Brevet FR3161036A1 — publié le 20251010

L’invention porte sur un procédé de surveillance d’un élément de stockage d’énergie constitué d’une ou plusieurs cellules d’une batterie, comprenant les étapes suivantes : obtention d’une mesure de la tension ( ) aux bornes de l’élément de stockage et une mesure du courant ( ) traversant l’élément de stockage ; détermination d’une variation temporelle de la tension mesurée ; détermination une gamme d’acceptabilité de ladite variation temporelle à partir de la tension mesurée, du courant mesuré et d’un modèle électrique équivalent de l’élément de stockage; vérification que ladite variation temporelle est dans la gamme d’acceptabilité ; lorsque ladite variation temporelle n’est pas dans la gamme d’acceptabilité, déclenchement d’un mode de protection de la batterie. Figure pour l’abrégé : Figure 1 Procédé et système de surveillance d’une batterie par suivide sa tension et de son courant Le domaine de l’invention est celui de la surveillance d’une batterie électrique afin d’en détecter une potentielle anomalie. Une batterie d'accumulateurs, ou plus communément une batterie, est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée. Ces accumulateurs sont couramment désignés comme cellules. La batterie d'accumulateurs permet de stocker l'énergie électrique sous forme chimique et de la restituer sous forme de courant continu, de manière contrôlée. Les batteries sont généralement rechargeables. Les batteries rechargeables contiennent des composants inflammables et réactifs, qui peuvent réagir violemment en cas de surchauffe, de court-circuit, de surcharge ou de dommages physiques. Lorsqu'une cellule de batterie est endommagée, elle peut dégager de la chaleur et potentiellement enflammer les matériaux environnants, entraînant un incendie difficile à maîtriser et pouvant causer des dommages matériels et mettre des vies en danger. Il convient donc d’être en mesure de surveiller toute anomalie pouvant survenir dans le fonctionnement d’une batterie, afin de pouvoir prévenir tout risque d’incendie, ou même plus simplement pour garantir la disponibilité et le bon état de la batterie. Dans ce contexte, les systèmes de gestion de batterie ou BMS de l’anglais « Battery Management System » jouent un rôle crucial dans la sécurité et la performance des batteries. Un BMS surveille en permanence chaque cellule d’une batterie, contrôle les courants entrants et sortants, équilibre les charges et réagit aux anomalies potentielles. Il peut déclencher des mesures préventives telles que la coupure de l'alimentation en cas de surchauffe, de surtension ou de surintensité, minimisant ainsi les risques d'incendie ou d'explosion. De plus, le BMS permet d'optimiser l'efficacité et la durée de vie de la batterie en veillant à ce que chaque cellule fonctionne dans des limites de sécurité prédéfinies. En somme, les BMS sont essentiels pour garantir l'utilisation sûre et efficace des batteries rechargeables dans diverses applications, des véhicules électriques aux appareils électroniques. L’invention a pour objectif de proposer une solution de surveillance d’une batterie qui puisse détecter rapidement une anomalie pouvant survenir dans le fonctionnement d’une batterie et ainsi permettre une protection efficace des installations et des utilisateurs. A cet effet, l’invention propose un procédé de surveillance d’un élément de stockage d’énergie constitué d’une ou plusieurs cellules d’une batterie, comprenant les étapes suivantes : obtention d’une mesure de la tension aux bornes de l’élément de stockage et d’une mesure du courant traversant l’élément de stockage ; détermination d’une variation temporelle de la tension mesurée ; détermination d’une gamme d’acceptabilité de ladite variation temporelle à partir de la tension mesurée, du courant mesuré et d’un modèle électrique équivalent de l’élément de stockage; vérification que ladite variation temporelle est dans la gamme d’acceptabilité ; lorsque ladite variation temporelle n’est pas dans la gamme d’acceptabilité, déclenchement d’un mode de protection de la batterie. Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants : le modèle électrique équivalent est un modèle quasi-statique ; le modèle quasi-statique est constitué par l’association série d’une capacité équivalente et d’une résistance équivalente, la capacité équivalente variant en fonction de l’état de charge de l’élément de stockage et la résistance équivalente variant en fonction de la température de l’élément de stockage et de l’état de charge de l’élément de stockage ; la détermination de la gamme d’acceptabilité comprend la détermination d’une borne haute à partir d’une capacité équivalente minimale de l’élément de stockage et la détermination d’une borne basse à partir d’une capacité équivalente maximale l’élément de stockage ; la borne haute est déterminée selon , où désigne la résistance équivalente fonction de la tension à vide de l’élément de stockage et de la température de l’élément de stockage, désigne le courant mesuré, désigne la capacité équivalente minimale pour la tension à vide et une erreur supérieure admissible ; la borne basse est déterminée selon , où désigne la capacité équivalente maximale pour la tension à vide , une erreur inférieure admissible et un courant maximal d’équilibrage de l’élément de stockage ; la détermination de la gamme d’acceptabilité comprend l’estimation de la tension à vide selon , où désigne la tension mesurée et où désigne une moyenne glissante de la tension à vide. 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 représentant un exemple de modèle électrique équivalent de l’élément de stockage pouvant être utilisé dans le cadre de l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L’invention a trait à un procédé de surveillance d’un élément de stockage d’énergie constitué d’une ou plusieurs cellules d’une batterie. L’invention concerne également un contrôleur d’un système de surveillance d’une batterie qui comprend un processeur configuré pour mettre ce procédé de surveillance. Le système de surveillance peut être un système BMS. Alternativement, le système de surveillance peut être intégré au sein d’un chargeur de batterie, tel qu’un chargeur de véhicule électrique. Selon l’invention, le processeur est apte à recevoir différentes valeurs mesurées et est configuré pour traiter ces valeurs mesurées afin de détecter une éventuelle anomalie de l’élément de stockage et de déclencher le cas échéant un mode de protection de la batterie. Déclencher un mode de protection peut consister à déclencher une alerte (par exemple dans le cas d’un chargeur de batterie) ou consister à interrompre la charge de la batterie (par exemple dans le cas d’un BMS). D’une manière générale, le processeur est apte à détecter une éventuelle anomalie de l’élément de stockage en surveillant la variation de la tension aux bornes de l’élément de stockage à l’aide des valeurs mesurées et en vérifiant que cette variation est conforme à un comportement attendu dérivé d’un modèle électrique équivalent de l’élément de stockage. Le processeur est plus particulièrement configuré pour obtenir une mesure de la tension aux bornes de l’élément de stockage , une mesure du courant traversant l’élément de stockage ainsi qu’une mesure de la température de l’élément de stockage (par exemple une température moyenne des différentes cellules constituant l’élément de stockage). Le processeur est en outre configuré pour déterminer une variation temporelle de la tension mesurée , par exemple sous la forme d’une dérivée par rapport au temps . Le processeur peut notamment calculer une valeur moyenne de cette dérivée sur une fenêtre temporelle, par exemple une fenêtre temporelle d’une seconde. Le processeur est en outre configuré pour déterminer une variation temporelle du courant mesurée , par exemple sous la forme d’une dérivée par rapport au temps . Le processeur peut notamment calculer une valeur moyenne de cette dérivée sur une fenêtre temporelle, par exemple une fenêtre temporelle d’une seconde. Il peut également calculer une valeur moyenne du courant mesuré . Le processeur est en outre configuré pour déterminer une gamme d’acceptabilité de la variation temporelle de la tension mesurée à partir de la tension mesurée , du courant mesuré et d’un modèle électrique équivalent de l’élément de stockage. Le modèle électrique équivalent permet de représenter le comportement de l’élément de stockage par un réseau d’éléments équivalents. Il permet notamment de décrire par une équation la tension aux bornes de l’élément de stockage en fonction de la valeur de ces éléments équivalents et du courant traversant l’élément de stockage. Le ou les éléments équivalents peuvent prendre une valeur bornée entre une valeur minimale et une valeur maximale de sorte que la dérivée de l’équation de la tension aux bornes de l’élément de stockage est bornée entre une borne basse et une borne haute qui définissent la gamme d’acceptabilité. Soit une fonction basée sur le modèle électrique équivalent qui relie la tension mesurée aux éléments équivalents et au courant , on a alors . étant borné entre une valeur minimale et une valeur maximale , se retrouve compris entre et en absence d’anomalie de l’élément de stockage. Dans une réalisation possible, le modèle électrique équivalent est un modèle quasi-statique dans lequel les éléments équivalents ne sont pas fixes mais sont susceptibles de varier en fonction de l’état de charge de l’élément de stockage, de sa température, du sens de la sollicitation électrique (charge ou décharge) et de son état de santé. Le modèle quasi-statique peut être constitué par l’association série d’une capacité équivalente et d’une résistance équivalente , la capacité équivalente variant en fonction de l’état de charge de l’élément de stockage et la résistance équivalente variant en fonction de la température de l’élément de stockage et de l’état de charge de l’élément de stockage. Une estimation de la tension à vide de la batterie (i.e. la tension aux bornes de la capacité équivalente) indique son état de charge. Il est à noter que l’état de charge peut aussi être déterminé par d’autres méthodes tel qu’un comptage coulombique, consistant à partir de la mesure de courant faite aux bornes de la batterie, à en déduire le cumul du nombre de coulombs stockés à un instant donné dans la batterie. Comme représenté sur la figure 1, on peut donc considérer la résistance équivalente fonction de la tension à vide et de la température et la capacité équivalente fonction de la tension à vide . Dans ce cas de figure, la tension mesurée aux bornes de l’élément de stockage correspond à la somme de la tension à vide et de la tension générée par la résistance équivalente , soit . Dès lors, . Pour déterminer la gamme d’acceptabilité, le processeur peut être configuré pour déterminer une borne haute de la gamme d’acceptabilité à partir d’une capacité équivalente minimale de l’élément de stockage et déterminer une borne basse de la gamme d’acceptabilité à partir d’une capacité équivalente maximale l’élément de stockage. La borne haute peut ainsi être déterminée selon , où désigne la capacité équivalente de l’élément de stockage minimale pour la tension à vide et une erreur supérieure admissible. La borne basse peut quant à elle être déterminée selon , où désigne la capacité équivalente de l’élément de stockage maximale pour la tension à vide , une erreur inférieure admissible et un courant maximal d’équilibrage de l’élément de stockage. Pour calculer ces bornes basse et haute, le processeur peut être configuré pour interroger une mémoire du contrôleur dans lequel les valeurs , et sont enregistrées. Les capacités équivalentes de l’élément de stockage minimale et maximale à la tension à vide peuvent avoir été déterminées par analyse de capacité incrémentale, à savoir par analyse de la dérivée dQ/dV de la quantité de charges en fonction de la tension de l’élément de stockage, grâce notamment à un ensemble de mesures sur des échantillons de batterie. Les erreurs admissibles et peuvent être dépendantes de la tension de l’élément de stockage. Le courant maximal d’équilibrage peut être pris en compte ou non. Notamment, il n’est pas pris en compte lorsqu’une donnée relative à l’état de l’équilibrage n’est pas disponible ou encore lorsque cet équilibrage n’est pas mis en œuvre (par exemple parce que l’état de charge est trop faible, par exemple inférieur à 80% d’un état de charge maximal). Dans les équations précédentes, les valeurs , et peuvent être remplacées par les valeurs , et lorsque l’état de charge est connu. Ceci permet de diminuer l’erreur et donc de mieux suivre l’évolution de l’élément de stockage. On peut également considérer la température comme impactant la capacité équivalente, de la même manière qu’on a considéré son impact sur la résistance équivalente. On écrira alors Lorsque la tension à vide est utilisée plutôt que l’état de charge , la tension à vide peut être estimée selon , où désigne une moyenne glissante de la tension à vide. Cette moyenne glissante vient réaliser une moyenne sur un ensemble d’estimations précédentes de la tension à vide. Elle couvre une fenêtre temporelle dont la durée est typiquement comprise entre 30s et 10min selon le type de batterie et la vitesse maximale de chargement admissible. Après avoir déterminé la gamme d’acceptabilité, le processeur est configuré pour vérifier que la variation temporelle de la tension aux bornes de l’élément de stockage est dans la gamme d’acceptabilité. Le processeur vient ainsi vérifier que les inégalités suivantes sont bien respectées : . Enfin, le processeur est configuré pour déclencher un mode de protection de la batterie lorsque ladite variation temporelle n’est pas dans la gamme d’acceptabilité. Dans un mode de réalisation possible, différentes gammes d’acceptabilité sont déterminées en utilisant différents niveaux d’erreurs admissibles , . Il s’avère ainsi possible de disposer de différents niveaux d’alerte de sécurité (niveau faible lorsque n’est pas présent dans une gamme d’acceptabilité à faible erreur admissible mais est présent dans une gamme d’acceptabilité à plus forte erreur admissible ; niveau plus important lorsque n’est pas présent dans une gamme d’acceptabilité à plus forte erreur admissible). Dans un autre mode de réalisation, chacune des erreurs admissibles , peut être décomposée en plusieurs éléments, typiquement sous la forme , où est l’image de l’inductivité du circuit équivalent, est l’image de l’erreur d’approximation de la résistance équivalente, est l’image de l’erreur d’approximation de la capacité équivalente et représente les erreurs de mesure et d’échantillonnage et d’approximation des calculs. Il est à noter qu’un cyclage typique de l’élément de stockage peut être réalisé pour venir en reconnaitre les différents paramètres (capacité, inductance et résistance). Il est en outre possible de suivre l’évolution dans le temps de ces paramètres. Il est ainsi possible de remonter une erreur en cas de déviation trop rapide de l’un et/ou l’autre des paramètres ou en cas de capacité devenue trop faible ou de résistance devenue trop importante (par exemple du fait de connections défaillantes, de rouille ou d’altération de la chimie). On considère dans ce qui suit un exemple de valeurs possibles pour un élément de stockage composé de 70 blocs de deux cellules en parallèle mis en série. Cet élément de stockage présente une capacité , où désigne la capacité de l’élément de stockage et la capacité d’une cellule unitaire. Il est ensuite possible de prendre = 1.1 * et = 0.9 * . La résistance équivalente peut se calculer de la même façon : où désigne la résistance d’une cellule unitaire. Il est à noter que les approximations à l’échelle de l’élément de stockage peuvent être faussées dans le cas d’un élément de stockage déséquilibré. Ce déséquilibre peut toutefois être pris en compte dans les erreurs admissibles et , en rajoutant une variable dependante de l’état de charge et de l’état de santé de la batterie. Cet état de santé peut être automatiquement pris en compte en venant suivre, comme précédemment discuté, l’évolution dans le temps des différents paramètres. L’invention n’est pas limitée au processeur et au procédé précédemment décrits, mais 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 précédemment décrit. Procédé de surveillance d’un élément de stockage d’énergie constitué d’une ou plusieurs cellules d’une batterie, comprenant les étapes suivantes : obtention d’une mesure de la tension ( ) aux bornes de l’élément de stockage et d’une mesure du courant ( ) traversant l’élément de stockage ; détermination d’une variation temporelle de la tension mesurée ; détermination d’une gamme d’acceptabilité de ladite variation temporelle à partir de la tension mesurée, du courant mesuré et d’un modèle électrique équivalent de l’élément de stockage; vérification que ladite variation temporelle est dans la gamme d’acceptabilité ; lorsque ladite variation temporelle n’est pas dans la gamme d’acceptabilité, déclenchement d’un mode de protection de la batterie. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le modèle électrique équivalent est un modèle quasi-statique. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le modèle quasi-statique est constitué par l’association série d’une capacité équivalente ( ) et d’une résistance équivalente ( ), la capacité équivalente variant en fonction de l’état de charge de l’élément de stockage et la résistance équivalente variant en fonction de la température de l’élément de stockage et de l’état de charge de l’élément de stockage. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la détermination de la gamme d’acceptabilité comprend la détermination d’une borne haute à partir d’une capacité équivalente minimale de l’élément de stockage et la détermination d’une borne basse à partir d’une capacité équivalente maximale l’élément de stockage. Procédé selon la revendication 4, dans lequel : la borne haute est déterminée selon , où désigne la résistance équivalente fonction de la tension à vide de l’élément de stockage et de la température de l’élément de stockage, désigne le courant mesuré, désigne la capacité équivalente minimale pour la tension à vide et une erreur supérieure admissible ; et la borne basse est déterminée selon , où désigne la capacité équivalente maximale pour la tension à vide , une erreur inférieure admissible et un courant maximal d’équilibrage de l’élément de stockage. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la détermination de la gamme d’acceptabilité comprend l’estimation de la tension à vide selon , où désigne la tension mesurée et où désigne une moyenne glissante de la tension à vide. Contrôleur d’un système de surveillance d’une batterie, comprenant un processeur configuré pour mettre le procédé selon l’une des revendications 1 à 6. 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 6.