d'usure ou d'ancienneté différents, le risque d'observer un déséquilibre entre les unités de stockage d'énergie est particulièrement important. Présentation de l'invention Le but de l’invention est de fournir un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages de cellules électrochimiques, les étages étant reliés électriquement en série, le procédé de détection remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les procédés de détection connus de l’art antérieur. Plus précisément, un objet de l’invention est un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre qui puisse être mis en œuvre lors de charges et/ou de décharges partielles du dispositif de stockage d'énergie et permettant de détecter un tel risque de manière précoce. L'invention se rapporte à un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages reliés électriquement entre eux en série et constitués de cellules électrochimiques reliés électriquement entre elles en parallèle, le procédé de détection comprenant : - une étape de détermination d'une première fonction caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage, la première fonction définissant une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de l'au moins un étage, la première fonction étant définie sur une plage de tension donnée, - une étape de détermination d'une deuxième fonction caractérisant le fonctionnement d'un étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie, la deuxième fonction définissant une relation entre d'une part ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l’étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie et d'autre part une tension aux bornes de cet étage, la deuxième fonction étant définie sur ladite plage de tension, puis - une étape de calcul d'une différence de valeur d'amplitude ou d'une différence de valeur intégrale entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction, puis - une étape de comparaison de ladite différence à un seuil. La première fonction peut définir une relation entre d'une part une moyenne sur l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans chaque étage et d'autre part une tension moyenne aux bornes de chaque étage du dispositif de stockage d'énergie. Ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage peut être une capacité incrémentale de cet étage. Ladite plage de tension peut comprendre une limite inférieure et une limite supérieure, la limite inférieure correspondant à un premier point d'inflexion de la première fonction et/ou la limite supérieure correspondant à un deuxième point d'inflexion de la première fonction, le premier point d'inflexion et le deuxième point d'inflexion étant positionnés de part et d'autre d'une valeur maximale atteinte par la première fonction. La première fonction peut atteindre une valeur maximale pour une valeur de tension donnée, et ladite plage de tension peut comprendre une limite inférieure et une limite supérieure, la limite inférieure étant strictement supérieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale ou la limite supérieure étant strictement inférieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale. Le procédé de détection peut comprendre une étape de définition de ladite plage de tension comprenant : - une sous-étape de calcul d'un décalage de la première fonction comparativement à une précédente itération du procédé de détection, puis, - une sous-étape de calcul d'une limite inférieure et d'une limite supérieure de la plage de tension en fonction du décalage précédemment calculé. Ladite première fonction et/ou ladite deuxième fonction peuvent être déterminées : - soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime lent, notamment un régime inférieur ou égal à C/5, - soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime rapide, notamment un régime strictement supérieur à C/5, l'étape de détermination de la première fonction et/ou de la deuxième fonction comprenant alors une sous-étape de filtrage de la grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage. Ladite différence peut être égale : - à la différence entre une intégrale de la première fonction sur ladite plage de tension, et une intégrale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension, ou - à la différence entre une valeur maximale de la première fonction sur ladite plage de tension et une valeur maximale de la deuxième fonction sur ladite plage de tension. Ladite première fonction et/ou ladite deuxième fonction peuvent être déterminées lors d'une charge ou une décharge partielle du dispositif de stockage d'énergie, ladite plage de tension comprenant une limite inférieure correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie supérieur ou égal à 25% et/ou ladite plage de tension comprenant une limite supérieure correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie inférieur ou égal à 75%. L'étape de comparaison de ladite différence à un seuil peut comprendre : - une sous-étape de comparaison de ladite différence à un premier seuil et à un deuxième seuil, le deuxième seuil étant strictement supérieur au premier seuil, puis - une sous-étape de mémorisation d'un premier témoin d'alerte indiquant un risque modéré, si ladite différence est supérieure ou égale au premier seuil et strictement inférieur au deuxième seuil, et - une sous-étape de mémorisation d'un deuxième témoin d'alerte indiquant un risque élevé, si ladite différence est supérieure ou égale au deuxième seuil. Le premier seuil peut être déterminé en fonction d'une dispersion constatée de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage, et le deuxième seuil peut être déterminé en fonction d'une surcharge admissible par l’étage avant emballement thermique. L'invention se rapporte également à un équipement de surveillance d'un dispositif de stockage d'énergie comprenant un ensemble d’étages électrochimiques reliés électriquement en série, l'équipement de surveillance comprenant des moyens matériels et logiciels configurés pour mettre en œuvre le procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre du dispositif de stockage d'énergie tel que défini précédemment. L'invention se rapporte également à un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme enregistrées sur un support lisible par ordinateur pour mettre en œuvre les étapes du procédé de détection tel que défini précédemment lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L'invention se rapporte également à un support d’enregistrement de données, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme de mise en œuvre du procédé de détection tel que défini précédemment. Présentation des figures Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La est une vue schématique d'un dispositif de stockage d'énergie auquel est relié un équipement de surveillance selon un mode de réalisation de l'invention. La est un synoptique d'un procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif du stockage d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention. La est un graphique représentant la capacité incrémentale d’étages en série du dispositif de stockage d'énergie en fonction d'une tension aux bornes de chaque étage (ou groupement d’étages). La est un graphique représentant la tension aux bornes des étages en série (ou groupement d’étages) du dispositif de stockage d'énergie en fonction d'une quantité de charges électriques accumulées par chaque étage (ou groupement d’étages). La est un graphique illustrant l'évolution temporelle d'une valeur maximale de capacité incrémentale de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus haute tension à ses bornes et de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus basse tension à ses bornes. La est un graphique illustrant l'évolution temporelle d'une valeur intégrale de capacité incrémentale de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus haute tension à ses bornes et de l’étage (ou groupement d’étages) présentant la plus basse tension à ses bornes. La est un graphique illustrant l'évolution temporelle d'une différence par rapport à une moyenne de l'amplitude d'une fonction caractérisant l'étage présentant la plus basse tension à ses bornes et d'une fonction caractérisant l'étage présentant la plus haute tension à ses bornes. Procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre d'un dispositif de stockage d'énergie (1) comprenant un ensemble d’étages (2) reliés électriquement entre eux en série et constitués de cellules électrochimiques reliés électriquement entre elles en parallèle, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape (E2) de détermination d'une première fonction (f1) caractérisant un fonctionnement correct d'au moins un étage, la première fonction définissant une relation entre d'une part une grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l'au moins un étage et d'autre part une tension aux bornes de l'au moins un étage, la première fonction étant définie sur une plage de tension (P) donnée, - une étape (E3) de détermination d'une deuxième fonction (f2) caractérisant le fonctionnement d'un étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie (1), la deuxième fonction définissant une relation entre d'une part ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans l’étage présentant la plus faible tension à ses bornes parmi l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie et d'autre part une tension aux bornes de cet étage, la deuxième fonction étant définie sur ladite plage de tension, puis - une étape (E4) de calcul d'une différence de valeur d'amplitude ou d'une différence de valeur intégrale entre ladite première fonction et ladite deuxième fonction, puis - une étape (E5) de comparaison de ladite différence à un seuil. Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première fonction (f1) définit une relation entre d'une part une moyenne sur l'ensemble des étages du dispositif de stockage d'énergie de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans chaque étage et d'autre part une tension moyenne aux bornes de chaque étage du dispositif de stockage d'énergie. Procédé de détection selon l'une des revendication précédente, caractérisé en ce que ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage est une capacité incrémentale de cet étage. Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite plage de tension (P) comprend une limite inférieure (U_inf) et une limite supérieure (U_sup), la limite inférieure correspondant à un premier point d'inflexion (I1) de la première fonction et/ou la limite supérieure correspondant à un deuxième point d'inflexion (I2) de la première fonction, le premier point d'inflexion et le deuxième point d'inflexion étant positionnés de part et d'autre d'une valeur maximale (VM1) atteinte par la première fonction. Procédé de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première fonction atteint une valeur maximale (VM1) pour une valeur de tension donnée (U_VM1), et en ce que ladite plage de tension (P) comprend une limite inférieure (U_inf) et une limite supérieure (U_sup), la limite inférieure (U_inf) étant strictement supérieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale ou la limite supérieure (U_sup) étant strictement inférieure à la valeur de tension pour laquelle la première fonction atteint la valeur maximale. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E6) de définition de ladite plage de tension (P) comprenant : - une sous-étape (E61) de calcul d'un décalage de la première fonction (f1) comparativement à une précédente itération du procédé de détection, puis, - une sous-étape (E62) de calcul d'une limite inférieure (U_inf) et d'une limite supérieure (U_sup) de la plage de tension en fonction du décalage précédemment calculé. Procédé de détection selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première fonction (f1) et/ou ladite deuxième fonction (f2) sont déterminées : - soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime lent, notamment un régime inférieur ou égal à C/5, - soit lors d'une phase de charge ou de décharge du dispositif de stockage d'énergie selon un régime rapide, notamment un régime strictement supérieur à C/5, l'étape (E2, E3) de détermination de la première fonction et/ou de la deuxième fonction comprenant alors une sous-étape de filtrage de la grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage. Procédé de détection selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite différence est égale : - à la différence (A) entre une intégrale de la première fonction (f1) sur ladite plage de tension (P), et une intégrale de la deuxième fonction (f2) sur ladite plage de tension, ou - à la différence entre une valeur maximale (VM1) de la première fonction (f1) sur ladite plage de tension et une valeur maximale de la deuxième fonction (f2) sur ladite plage de tension. Procédé de détection selon l’une des revendications précédente, caractérisé en ce que ladite première fonction (f1) et/ou ladite deuxième fonction (f2) sont déterminées lors d'une charge ou une décharge partielle du dispositif de stockage d'énergie (1), ladite plage de tension (P) comprenant une limite inférieure (U_inf) correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie supérieur ou égal à 25% et/ou en ce que ladite plage de tension comprenant une limite supérieure (U_sup) correspondant à un état de charge du dispositif de stockage d'énergie inférieur ou égal à 75%. Procédé de détection selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape (E5) de comparaison de ladite différence à un seuil comprend : - une sous-étape (E51) de comparaison de ladite différence à un premier seuil et à un deuxième seuil, le deuxième seuil étant strictement supérieur au premier seuil, puis - une sous-étape (E52) de mémorisation d'un premier témoin d'alerte indiquant un risque modéré, si ladite différence est supérieure ou égale au premier seuil et strictement inférieur au deuxième seuil, et - une sous-étape (E53) de mémorisation d'un deuxième témoin d'alerte indiquant un risque élevé, si ladite différence est supérieure ou égale au deuxième seuil . Procédé de détection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier seuil est déterminé en fonction d'une dispersion constatée de ladite grandeur relative à une quantité de charges circulant dans un étage, et en ce que le deuxième seuil est déterminé en fonction d'une surcharge admissible par l’étage avant emballement thermique. Equipement de surveillance (5) d'un dispositif de stockage d'énergie (1) comprenant un ensemble d’étages (2) électrochimiques reliés électriquement en série, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens matériels (6, 7, 8) et logiciels configurés pour mettre en œuvre le procédé de détection d'un risque de défaillance par déséquilibre du dispositif de stockage d'énergie selon l'une des revendications précédentes.