Batteries électriques plus sûres et plus facilement recyclables

Du fait que la plupart des accumulateurs Li-ion ont un comportement instable en situation de surcharge ou de sur-température, toutes les batteries Li-ion intègrent un BMS (Battery Management System) chargé a minima de protéger les accumulateurs contre les sur-températures, sur-courant, surtension et sous-tension. Les BMS moyens et hauts de gamme proposent également des fonctionnalités d'estimation de l’état de santé (SoH, de l'anglais State of Health) plus ou moins avancées. Mais l'ajout de cette "intelligence" nécessite le recours à des capteurs additionnels et à un microcontrôleur disposant d'une puissance de calcul ou de communication conséquente.

Ainsi, pour limiter le coût des batteries intégrées aux produits de consommation grand public (outillage électroportatif, trottinettes et vélos électriques, etc.), certains fabricants se contentent d'un PCM (Protection Circuit Module) aux fonctionnalités très basiques, incapables de monitorer le vieillissement excessif d'un accumulateur ou de détecter l'apparition d'un défaut d'isolement dans l'assemblage électromécanique du pack batterie suite à un choc ou à une utilisation inappropriée.

Besoin d'un diagnostic rapide et fiable de l'état des accumulateurs 

De nombreuses batteries arrivent en fin de première vie alors qu'une part importante de leurs accumulateurs ont finalement très peu vieilli. De même, il est extrêmement important d'identifier le ou les quelques éléments ayant été les plus stressés pendant la première vie de la batterie pour éviter qu'ils ne soient à l'origine d'évènements dramatiques lors de leur réutilisation en seconde vie.

Le projet se propose de continuer des travaux de recherche déjà engagés issus de l’estimation de l'état de fonctionnement de batteries Li-ion assurant l'alimentation de véhicules ou de drones à très haut degré de sécurité de fonctionnement. Cette estimation, qui nécessite une importante puissance de calcul et beaucoup de temps, peut être largement optimisée.

Une approche pragmatique consisterait à rajouter au PCM ou BMS de la batterie un petit dispositif électronique de puissance ICU (Identification Control Unit) constitué d'un microcontrôleur ainsi qu'une résistance et un transistor de puissance. La seule contrainte technique est de devoir superposer au courant de charge des impulsions de courant de très faible amplitude afin de suffisamment sensibiliser les paramètres et les états du modèle à identifier. Le faible coût de l’ICU permet d’envisager d'implémenter dans les batteries d’entrée de gamme des fonctions de monitoring évoluées jusque-là réservées exclusivement aux batteries haut de gamme, ce qui permettrait d'une part de mieux informer les utilisateurs sur l’état de santé de leur batterie, et d'autre part, de fournir toutes les informations nécessaires aux industriels du recyclage (état de santé et durée de vie restante).

Essais expérimentaux

Dans un premier temps, il s’agit de vérifier que le dispositif imaginé est valable pour des accumulateurs de différents types et de différentes chimies d'électrode et de vérifier la possibilité de réduire encore les temps de calculs.

L’équipe projet adaptera les caractéristiques du protocole d'excitation aux caractéristiques des accumulateurs testés et comparera les performances de différents algorithmes de traitement.

Réalisation du prototype d'ICU

La réalisation de l'ICU revêt deux aspects : logiciel et matériel. D'un point de vue logiciel, il faut rajouter l'implémentation du code pilotant le système électronique chargé de superposer au courant de charge des pulses. Les travaux précédents ont en effet démontré que l'amplitude, la fréquence et le rapport cyclique des pulses doivent impérativement s'adapter aux caractéristiques des accumulateurs du pack et la résolution des capteurs. Pour ce qui concerne la réalisation de la brique électronique permettant d'appliquer les pulses de courant, nous envisageons un système extrêmement simple constitué d'une résistance et d'un interrupteur de puissance dont la grille est commandée directement par port de sortie numérique du microcontrôleur. Ce dispositif, positionné en parallèle aux accumulateurs en série du pack, permet de dévier une partie infime du courant fourni par le chargeur dans la résistance, créant par différence les pulses recherchés dans le courant circulant dans les accumulateurs.

Valorisation industrielle

Alors que les travaux de R&D seront pris en charge par l'IREENA et One-Six-One, la valorisation industrielle sera pilotée par VoltR et One-sixone, en synergie avec Ouest-Valorisation. Elle sera facilitée par :

• la connaissance des spécificités du marché visé par la solution ;
• le modèle économique du traitement des batteries en fin de première vie qui a besoin d’un système de diagnostic rapide et exhaustif ;
• l'intérêt d’inclure dans le BMS des batteries de seconde vie les algorithmes de monitoring de l'état de santé d'accumulateurs ayant déjà vieilli.