Brevet FR3161754A1 — publié le 20251031

L’invention porte sur un procédé de détermination de l’état de santé d’une cellule (C) d’une batterie par analyse de l’évolution temporelle d’une résistance interne de la cellule, ledit procédé incluant une procédure de contrôle qui comprend les étapes suivantes : obtenir une mesure d’une tension à vide ( ) de la cellule ; contrôler un circuit d’équilibrage de la cellule de manière à placer une résistance d’équilibrage ( ) en parallèle de la cellule et obtenir une mesure d’une tension équilibrée ( ) de la cellule correspondant à une tension permanente aux bornes de la cellule avec la résistance d’équilibrage placée en parallèle de la cellule ; détermination de la résistance interne de la cellule à partir de la tension à vide et de la tension équilibrée. Figure pour l’abrégé : Figure 4 Procédé de détermination de l’état de santé d’une cellule d’une batterie au moyen de son circuit d’équilibrage Le domaine de l’invention est celui des batteries d’accumulateurs et plus particulièrement celui des systèmes et procédé permettant de réaliser un suivi de l’état de santé de telles batteries. Des systèmes d’alimentation de secours sont largement utilisés dans les centres de données, les hôpitaux et les centres industriels sensibles. Ces systèmes exploitent des batteries qui restent en permanence chargées. Ces batteries sont toutefois susceptibles d'être endommagées par la corrosion, des courts-circuits internes, la sulfatation, le dessèchement et les défaillances des joints. La connaissance de leur état de santé est donc primordiale pour s’assurer que ces batteries sont en mesure de délivrer les meilleures performances possibles et de prendre le relais en cas de coupure de courant. Les procédés actuels de suivi de l’état de santé nécessitent d'effectuer un cycle de décharge complet de la batterie afin d’en évaluer la capacité réellement disponible. La réalisation d’un tel cycle de décharge vient impacter la disponibilité de ce système de sécurité, qui doit pourtant rester en permanence chargé. D’autres procédés réalisent un test de durée de vie plutôt qu’un test de capacité en venant suivre l’évolution de la résistance interne de la batterie. Cette résistance interne reste en effet relativement constante tant que la batterie n'est pas en fin de vie. À ce moment-là, la résistance interne augmente et la capacité de la batterie diminue. Suivre cette valeur aide à définir le moment opportun pour remplacer une batterie. On connait ainsi du document US 2021/0302502 A1 une solution permettant de lever une alerte lorsque la capacité interne d’une batterie diminue en dessous d’un seuil ou lorsque la résistance interne de la batterie augmente au-dessus d’un seuil. Cette solution vient estimer la résistance interne et la capacité interne d’une batterie par résolution d’un problème d’optimisation visant à minimiser une différence entre un modèle équivalent de la batterie prenant en considération une évolution de l’état de charge de la batterie lors d’un cyclage et des mesures de propriétés de la batterie telles que sa tension, son courant et sa température. L’invention a pour objectif de fournir une solution de détermination de l’état de santé d’une cellule d’une batterie à moindre coût, sans affecter sa qualité de service et sans avoir à réaliser de cyclage. A cet effet, l’invention propose un procédé de détermination de l’état de santé d’une cellule d’une batterie par analyse de l’évolution temporelle d’une résistance interne de la cellule, ledit procédé incluant une procédure de contrôle qui comprend les étapes suivantes : obtenir une mesure d’une tension à vide de la cellule ; contrôler un circuit d’équilibrage de la cellule de manière à placer une résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule et obtenir une mesure d’une tension équilibrée de la cellule correspondant à une tension permanente aux bornes de la cellule avec la résistance d’équilibrage placée en parallèle de la cellule ; détermination de la résistance interne de la cellule à partir de la tension à vide et de la tension équilibrée. Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants : la détermination de la résistance interne de la cellule comprend le calcul de , où est la résistance d’équilibrage, est la tension à vide mesurée et est la tension équilibrée mesurée ; les étapes de la procédure de contrôle sont réitérées et la procédure de contrôle fournit une valeur de la résistance interne de la cellule calculée à partir des résistances internes de la cellule déterminées à chacune des itérations des étapes de la procédure de contrôle ; la valeur de la résistance interne de la cellule fournie par la procédure de contrôle est une moyenne ou une médiane des résistances internes de la cellule déterminées à chacune des itérations des étapes de la procédure de contrôle ; la procédure de contrôle comprend une mesure de la température de la cellule ; la procédure de contrôle comprend une mesure d’une tension provisoire apparaissant aux bornes de cellule suite au placement de la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule ; la procédure de contrôle comprend la détermination d’une durée de régime transitoire correspondant à la durée pour que, suite au placement de la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule, la tension aux bornes de la cellule atteigne la tension permanente ; la procédure de contrôle est répétée dans le temps de manière à déterminer une valeur courante et une valeur antérieure de la résistance interne, l’analyse de l’évolution temporelle de la résistance interne de la cellule comprenant la détermination d’une différence entre la valeur courante et la valeur antérieure et la génération d’une alerte lorsque ladite différence est supérieure à un seuil ; il comprend en outre une mesure de la tension équilibrée réalisée pour différentes fréquences de contrôle du circuit d’équilibrage venant placer la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule. 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 FIG. 1 est un schéma d’une batterie illustrant le système de gestion de batterie associé à chacun des modules de la batterie et le circuit d’équilibrage associé à chacune des cellules d’un module ; - la FIG. 2 est un schéma d’un circuit d’équilibrage associé à une cellule de la batterie ; - la FIG. 3 est un schéma d’un modèle de circuit équivalent d’une cellule de la batterie ; - la FIG. 4 est un schéma illustrant un modèle de circuit équivalent représentant la cellule et son circuit d’équilibrage respectivement sans (à gauche) et avec (à droite) la connexion de la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule ; - la FIG. 5 est un schéma illustrant un hachage de la connexion du circuit d’équilibrage à la cellule. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La FIG. 1 est un schéma d’une batterie d’un système de stockage stationnaire ou d’un système de secours. Cette batterie comprend un ensemble de modules BM et un système de gestion énergétique EMS (« Energy Management System » en anglais). Chaque module comprend une pluralité de cellules C1, C2, …, Cn et un système de gestion de batterie BMS (« Battery Management System »). Le système BMS surveille en permanence l'état de chaque cellule du module. Il collecte des données telles que la tension, le courant et la température (notamment au moyen d’un capteur de température T). Le système BMS est en outre chargé d’assurer l'équilibrage des cellules afin que celles-ci soient au même état de charge au repos, ce qui est crucial pour optimiser les performances de la batterie et prolonger sa durée de vie. Pour ce faire, le système BMS vient piloter des circuits d’équilibrage CBU, chacun connecté en parallèle d’une cellule. La FIG. 2 représente une telle connexion d’une cellule C avec un circuit d’équilibrage CBU, en l’occurrence un circuit d’équilibrage (semi) passif à résistance shunt de commutation. Le circuit d’équilibrage comprend un capteur de tension V en parallèle de l’association série d’une résistance d’équilibrage R e et d’un commutateur à semi-conducteur Q. Le pilotage de la commutation du commutateur Q par le système BMS permet de connecter ou non la résistance d’équilibrage Re en parallèle de la cellule C. On a représenté sur la FIG. 3 un schéma d’un modèle de circuit équivalent d’une cellule de la batterie. Ce modèle inclut une source de tension V 0 représentant une tension à vide de la cellule en série avec une résistance interne ohmique R 0 . Cette association série peut en outre comprendre une inductance interne L 0 ainsi qu’un ou plusieurs circuits R//C (communément connus par « RC en parallèle ») présentant des constantes de temps différentes pour modéliser la réponse transitoire en tension de la cellule. Dans l’exemple de la FIG. 3 , le modèle de circuit équivalent comprend deux circuits R//C composés chacun par l’association parallèle d’une résistance interne de polarisation R 1 , R 2 et d’une capacité interne de polarisation C 1 , C 2 . La résistance interne ohmique R 0 et les résistances internes de polarisation R 1 , R 2 forment ensemble une résistance équivalente série R 0 + R 1 +R 2 qui modélise la résistance interne de la cellule R in t . L’invention concerne un procédé de détermination de l’état de santé d’une cellule d’une batterie par analyse de l’évolution temporelle de la résistance interne R int de la cellule. Ce procédé peut bien entendu être mis en œuvre pour tout ou partie des cellules composant la batterie. L’invention propose plus particulièrement d’utiliser le circuit d’équilibrage CBU associé à une cellule afin d’estimer la valeur de la résistance interne R int de la cellule. Comme décrit plus en détail par la suite, ce procédé vient, d’une part, mesurer la tension à vide V 0 de la cellule et, d’autre part mesurer la résistance équivalente série R 0 + R 1 +R 2 en exploitant pour ce faire la résistance d’équilibrage R e du circuit d’équilibrage CBU. L’invention vient ainsi détourner la fonction d’équilibrage pour estimer la valeur de la résistance interne R int . Elle permet de suivre l’état de santé de la cellule en exploitant un matériel (circuit CBU et système BMS) d’ores et déjà présent dans la batterie, sans nécessiter de matériel additionnel et donc à moindre coût. Le procédé selon l’invention inclut une procédure de contrôle qui peut être entamée lorsqu’aucun courant ne traverse la batterie et qui comprend les étapes suivantes : obtenir une mesure de la tension à vide V 0 de la cellule ; contrôler le circuit d’équilibrage CBU de la cellule de manière à placer la résistance d’équilibrage R e en parallèle de la cellule et obtenir une mesure d’une tension équilibrée de la cellule correspondant à une tension permanente aux bornes de la cellule avec la résistance d’équilibrage R e placée en parallèle de la cellule ; déterminer la résistance interne R int de la cellule à partir de la tension à vide V 0 et de la tension équilibrée. Il est possible de connecter les cellules une à une à leur résistance d’équilibrage afin de déterminer l’état de santé de chacune des cellules. On a représenté à gauche sur la FIG. 4 la situation selon laquelle le circuit d’équilibrage CBU est contrôlé de manière à ne pas placer la résistance d’équilibrage R e en parallèle de la cellule. Aucun courant ne traversant la cellule, la mesure V mes de la tension aux bornes de la cellule au moyen du capteur de tension V du circuit d’équilibrage CBU fournit une mesure de la tension à vide V 0 de la cellule. On a représenté à droite sur la FIG. 4 la situation selon laquelle le circuit d’équilibrage CBU est contrôlé de manière à placer la résistance d’équilibrage R e en parallèle de la cellule. A l’issue d’une période de réponse transitoire de la cellule (correspondant par exemple à une période de 10 secondes avec la résistance d’équilibrage placée en parallèle de la cellule), il est possible d’avoir accès au courant I traversant la cellule au moyen de la mesure V mes de la tension équilibrée et d’en déduire la résistance équivalente série Zmesurée selon les équations suivantes : ; et , avec la résistance à l’état passant du commutateur Q. Afin d’obtenir une détermination plus fiable de la résistance interne de la cellule, les étapes de la procédure de contrôle peuvent être réitérées (par exemple cinq fois de suite) et la procédure de contrôle fournit une valeur de la résistance interne de la cellule calculée à partir des résistances internes de la cellule déterminées à chacune des itérations des étapes de la procédure de contrôle. Cette valeur de la résistance interne peut être une moyenne ou une médiane des résistances internes de la cellule déterminées à chacune des itérations des étapes de la procédure de contrôle. Il est à noter que la résistance d’équilibrage ne doit pas varier. A cette fin, la résistance d’équilibrage peut être maintenue dans une gamme de température adéquate. Alternativement, elle peut être réalisée avec une ou plusieurs résistances dont l’assemblage (par exemple nature des composants, matériels de fabrication, qualité des liens électriques) a pour effet que la résistance d'équilibrage ne varie pas en température. La procédure de contrôle peut par ailleurs comprendre une mesure de la température de la cellule. Il est de la sorte possible de corréler les mesures de la résistance interne avec la température. Notamment, si la température de la résistance d'équilibrage est connue, il est possible d’estimer de façon assez fiable sa valeur ou sa dérivation. Par ailleurs, la connaissance de la résistance série en fonction de la température de la cellule peut permettre de fournir des informations additionnelles sur son état de santé. La procédure de contrôle est de préférence répétée dans le temps, par exemple périodiquement. Cette répétition permet notamment de déterminer une valeur courante et une valeur antérieure de la résistance interne. La valeur antérieure peut être une valeur d’origine de la résistance interne ou une valeur déterminée à une date donnée avant la date de détermination de la valeur courante (par exemple un mois avant). L’analyse de l’évolution temporelle de la résistance interne de la cellule comprend alors la détermination d’une différence entre la valeur courante et la valeur antérieure et la génération d’une alerte lorsque ladite différence est supérieure à un seuil. L’alerte ainsi générée permet de déclencher une action de maintenance ou de remplacement de la batterie. Dans une réalisation possible, la valeur du seuil est adaptée à l’état de charge et la température de la cellule. L’analyse de l’évolution temporelle de la résistance interne de la cellule permet ainsi d’en détecter une trop forte variation par rapport à l’origine (par exemple une variation supérieure à 10% de la valeur d’origine) ou une variation trop rapide dans le temps (par exemple une variation supérieure à 5% en un mois). La variation trop forte par rapport à l’origine est synonyme d’une approche d’un point de rupture de pente (dénommée « knee-point » en anglais) dans la croissance de la résistance interne en fonction d’une durée d’utilisation, ladite croissance s’accélérant après dépassement de ce point de rupture de pente. La variation trop rapide dans le temps est quant à elle synonyme d’un dépassement de ce point de rupture de pente. Cette trop forte variation ou cette variation trop rapide sont interprétées comme découlant d’une forte dégradation de l’état de santé de la cellule. Dans une réalisation possible, la procédure de contrôle comprend une mesure d’une tension provisoire apparaissant aux bornes de cellule suite au placement de la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule. La procédure de contrôle permet alors de disposer d’informations concernant la réponse transitoire de la cellule et ce faisant d’obtenir des informations sur d’autres éléments du modèle. Par exemple, la procédure de contrôle peut comprendre la détermination d’une durée de régime transitoire correspondant à la durée pour que, suite au placement de la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule, la tension aux bornes de la cellule atteigne la tension permanente. Dans une autre réalisation possible, pouvant être mise en œuvre indépendamment et/ou en complément de la procédure de contrôle précédemment décrite, une mesure de la tension équilibrée peut être réalisée pour différentes fréquences de contrôle du circuit d’équilibrage venant placer la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule. En d’autres termes, la connexion du circuit d’équilibrage à la cellule est ici hachée et la fréquence de hachage est modulée de manière à réaliser la mesure de la résistance interne à différentes pulsations (par exemple à 1Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz et 100kHz). Dans cette réalisation, comme représenté sur la figure 5, le commutateur Q est donc contrôlé par un signal carré , variant alternativement entre un niveau haut et un niveau bas selon une pulsation modulable. Avec la valeur efficace de la tension aux bornes de la cellule à la pulsation , les équations précédentes deviennent : ; et Avec le module de l’impédance mesurée et le déphasage, il est ensuite possible de remonter au modèle équivalent par corrélation avec un modèle présentant les mêmes caractéristiques que le diagramme de Bode. L’invention n’est pas limitée au procédé tel que précédemment décrit mais s’étend également à un système de gestion de batterie comprenant un contrôleur configuré pour mettre ce procédé. Le contrôleur est ainsi notamment configuré pour : obtenir d’un capteur de tension apte à mesurer une tension aux bornes d’une cellule de la batterie une mesure d’une tension à vide de la cellule ; contrôler un circuit d’équilibrage de la cellule de manière à placer une résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule ; obtenir du capteur de tension une mesure d’une tension équilibrée de la cellule correspondant à une tension permanente aux bornes de la cellule avec la résistance d’équilibrage placée en parallèle de la cellule ; déterminer une résistance interne de la cellule à partir de la tension à vide et de la tension équilibrée. Le contrôleur peut en outre être configuré pour vérifier qu’aucun courant ne traverse les cellules grâce à un capteur de courant du système BMS. L’invention s’étend également à un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé tel que précédemment décrit. Procédé de détermination de l’état de santé d’une cellule (C) d’une batterie par analyse de l’évolution temporelle d’une résistance interne de la cellule, ledit procédé incluant une procédure de contrôle qui comprend les étapes suivantes : - obtenir une mesure d’une tension à vide ( ) de la cellule ; - contrôler un circuit d’équilibrage (CBU) de la cellule de manière à placer une résistance d’équilibrage ( ) en parallèle de la cellule et obtenir une mesure d’une tension équilibrée ( ) de la cellule correspondant à une tension permanente aux bornes de la cellule avec la résistance d’équilibrage placée en parallèle de la cellule ; - détermination de la résistance interne de la cellule à partir de la tension à vide et de la tension équilibrée. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le circuit d’équilibrage (CBU) comporte un commutateur (Q) permettant de connecter la résistance d’équilibrage ( ) en parallèle de la cellule et dans lequel la résistance interne est déterminée selon la formule , où est la résistance d’équilibrage, est la tension à vide mesurée, est la tension équilibrée mesurée et est la résistance à l’état passant du commutateur (Q). Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel les étapes de la procédure de contrôle sont réitérées et dans lequel la procédure de contrôle fournit une valeur de la résistance interne de la cellule calculée à partir des résistances internes de la cellule déterminées à chacune des itérations des étapes de la procédure de contrôle. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la valeur de la résistance interne de la cellule fournie par la procédure de contrôle est une moyenne ou une médiane des résistances internes de la cellule déterminées à chacune des itérations des étapes de la procédure de contrôle. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la procédure de contrôle comprend une mesure de la température de la cellule. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la procédure de contrôle comprend une mesure d’une tension provisoire apparaissant aux bornes de cellule suite au placement de la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la procédure de contrôle comprend la détermination d’une durée de régime transitoire correspondant à la durée pour que, suite au placement de la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule, la tension aux bornes de la cellule atteigne la tension permanente. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la procédure de contrôle est répétée dans le temps de manière à déterminer une valeur courante et une valeur antérieure de la résistance interne et dans lequel l’analyse de l’évolution temporelle de la résistance interne de la cellule comprend la détermination d’une différence entre la valeur courante et la valeur antérieure et la génération d’une alerte lorsque ladite différence est supérieure à un seuil. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant en outre une mesure de la tension équilibrée réalisée pour différentes fréquences de contrôle du circuit d’équilibrage venant placer la résistance d’équilibrage en parallèle de la cellule. Système de gestion de batterie (BMS) comprenant un contrôleur configuré pour mettre le procédé selon l’une des revendications 1 à 9. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 9.