Brevet FR3131386A1 — publié le 20230630

Procédé de détermination d’un indicateur d’état de santé (SOH) d’un accumulateur électrique, ce procédé comportant les étapes suivantes : – a) identifier une pluralité d’opérations de décharge ; – b) sélectionner dans la pluralité d’opérations de décharge au moins une opération de décharge ; – c) pour chaque opération de décharge sélectionnée : déterminer le taux d’énergie fournie par l’accumulateur électrique lors de la phase de décharge, par unité d’amplitude d’état de charge de l’accumulateur électrique ; et déterminer une valeur d’énergie totale équivalente pour une charge complète de l’accumulateur électrique ; – d) déterminer une valeur moyenne à partir des valeurs d’énergie totale équivalente relatives à chaque opération de décharge sélectionnée, et déterminer l’indicateur d’état de santé (SOH) de l’accumulateur électrique en divisant cette moyenne par la valeur de la capacité nominale en énergie (Enom) de l’accumulateur électrique. Figure pour l’abrégé : Fig.5 DÉTERMINATION DE L’ÉTAT DE SANTÉ D’UN ACCUMULATEUR ÉLECTRIQUE PAR CONVERSION L’invention concerne le domaine des accumulateurs électriques, tels que les accumulateurs électrochimiques, et vise plus particulièrement les techniques permettant de déterminer un indicateur représentatif du vieillissement d’un accumulateur électrique. ART ANTÉRIEUR Pour la gestion d’un accumulateur électrique en général, et la gestion de ses cycles de charge et de décharge, il peut être avantageux, voire nécessaire, de disposer d’un indicateur représentatif du vieillissement de l’accumulateur électrique. L’indicateur couramment employé est un paramètre dénommé « état de santé » (SOH pour « State of Health », en anglais) qui est généralement calculé en divisant la capacité de l’accumulateur à l’instant considéré, par la capacité nominale de l’accumulateur. En vieillissant, l’accumulateur perd de sa capacité et cette perte est quantifiée par l’indicateur d’état de santé, qui indique que la capacité actuelle de l’accumulateur correspond à un certain pourcentage de sa capacité nominale, notamment de sa capacité à l’état neuf, ou de sa capacité telle que communiquée par le fabricant. Les accumulateurs électriques sont généralement associés à un système de gestion de batterie (BMS pour « Battery Management System », en anglais) permettant le contrôle des cycles de charge et de décharge ainsi que de multiples opérations visant à allonger la durée de vie de l’accumulateur. Les systèmes de gestion de batterie actuels nécessitent un plus grand nombre de paramètres en entrée, avec des précisions plus fines, afin de procéder à des opérations avancées de gestion de batterie. Les techniques connues de détermination de l’état de santé d'une cellule de batterie passent généralement par une mesure de la capacité de chaque cellule de l’accumulateur électrique. Pour cela, chaque cellule est complètement déchargée puis complètement rechargée, ou complètement rechargée puis complètement déchargée. Lors de la recharge complète ou de décharge complète, la quantité de charges accumulée dans la cellule ou extraite de la cellule peut être mesurée par comptage coulométrique, ce qui revient à mesurer la capacité réelle de la cellule. Connaissant la capacité réelle de la cellule, le système de gestion de batterie peut ensuite déterminer l’état de santé de la cellule en divisant cette capacité réelle par la capacité nominale de la cellule. Un inconvénient de ces techniques de détermination de l’état de santé est qu'elles nécessitent la mise en œuvre d'une décharge complète de la cellule suivie d'une recharge complète, ou d'une recharge complète suivie d'une décharge complète, ce qui est relativement contraignant. Elle est aussi difficilement applicable au cas d’accumulateurs plus complexes, comportant de nombreuses cellules raccordées selon différents sous-ensembles, et pour lesquels les mesure à l’échelle de la cellule ne sont pas disponibles. La demande de brevet DE102019111976 décrit un procédé pour déterminer la capacité d'une batterie en utilisant une charge ou décharge partielle. Le procédé comprend la détermination d'une première tension de repos à un premier état de charge de la batterie, la détermination d'une seconde tension de repos à un second état de charge de la batterie, la détermination d'une quantité de décharge entre le premier état de charge et le second état de charge, la détermination d'un état de vieillissement de la batterie et la détermination d'une quantité charge de référence sur la base de la première tension de repos, de la seconde tension de repos et d'une caractéristique de tension de repos de référence. Dans ce cas, la courbe caractéristique de tension à vide de référence dépend de l'état de vieillissement. Le procédé comprend également la détermination de la capacité de la batterie sur la base d'une comparaison entre le taux de décharge et le taux de décharge de référence. Ce procédé nécessite au préalable de caractériser la batterie pour obtenir une caractéristique de tension à vide à différents états de vieillissement. Ceci est coûteux, fastidieux et n’est pas applicable aux ensembles complexes d’accumulateurs pour lesquels seules sont disponibles les spécifications et les mesures à l’échelle de cet ensemble. De plus, le procédé en question estime un vieillissement qui ne prend en compte que l’évolution de la capacité en courant électrique. La demande de brevet US2008/0150491 décrit une méthode permettant d'estimer la capacité réelle d'une cellule d’accumulateur à partir d'une recharge partielle de la cellule. La variation d'état de charge de la cellule nécessaire pour obtenir une estimation fiable de sa capacité réelle reste toutefois relativement élevée, ce qui peut poser problème dans certaines applications. La demande de brevet FR3018608 pallie à ce problème en utilisant des évolutions d’états de charge plus faibles. Cette méthode n’est cependant pas applicable aux accumulateurs pour lesquels l’opération de charge ne contient pas de phase à tension constante. Les publications scientifiques suivantes décrivent l’application de la méthode de comptage rainflow dans le domaine de la charge batterie: – Huang et al. « A Novel Autoregressive Rainflow—Integrated Moving Average Modeling Method for the Accurate State of Health Prediction of Lithium-Ion Batteries. » Processes 2021, 9, 795. https://doi.org/10.3390/pr9050795 ; – Huang et al. « An Improved Rainflow Algorithm Combined with Linear Criterion for the Accurate Li-ion Battery Residual Life » J. Electrochem. Sci., 16 (2021) Article ID: 21075, doi:10.20964/2021.07.29 L’invention a pour but d’améliorer les procédés de l’art antérieur, dans la détermination d’un indicateur d’état de santé d’un accumulateur électrique. À cet effet, l’invention vise un procédé de détermination d’un indicateur d’état de santé d’un accumulateur électrique, ce procédé comportant les étapes suivantes : – déterminer la capacité nominale en énergie de l’accumulateur électrique ; – acquérir des mesures de paramètres représentatifs de la tension aux bornes de l’accumulateur électrique, du courant délivré par l’accumulateur électrique, et de l’état de charge de l’accumulateur électrique, cette acquisition étant réalisée sur une période de mesure comportant une pluralité d’opérations de décharge de l’accumulateur électrique ; et – a) identifier dans la période de mesure une pluralité d’opérations de décharge ; – b) sélectionner dans la pluralité d’opérations de décharge au moins une opération de décharge ; – c) pour chaque opération de décharge sélectionnée : déterminer le taux d’énergie fournie par l’accumulateur électrique lors de la phase de décharge, par unité d’amplitude d’état de charge de l’accumulateur électrique ; et déterminer une valeur d’énergie totale équivalente pour une charge complète de l’accumulateur électrique ; – d) déterminer une valeur moyenne à partir des valeurs d’énergie totale équivalente relatives à chaque opération de décharge sélectionnée, et déterminer l’indicateur d’état de santé de l’accumulateur électrique en divisant cette moyenne par la valeur de la capacité nominale en énergie de l’accumulateur électrique. Selon un autre objet, l’invention vise un système de gestion d’un stockage d’énergie électrique, tel que des batteries, configuré pour mettre en œuvre le procédé décrit. Selon un autre objet, l’invention vise un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions qui conduisent un système de gestion de stockage d’énergie électrique à exécuter les étapes du procédé décrit. Le procédé selon l’invention détermine l’état de santé de l’accumulateur directement à partir des données disponibles et notamment des données disponibles dans un système de gestion de batterie classique, quel que soit l’échelle à laquelle ces données sont produites. En effet, un accumulateur électrique peut être constitué d’une ou plusieurs cellules élémentaires, éventuellement reliées entre elles selon différents niveaux de complexité, de façon à obtenir un générateur électrique de tension et de capacité désirée. Notamment, un accumulateur électrique peut être : – une simple cellule élémentaire ; – un module fait d’un ensemble de ces cellules élémentaires reliées ; – un rack constitué d’un ensemble de modules; – un conteneur constitué d’un ensemble de racks déconnectables ; – un ensemble de conteneurs formant une centrale de stockage. Quelle que soit l’échelle considérée pour un tel accumulateur électrique, le procédé selon l’invention détermine l’état de santé de l’accumulateur à son échelle, sans nécessiter de mesures au niveau des éventuels sous-ensembles composant l’accumulateur. Le procédé selon l’invention s’applique à tout accumulateur associé à des moyens électroniques permettant de réaliser les mesures de tension, de courant et d’état de charge nécessaires. Les systèmes de gestion de batterie classiques sont généralement capables de fournir ces données. Le procédé selon l’invention ne requiert pas d’opération spécifique telle qu’une recharge complète ou une décharge complète. Aucune intrusion n’est nécessaire dans le fonctionnement de la batterie, la détermination de l’état de santé étant réalisée avec les données classiquement disponibles, de manière totalement transparente sur les cycles de charge et de décharge. L’invention permet une estimation de la dégradation de l’état de santé des accumulateurs en termes d’évolution de l’énergie disponible, ce qui intègre en même temps l’évolution de la capacité de l’accumulateur et l’évolution de sa résistance, sans nécessiter de calcul individuel de ces grandeurs. Notamment, l’invention permet la mise en place d’une maintenance prédictive basée sur une indication fiable et précise de l’évolution de la capacité de l’accumulateur à stocker de l’énergie. De même, une gestion fine de la charge de l’accumulateur, en charge ou en décharge, est permise par l’invention. Il est par exemple possible de déterminer avec une meilleure précision le moment précis où la charge de la batterie peut être stoppée (dès lors que la batterie a fait son plein en termes d’énergie). Il est aussi possible de déterminer quelle est la charge à appliquer à l’accumulateur pour disposer en sortie d’une quantité d’énergie déterminée. Une telle gestion affinée de la charge et décharge de l’accumulateur contribue de manière significative à l’augmentation de la durée de vie des accumulateurs. Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : – à l’étape a), l’identification de la pluralité d’opérations de décharge est réalisée en identifiant des opérations de charge et de décharge et en associant par paires les minima croissants et les maxima décroissants des opérations de charge et de décharge de la période de mesure ; – à l’étape a), l’identification de la pluralité d’opérations de décharge est réalisée par application de la méthode de comptage rainflow ; – à l’étape c), le taux d’énergie fournie par l’accumulateur électrique lors de la phase de décharge, par unité d’amplitude d’état de charge de l’accumulateur électrique, est déterminé en divisant l’énergie déchargée lors de l’opération de décharge sélectionnée, par la variation de l’état de charge ; – à l’étape c), la valeur d’énergie totale équivalente de l’accumulateur est déterminée par la formule dans laquelle : est l’énergie totale équivalente de l’accumulateur ; est l’intégrale de la puissance déchargée lors de l’opération de décharge sélectionnée ; est l’état de charge initial lors de l’opération de décharge sélectionnée ; est l’état de charge final lors de l’opération de décharge sélectionnée ; – la valeur de l’énergie totale équivalente est divisée par un nombre de sous-ensembles déconnectables qui constituent l’ accumulateur électrique ; – à l’étape b), les opérations de décharge sélectionnées sont celles dont l’amplitude de variation de l’état de charge ou de la tension est supérieure à une valeur prédéterminée ; – à l’étape b), ladite valeur prédéterminée est égale à 10 % ; – à l’étape d), ladite valeur moyenne est déterminée en calculant une moyenne olympique des valeurs d’énergie totale équivalente ; – à l’étape d), ladite valeur moyenne est une moyenne glissante sur les opérations de décharge sélectionnées dont la valeur correspondante d’énergie totale équivalente est située dans un intervalle entre un seuil minimal prédéterminé et un seuil maximal prédéterminé ; – à l’étape d), lesdites valeurs d’énergie totale équivalente relatives à chaque opération de décharge sélectionnée comprennent un nombre de valeurs supérieur à une valeur minimale prédéterminée ; – ladite valeur minimale prédéterminée est de 10 ; – la capacité nominale en énergie de l’accumulateur électrique est présente en mémoire dans un système de gestion de batterie connecté à l’accumulateur électrique ; – la capacité nominale en énergie de l’accumulateur électrique est déterminée par mesure lors d’un premier cycle de charge et de décharge complètes, à la mise en service de l’accumulateur électrique ; – lesdites mesures de paramètres représentatifs de la tension aux bornes de l’accumulateur électrique, du courant délivré par l’accumulateur électrique, et de l’état de charge de l’accumulateur électrique, sont réalisées par un système de gestion de batterie connecté à l’accumulateur électrique. PRÉSENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels : – la illustre un exemple simplifié d’ensembles de cycles de charge et de décharge d’un accumulateur électrique ; – la illustre un ensemble équivalent de cycles reconstitués de l’ensemble de cycles de la ; – la illustre un premier exemple réel d’ensembles de cycles de charge et de décharge d’un accumulateur électrique ; – la illustre un deuxième exemple réel d’ensembles de cycles de charge et de décharge d’un accumulateur électrique ; – la est un organigramme illustrant une partie du procédé selon l’invention ; – la est une première illustration des valeurs obtenues par le procédé selon l’invention ; – la est une deuxième illustration des valeurs obtenues par le procédé selon l’invention. Procédé de détermination d’un indicateur d’état de santé (SOH) d’un accumulateur électrique, ce procédé comportant les étapes suivantes : – déterminer la capacité nominale en énergie (Enom) de l’accumulateur électrique ; – acquérir des mesures de paramètres représentatifs de la tension aux bornes de l’accumulateur électrique, du courant délivré par l’accumulateur électrique, et de l’état de charge (SOC) de l’accumulateur électrique, cette acquisition étant réalisée sur une période de mesure (PM) comportant une pluralité d’opérations de décharge de l’accumulateur électrique ; ce procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : – a) identifier dans la période de mesure (PM) une pluralité d’opérations de décharge ; – b) sélectionner dans la pluralité d’opérations de décharge au moins une opération de décharge ; – c) pour chaque opération de décharge sélectionnée : déterminer le taux d’énergie fournie par l’accumulateur électrique lors de la phase de décharge, par unité d’amplitude d’état de charge de l’accumulateur électrique ; et déterminer une valeur d’énergie totale équivalente pour une charge complète de l’accumulateur électrique ; – d) déterminer une valeur moyenne à partir des valeurs d’énergie totale équivalente relatives à chaque opération de décharge sélectionnée, et déterminer l’indicateur d’état de santé (SOH) de l’accumulateur électrique en divisant cette moyenne par la valeur de la capacité nominale en énergie (Enom) de l’accumulateur électrique. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à l’étape a), l’identification de la pluralité d’opérations de décharge est réalisée en identifiant des opérations de charge et de décharge et en associant par paires les minima croissants et les maxima décroissants des opérations de charge et de décharge de la période de mesure. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, à l’étape a), l’identification de la pluralité d’opérations de décharge est réalisée par application de la méthode de comptage rainflow. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape c), le taux d’énergie fournie par l’accumulateur électrique lors de la phase de décharge, par unité d’amplitude d’état de charge de l’accumulateur électrique, est déterminé en divisant l’énergie déchargée lors de l’opération de décharge sélectionnée, par la variation de l’état de charge. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, à l’étape c), la valeur d’énergie totale équivalente de l’accumulateur est déterminée par la formule suivante : dans laquelle : – est l’énergie totale équivalente de l’accumulateur ; – est l’intégrale de la puissance déchargée lors de l’opération de décharge sélectionnée ; – est l’état de charge initial lors de l’opération de décharge sélectionnée ; – est l’état de charge final lors de l’opération de décharge sélectionnée. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de l’énergie totale équivalente est divisée par un nombre de sous-ensembles déconnectables qui constituent l’accumulateur électrique. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape b), les opérations de décharge sélectionnées sont celles dont l’amplitude de variation de l’état de charge (SOC) ou de la tension est supérieure à une valeur prédéterminée. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape b), ladite valeur prédéterminée est égale à 10 %. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape d), ladite valeur moyenne est déterminée en calculant une moyenne olympique des valeurs d’énergie totale équivalente. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape d), ladite valeur moyenne est une moyenne glissante sur les opérations de décharge sélectionnées dont la valeur correspondante d’énergie totale équivalente est située dans un intervalle entre un seuil minimal prédéterminé et un seuil maximal prédéterminé. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l’étape d), lesdites valeurs d’énergie totale équivalente relatives à chaque opération de décharge sélectionnée comprennent un nombre de valeurs supérieur à une valeur minimale prédéterminée. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite valeur minimale prédéterminée est de 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capacité nominale en énergie (Enom) de l’accumulateur électrique est présente en mémoire dans un système de gestion de batterie connecté à l’accumulateur électrique. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la capacité nominale en énergie (Enom) de l’accumulateur électrique est déterminée par mesure lors d’un premier cycle de charge et de décharge complètes, à la mise en service de l’accumulateur électrique. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites mesures de paramètres représentatifs de la tension aux bornes de l’accumulateur électrique, du courant délivré par l’accumulateur électrique, et de l’état de charge (SOC) de l’accumulateur électrique, sont réalisées par un système de gestion de batterie connecté à l’accumulateur électrique. Système de gestion de stockage d’énergie électrique, caractérisé en ce qu’il est configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 15. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions qui conduisent le système de gestion de stockage d’énergie électrique selon la revendication 16 à exécuter les étapes du procédé selon l’une des revendications 1 à 15.