Prognostics and Health Management of Batteries – a theoretical and practical study

Abstract

Les batteries sont l’élément principal d’alimentation de beaucoup d’appareils électroniques, de satellites, de véhicules et de systèmes auxiliaires. Comme conséquence, elles ont une grande incidence sur le fonctionnement correct de tous ces produits qui nous entourent et qui sont nécessaires dans la société actuelle [8]. De plus, la sensibilisation des consommateurs aux problèmes du changement climatique et l’anxiété créée par le possible épuisement des combustibles fossiles font que chaque fois plus de consommateurs se dirigent vers la voiture hybride, laquelle, en 2009, a représenté 2,8% du total de véhicules vendus aux États Unités [11]. Celle-là amplifie l’incidence des batteries dans nos vies quotidiennes. Malgré tout, les systèmes basés sur des sources d’alimentation alternatives aux combustibles fossiles, présentent encore quelques carences comme la robustesse1 ou la durabilité (les batteries se dégradent beaucoup plus vite que les composants des systèmes qui utilisent des combustibles fossiles). Compte tenu de l’enjeu mais également des problèmes encore existants, il n’est pas bizarre que des instituts comme USABC (U.S Advanced Battery Consortium2), des laboratoires comme le U.S DOE (U.S Department of Energy3) ou des entreprises comme Panasonic ou A1234 se concentrent sur l’amélioration du fonctionnement et des performances des batteries. Si dans la décennie antérieure on a obtenu une grande amélioration de la capacité de stockage et une augmentation de l’énergie spécifique grâce notamment à des progrès dans la science des matériaux, actuellement, l’objectif principal est améliorer la fiabilité des batteries [8]. Une défaillance des batteries peut causer, dans tout système, une réduction de la performance, une limitation des fonctions ou même un évènement catastrophique comme ce qui a eu lieu en avril 2000 quand un avion s’est accidenté à l’atterrissage. Le problème a été causé par une défaillance électrique d’une batterie laquelle a désactivé le déploiement de la roue d’atterrissage [8]. Cet exemple montre comme l’ignorance des états du système des batteries et la défaillance peut provoquer non seulement d’énormes couts financiers mais aussi humains ou naturels. Ainsi, l’utilisation de technologies PHM (Prognostics & Health Management) apparait comme un levier pour améliorer l’utilisation des batteries par une meilleure connaissance de leurs défaillances, ou tout simplement, de leur état au cours du temps. C’est dans ce cadre que se situe ce projet. L’objectif du stage, dans l’équipe PHM du département AS2M de l’institut de recherche FEMTO-ST, est de faire une première étude PHM des batteries (en particulier celles au lithium). Plus précisément l’étude visait, d’une part, à identifier les travaux dans le domaine, et d’autre part, à réaliser les premiers tests en utilisant des outils utilisés du sein de AS2M. Ce report est divisé en cinq parties. Nous donnons d’abord une brève description des types de problèmes traités dans la thématique du PHM. Nous réaliserons ensuite une synthèse des caractéristiques principales des batteries, ainsi que des phénomènes physiques qui ont lieu à l’intérieur. Dans une troisième partie, nous classifions les articles lus et analysons les problèmes traités et les méthodologies utilisées pour la résolution. Sur cette base, nous réalisons quelques simulations sur deux problèmes existants dans le PHM des batteries : l’estimation de l’état de charge, et l’estimation de la durée de la vie résiduelle. Pour finir, nous présentons des conclusions sur la tâche réalisée pendant le stage.