Agents de changement

Ajay Raghavan : Repenser les piles

« Notre objectif en 2012 était de mettre au défi ces idées reçues. J’étais un intrus arrivant avec une autre idée. »

Améliorer le fonctionnement des piles

Ajay Raghavan est un scientifique chez PARC, une entreprise de Xerox, un des centres de recherche les plus renommés au monde. En 2012, Ajay a commencé à mettre à profit son expertise en capteurs et en petites structure afin d’améliorer la performances des piles. Les résultats ont excédé ses plus folles attentes et celles de ses collègues chez PARC.

Voici un problème commun du monde moderne. Votre cellulaire ou votre ordinateur portable vous indique qu’il y a 10 % de charge restante, puis il s’éteint soudainement lorsque vous ouvrez une application intensive. Toutefois, après avoir attendu quelques minutes, vous pourrez miraculeusement le mettre à nouveau en marche.

C’est un signe que le système de gestion des piles de l’appareil ne fonctionne pas bien. Cela peut être un incident ennuyeux. Mais les conséquences d’une mauvaise gestion des piles vont bien au-delà des inconvénients quotidiens pour les utilisateurs d’ordinateurs portables et de cellulaires. Cela peut aussi entraîner des accidents industriels majeurs et des inefficacités qui coûtent au monde des milliards de dollars chaque année.

Plus important encore, l’inexactitude des systèmes de gestion des piles a empêché l’adoption du stockage en réseau et la transition mondiale des véhicules à essence aux véhicules électriques.

La course pour améliorer la performance de piles a des implications immenses pour la santé de la planète.

C’est pourquoi Ajay Raghavan, un expert dans le domaine des capteurs et des petites structures, s’est senti très excité en 2012 lorsqu’il a trouvé une idée pour insérer des capteurs à fibres optiques dans les piles pour améliorer leurs systèmes de gestion. Plus Ajay pensait à l’idée, plus il devenait excité. Il s’agissait de la première étape d’un très long et difficile parcours en innovation.

Voici l’histoire de l’ingéniosité d’un scientifique et de son équipe. Mais c’est autant une histoire de courage, de croyance et de persévérance nécessaires pour tirer profit de moments d’ingéniosité et les transformer en innovations changeant le monde.

Battery

Ajay, comment vous êtes-vous intéressé à l’ingénierie?

Eh bien, vous pourriez dire que c’est de famille. Mon père est un ingénieur. Il a travaillé pour Air India pratiquement tout sa vie. J’ai certains oncles et d’autres membres de la famille qui sont aussi ingénieurs. C’est ce qui a semé les premières graines de l’intérêt. Puis, au secondaire, j’ai eu beaucoup d’intérêt en science et en math en général. J’étais très curieux savoir comment les choses fonctionnaient : démonter les choses, les réparer. J’avais aussi un intérêt pour le côté créatif de la conception des choses et pour les rendre aussi efficaces et attrayantes que possible.

Mon baccalauréat était en génie mécanique à l’Institut indien de technologie de Bombay. C’est un élément important ont influencé ce que je suis en tant qu’ingénieur. C’est essentiellement une des meilleures facultés de génie au monde.

À quel moment vous êtes-vous intéressé aux capteurs?

Je me souviens avoir participé à un séminaire donné par un professeur en génie civil qui parlait de l’idée d’intégrer des capteurs dans des ponts pour informer les pontiers de son état en tout temps au lieu que le personnel d’entretien sorte et vérifie le pont, disons, tous les six mois. Il parlé de la manière dont cela s’applique à une vaste de gamme de structures, comme un avion et un engin spatial. Les capteurs surveillent en permanence : les algorithmes peuvent alors traiter ces flux d’états complexes pour comprendre comment la structure est en tout temps.

Ce fut mon introduction à l’idée des structures et des systèmes intelligents. Cela a vraiment touché une corde sensible et j’ai décidé d’en apprendre davantage.

Comment vous êtes-vous retrouvé à travailler chez Xerox?

Après mon diplôme, je suis allé à l’Université du Michigan, Ann Arbor où j’ai fait un projet de recherche de doctorat de cinq ans financé par la Nasa sur la manière dont ces idées pourraient s’appliquer aux avions et structures aérospatiales en général. Cependant, dans l’industrie aérospatiale, le délai habituel pour l’adoption d’une nouvelle technologie se situe entre 15 et 30 ans. Cela, pour moi, n’était pas suffisamment satisfaisant. Je voulais voir une production et un déploiement rapides des technologies sur lesquelles je pourrais travailler. Puis, j’ai découvert une possibilité de recherche chez PARC.

Battery and sattelite

Durant mon entrevue, j’ai fait une visite du laboratoire avec le directeur du laboratoire, Dr Peter Kiesel, qui travaillait sur certaines premières idées concernant la détection optique compacte à faible coût. J’ai lu que la détection optique était une option pour les systèmes intelligents et les structures intelligentes. J’ai donc vu immédiatement la possibilité très intéressante d’un gros projet.

Quel type de technologies aviez-vous en tête?

Eh bien, j’ai fait équipe avec le Dr Kiesel et nous avons étudié quelques applications possibles pour des technologies de détection optique à faible coût. Quelques propositions ont échoué en cours de route. Puis, nous avons découvert que l’ARPA-E [Advanced Research Projects Agency-Energy est une agence du département de l'Énergie aux États-Unis qui finance des projets à risque élevé avec beaucoup d’avantages] s’intéressait aux possibilités d’évaluation de l’état des systèmes de gestion des piles dans les véhicules électriques, le stockage en réseau et d’autres applications avancées.

J’avais déjà pensé brièvement à la possibilité de mettre des capteurs dans les cellules des piles, mais, à ce moment-là, j’ai commencé sérieusement à réfléchir. Alors j’ai simplement fait cette petite allusion qu’implanter peut-être un capteur à l’intérieur serait une bonne idée.

Pouvez-vous expliquer ce qu’est le système de gestion des piles?

Un système de gestion des piles surveille la santé et l’état des piles, à l’aide de paramètres tels que la tension, le courant et la température. Plus le SGP est meilleur, plus il peut protéger des piles, les aider à fournir une puissance maximale et prolonger leur vie. Lorsque les systèmes de gestion de piles ne font pas leur travail, les conséquences assez catastrophiques dans certains cas. Il y a les problèmes de piles du Boeing 787 qui ont coûté à l’industrie de l’aviation plus d’un milliard de dollars récemment. Pouvez-vous expliquer ce qu’est le système de gestion des piles? Il y a eu également des incendies dans des installations de piles de stockage en réseau. Il y a littéralement des milliards de dollars dépensés chaque année pour essayer d’améliorer la technologie des piles. C’est un secteur très important de la recherche en énergie.

Qu’est-ce qui empêche les systèmes de gestion des piles de faire leur travail?

Eh bien, la tension, le courant et la température sont tous des paramètres électriques qui sont surveillés de l’extérieur des cellules, qui ne vous indiquent pas vraiment l’état et la santé des piles en tout temps. Pour cette raison, les gens ont tendance à être vraiment prudents en ce qui concerne la manière dont ils conçoivent les blocs. Et ils ont tendance à faire vraiment attention à la manière dont ils utilisent les blocs, la pleine capacité des piles est rarement utilisée.

Battery and smartphone

C’est donc un problème pour les ordinateurs portables et les cellulaires qui s’éteignent lorsqu’une application intensive est ouverte. Cependant, vous voyez une version beaucoup plus importante de ce problème lorsque vous allez dans les véhicules électriques ou le stockage en réseau puisque les chargements et les contraintes sont beaucoup plus agressifs.

Tout le monde dans l’industrie des piles pense qu’il devrait y avoir une meilleure manière de gérer les piles. Mais personne n’avait vraiment une bonne idée de la manière de le faire parce qu’ils avaient tous la mentalité conventionnelle que « Nous avons seulement ces trois paramètres que vous pouvez surveiller à l’extérieur des cellules ». Notre objectif en 2012 était de mettre au défi ces idées reçues. J’ai vu une belle occasion d’utiliser nos capteurs de fibre optique à l’intérieur des cellules des piles.

Comment les gens avaient-ils réagi l’idée?

Je ne peux pas dire que c’était un coup sûr. Il y a eu un intérêt chez les collègues et les gens dans l’industrie des piles, mais beaucoup d’hésitation aussi. Pour être honnête, en recherche sur les piles, il y a une longue liste de personnes qui ont proposé des idées absurdes qui n’allaient nulle part. Beaucoup de gens ont essayé différentes options pour intégrer un capteur à l’intérieur d’une cellule, mais cela n’a pas fonctionné. L’intérieur d’une pile est un environnement hostile aux capteurs. Personne n’avait vraiment essayé les capteurs à capteurs à fibres optiques et j’étais un intrus arrivant avec une autre idée.

J’ai réussi à convaincre tout le monde que nous pourrions au moins remettre un document de fond de dix pages à l’ARPA-E pour essayer et obtenir du financement. Nous avons proposé cette idée initiale très brute d’intégrer les capteurs à fibres optiques et d’utiliser une version d’un affichage économique, liant cela à des petits algorithmes qui peuvent utiliser des données brutes pour déterminer ce qui se passe à l’intérieur des cellules des piles.

Fiber optics

Nous avons soumis ce document de fond et nous avons reçu un signe d’encouragement de l’ARPA-E ainsi qu’une petite suggestion de nous associer à un fabricant de piles. Puis, il y a eu cette fenêtre de quelques moins pour soumettre une proposition complète. Je pense que nous avions parlé de fabricants de piles différents à l’époque. La réponse a été un mélange très intéressant d’excitation et de peur. Un grand fabricant de piles pour voitures électriques a eu environ cinq conversations avec nous. Chaque fois, ils ont dit que c’était si intrigant et si excitant qu’ils avaient peur de tous les risques. Le temps a passé et nous étions seulement à dix jours de l’échéance de la soumission de la proposition. À l’interne chez PARC, nous avions décidé que si nous n’avions pas un partenariat avec un fabricant de piles, nous n’allions pas aller de l’avant avec la proposition.

Nous avons jusqu’à la dernière minute. Puis, un fabricant de piles à qui nous parlions, LG Chem Power, a finalement décidé de foncer. Cela s’est produit dix jours avant l’échéance. En résumé, nous n’avons pratiquement pas dormi pendant les dix jours suivants afin d’assurer que nous soumettions une proposition suffisamment décente. Nous y sommes presque parvenus!

Des mois plus tard, lorsque l’annonce du financement de l’ARPA-E a finalement été faite, nous avons tous été surpris. Nous avons reçu 4 millions de dollars pour un projet de trois ans, ce qui était au moins 1 million de dollars de plus que tout autre récompense. Presque tout le monde chez PARC était sidéré.

Battery and gas pump

Nous savions qu’il y avait beaucoup de risques techniques associés à la proposition, donc les trois années suivantes allaient devenir très intéressantes à bien des égards. Gardez à l’esprit qu’en 2012, les véhicules électriques étaient un nouveau marché.

Cette idée semble clairement gagnante, alors pourquoi a-t-elle été considérée comme étant si risquée?

Parce que c’était risqué. Il y a trois choses que dont vous devez vous assurer lorsque vous faites ceci : Un : vous n’affectez pas négativement la performance des piles, que ce soit en ce qui concerne la capacité de charge nécessaire elles peuvent tenir ou la rapidité ou la lenteur à laquelle vous pouvez décharger un cycle avec le capteur à l’intérieur de la cellule. Deux : que vous n’affectez pas l’intégrité des joints. Trois : après toute cette lutte, recevez-vous vraiment un signe qui justifie tous les efforts que vous avez déployés pour mettre le capteur à l’intérieur?

Je peux vous dire que nous avons passé par dix itérations différentes avec LG où une chose ou une autre n’a pas fonctionné en cour de route. Chaque fois que nous avons effectué une itération, c’était déchirant parce que l’équipe LG qui nous aidait était située en Corée du Sud. Chaque fois que nous leur avons envoyé des capteurs, ils ont dû les mettre dans les cellules et, puisque c’était une toute nouvelle cellule, il y avait une période d’activation de un mois avant que la cellule soit prête à faire un cycle. Ils ont dû alors nous les renvoyer.

Avez-vous déjà pensé que vous ne pourriez pas y arriver?

Je ne nie pas qu’il y avait des journées difficiles où je pensais « Oh mon Dieu, ce projet se terminera le mois prochain ». Mais ARPA-E, LG Chem et l’équipe de direction ce PARC ont continué à nous soutenir tout au long du processus. Ils n’ont jamais hésité.

Dans quelle mesure le projet SENSOR a-t-il été une réussite?

Au début du projet, tous les gens à qui nous avons parlé dans l’industrie convenaient que si nous réussissions à atteindre une précision de mesure de 2,5 %, cela serait très valable. Pour mettre cela en perspective, la technologie de pointe est de 5 % ou moins. Personne dans l’industrie des véhicules électriques ne va admettre à quel point leurs systèmes sont mauvais, mais dans les températures froides, la précision n’est probablement pas meilleure que 10 %. Les algorithmes initiaux que nous avons développés ont démontré que nous pouvons obtenir une précision de l’état des piles de 2,5 % ou mieux dans un grand nombre de conditions et de scénarios.

Notre vision est que cette technologie soit adoptée dans les véhicules électriques, alors qui sait jusqu’où elle pourrait aller? Nous avons démontré que pouvons réellement réduire le coût et la taille des lectures optiques. Beaucoup de systèmes de lectures optiques que vous pouvez avoir sur le marché de nos jours coûtent entre 15 000 $ et 35 000 $, c’est-à-dire environ le prix d’une pile de véhicules électriques. Ils ne sont pas appropriés pour les voitures : ils ne sont que des instruments de laboratoire. Toutefois, grâce à notre technologie pour la lecture des signaux de fibres optiques, vous pouvez les réduire à la taille d’un téléphone intelligent et réduire le coût à quelques centaines de dollars. Cela m’a donné beaucoup de raisons d’être optimiste de croire qu’ils peuvent être déployés sur les véhicules électriques.

Alors quelle est la prochaine étape pour le projet SENSOR?

General Motors a adopté la technologie SENSOR à l’interne pour son laboratoire de piles au Michigan. C’est le meilleur laboratoire de piles au monde, 85 000 pieds carrés dédiés seulement aux tests. Ils passent en revue une gamme beaucoup plus complète de scénarios de tests que nous ne pouvons pas faire ici. Le temps nous dira si nous survivons au test acide de la commercialisation. Mais je peux dire que, même si à un moment donné nous échouons, Dieu nous en préserve, il y a une utilisation sérieuse de cette technologie comme outil d’évaluation en laboratoires et en usines à travers le monde. Cela en soit serait un immense succès. Nous devons travailler avec notre équipe commerciale pour voir de quelle autre manière cela peut être mis en œuvre.

Quelle a été la réaction à projet chez PARC?

Cela ouvre certainement la voie à beaucoup plus de projets ARPA-E chez PARC. Lorsque nous avons présenté notre proposition à l’ARPA-E, il n’y avait aucun autre projet ARPA-E malgré de nombreuses tentatives précédentes. Aujourd’hui, il y en a huit chez PARC. Du point de vue de l’ARPA-E, nous sommes le plus important lauréat du secteur privé. Bien sûr, cela ne se limite pas au travail de mon équipe : de nombreux autres chercheurs brillants chez PARC, des gestionnaires, du personnel de soutien et des grandes organisations partenaires ont collaboré pour y arriver. Mais je pense que nous avions un certain rôle à y jouer.

Félicitations pour ce projet.

Merci. C’était agréable.

Agents of change

Nous avons tous changé le monde. Chacun d’entre nous. Chaque fois que nous respirons, notre présence notre se propage vers l’extérieur.

Mais peu d’entre nous ont l’occasion de changer beaucoup de vies pour le mieux. Et encore moins doivent le faire chaque jour. Voici le défi lancé quotidiennement aux chercheurs de Xerox : essayer et effectuer des changements.

En échange, nous leur donnons le temps et l’espace pour rêver. Puis les ressources pour transformer les rêves en réalité, que ce soit pour inventez de nouveaux matériels ayant des fonctions incroyables ou utiliser la réalité augmentée pour stimuler la mémoire les patients atteints d’Alzheimer.

Nous sommes fiers de nos agents de changement dans les centres de recherche Xerox à travers le monde.

Visitez PARC pour trouver plus d’informations sur le projet SENSOR.