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EP2771960A2 - Procede d'equilibrage du niveau de charge et de decharge d'une batterie par commutation de ses blocs de cellules - Google Patents

Procede d'equilibrage du niveau de charge et de decharge d'une batterie par commutation de ses blocs de cellules

Info

Publication number
EP2771960A2
EP2771960A2 EP12794384.3A EP12794384A EP2771960A2 EP 2771960 A2 EP2771960 A2 EP 2771960A2 EP 12794384 A EP12794384 A EP 12794384A EP 2771960 A2 EP2771960 A2 EP 2771960A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
block
blocks
charge
charging
cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP12794384.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Anh-Linh BUI-VAN
Frédéric SAUNEUF
Pierre Perichon
Sébastien CARCOUET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SA
Renault SAS
Original Assignee
Renault SA
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SA, Renault SAS filed Critical Renault SA
Publication of EP2771960A2 publication Critical patent/EP2771960A2/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a method of balancing the charge level of a battery by switching its cell blocks. It applies in particular, but not exclusively, to Lithium-ion (Li-ion) batteries supplying the traction chain of electric or hybrid vehicles.
  • Li-ion Lithium-ion
  • Li-ion batteries are particularly suitable for powering the power train of an electric or hybrid vehicle.
  • a Li-ion cell is an elementary component that contains a certain amount of electrolyte, whether it is a solid or liquid electrolyte, through which lithium ions can migrate between a cathode and an anode.
  • this migration of ions is at the origin of the accumulation of an electric charge in the cell.
  • this migration of ions is at the origin of an electric current discharged between the cathode and the anode of the cell.
  • a Li-ion battery In a Li-ion battery, a plurality of Li-ion cells are first assembled and connected in series and / or in parallel to form a block, then a plurality of blocks are assembled and connected in series and / or in parallel for to form a "pack" according to the English terminology.
  • An electronic control unit commonly called “Battery Management System” (BMS) according to the English terminology, is added to the pack to form a battery.
  • BMS Battery Management System
  • the role of the BMS is, inter alia, to provide cumulative load balancing functions in the cells.
  • the maximum charge and maximum discharge levels of each cell must be controlled in order to make the best use of the charge and discharge capacity of the battery: without balancing, the maximum charge level of the battery would be limited at the load of the cell first reaching its maximum load and its maximum discharge level would be limited to the charge level of the cell first reaching its minimum load.
  • balancing the level of charge and discharge reduces the number of charge-discharge cycles, maximizes battery life, and increases the available battery life for a charge / discharge cycle.
  • load balancing and discharge also contributes to securing the vehicle.
  • Passive BMSs exist which, based on measurements of local voltages at the terminals of each cell, balance the charge level by dissipation of energy. This may include having resistors at the terminals of each cell to dissipate energy.
  • a major disadvantage of this type of system is that it does not allow balancing during the discharge.
  • Another disadvantage of this type of system is that the energy dissipated via balancing currents in the resistors is lost.
  • Another disadvantage is that the balancing currents are limited to about 10 to 100 mA in this type of system for reasons of thermal limitation, and therefore the associated balancing times can be long. This is a technical problem that the present invention proposes to solve.
  • the invention is in particular to accelerate the balancing and make the best use of the capacity of the blocks to increase the range of the vehicle.
  • the invention relates to a device for globally balancing the electric charge levels of a plurality of cell blocks.
  • the blocks are able to be connected in a circuit during a charging phase during which the cells of the connected blocks accumulate charge and during a discharge phase during which the cells of the connected blocks return the charge in the form of electric current.
  • the device includes at least one serial switch and a parallel switch.
  • the series switch is capable, when in the closed position and the parallel switch is in the open position, to connect in the circuit a block in series with the other blocks, so that said block is connected during the charging phases and discharge.
  • the parallel switch is able, when in the closed position and the serial switch is in the open position, to put said block out of the circuit, so that said block is disconnected if discharge disconnection criteria are met during the phase discharge or if disconnection criteria in charge are met during the charging phase, said block further comprising means for locally balancing the charge levels of its cells when disconnected.
  • the means for locally balancing the charge levels of the cells of said block Bi may include means for measuring the voltages at the terminals of said cells, so as to deduce their charge level.
  • these means for measuring the cell terminal voltages may include an integrated circuit having a plurality of voltage measurement channels.
  • the means for locally balancing the charge levels of the cells of said block may further include means for dissipating the energy of the overloaded cells in said block.
  • the means for locally balancing the charge levels of the cells of said block may further include means for transferring the energy of the overloaded cells to other cells of said block.
  • the discharge disconnection criteria of said block may include exceeding a limit discharge level of said block while the electric current it restores is greater than a given threshold.
  • the discharge disconnection criteria of said block may include exceeding the maximum discharge level of said block while the electric current it restores is below a given threshold.
  • the disconnection criteria in charge of said block may include exceeding a limit load level of said block while the charging electric current applied to it is greater than a given threshold.
  • the disconnection criteria in charge of said block may include exceeding the maximum charge level of said block while the charging electric current applied to it is below a given threshold.
  • the cells may be lithium ion cells.
  • the invention also relates to a traction battery for an electric or hybrid vehicle comprising such a device for overall balancing the charge levels between its cell blocks.
  • the invention also relates to an electric or hybrid vehicle comprising such a traction battery.
  • the subject of the present invention is also a method for charging a battery according to the invention, the method being characterized in that it comprises successive charging phases with decreasing intensity of charging currents from one phase to the next. , all blocks not having a state of charge substantially equal to 100% being connected at the beginning of each phase.
  • a block of said blocks not having a state of charge substantially equal to 100% is disconnected temporarily until the beginning of the next phase if the voltage at its terminals has reached a predetermined maximum threshold, said threshold depending on the current intensity charging current. It is disconnected permanently until the end of the charging process if its state of charge has reached substantially 100%.
  • the transition from the current phase to the next phase is triggered when the number of blocks still connected reaches a predetermined minimum number between 1 and the number of blocks which was connected at the beginning of the current phase.
  • the subject of the present invention is also another method of charging a battery according to the invention, the method being characterized in that it comprises successive charging phases with decreasing intensity of charging currents from one phase to the next. next, the least loaded blocks among those not having a state of charge substantially equal to 100% being connected at the beginning of each phase. These least loaded blocks are determined cyclically at fixed and predetermined time intervals. A block among these least charged blocks is disconnected temporarily until the beginning of one of the subsequent charging phases, if the voltage at its terminals has reached a predetermined maximum threshold, said threshold depending on the current intensity of the charging current. It is disconnected permanently until the end of the charging process if its state of charge has reached substantially 100%. The transition from the current phase to the next phase is triggered when the number of blocks still connected reaches a predetermined minimum number between 1 and the number of blocks that was connected at the beginning of the current phase
  • the present invention has the main advantage of rapidly balancing the level of charge between the blocks, which is particularly suitable for fast charge processes.
  • the invention also makes it possible to increase the range of the vehicle due to the optimized use of the blocks constituting the battery pack. Indeed, if one of the blocks has reached its maximum charge or discharge level, then the system can isolate it to continue to work on the other blocks.
  • the invention also makes it possible to limit the losses during a transfer of energy from one block to another, thus optimizing the energy efficiency of the BMS.
  • FIG. 2 by a block diagram, an exemplary pack configuration according to the invention in which all the blocks are connected;
  • FIG. 3 by a block diagram, an exemplary pack configuration according to the invention in which a single block is disconnected;
  • FIGS. 4 to 9 which illustrate, by means of graphs, examples of fast charging methods that can be implemented in a battery pack according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates by a block diagram an example of a battery pack according to the invention for an electric or hybrid vehicle.
  • the illustrated pack has N blocks Bi with 1 ⁇ i ⁇ N-1 and N> 6 in the illustrated example, of which only four blocks referenced B1, B2, B3 and B4 are shown in FIG.
  • Each of the blocks B1, B2, B3 and B4 comprises six Li-ion cells connected in series, referenced C1 1, C12, C13, C14, C15 and C16 in block B1, referenced C21, C22, C23, C24, C25 and C26. in block B2, referenced C31, C32, C33, C34, C35 and C36 in block B3 and referenced C41, C42, C43, C44, C45 and C46 in block B4.
  • Each of the blocks B1, B2, B3 and B4 further comprises an integrated circuit for measuring the voltage at the terminals of each of the cells internal to the block, these circuits being referenced IC1, IC2, IC3 and IC4 respectively. Since each of the circuits IC1, IC2, IC3 and IC4 can measure between 6 and 16 cell voltages in the present nonlimiting example, of which only 6 measured cell voltages are shown in FIG. 1, the circuit IC1 can advantageously measure the voltage across each of the terminals.
  • the circuit IC2 can advantageously measure the voltage across each of the cells C21, C22, C23, C24, C25 and C26 in the block B2
  • the IC3 circuit can advantageously measure the voltage across each of the cells C31, C32, C33, C34, C35 and C36 in the block B3
  • the IC4 circuit can advantageously measure the voltage across each of the cells C41, C2, C43, C44 , C45 and C46 in the block B4.
  • Each of the blocks B1, B2, B3 and B4 further comprises a local balancing module referenced M1, M2, M3 and M4 respectively.
  • the module M1 advantageously makes it possible to balance the charge between the cells C1 1, C12, C13, C14, C15 and C16 in the block B1 from the voltage measurements supplied to it by the circuit IC1.
  • the module M2 advantageously balances the charge between the cells C21, C22, C23, C24, C25 and C26 in the block B2 from the voltage measurements supplied to it by the circuit IC2.
  • the module M3 advantageously makes it possible to balance the charge between the cells C31, C32, C33, C34, C35 and C36 in the block B3 from the voltage measurements supplied to it by the circuit IC3.
  • the module M4 advantageously makes it possible to balance the load between the cells C41, C2, C43, C44, C45 and C46 in the block B4 from the voltage measurements supplied to it by the circuit IC4.
  • the local balancing modules M1, M2, M3 and M4 can indifferently implement solutions for passive balancing by energy dissipation or active balancing solutions. energy transfer.
  • the invention proposes to combine local balancing, whether active or passive, with switching blocks.
  • the switching of blocks is advantageously provided by switches which make it possible to connect the N blocks of the pack to each other judiciously.
  • switches make it possible to connect in series all or part of the N blocks of the pack.
  • a switch SS1 in the closed position makes it possible to connect the negative pole of a block B0 not shown in FIG. 1 to the positive pole of the block B1.
  • a switch SS2 in the closed position makes it possible to connect the negative pole of the block B1 to the positive pole of the block B2.
  • a switch SS3 in the closed position makes it possible to connect the negative pole of the block B2 to the positive pole of the block B3.
  • a switch SS4 in the closed position makes it possible to connect the negative pole of the block B3 to the positive pole of the block B4.
  • a switch in the closed position not shown in FIG. 1 also makes it possible to connect the negative pole of the block B4 to the positive pole of a block B5 not shown in FIG. 1.
  • the switches SSi (0 ⁇ i ⁇ N-1) will sometimes be called "serial switches" in the remainder of this application.
  • switches assembled in parallel N blocks of the pack allow, in combination with the series switches, to selectively disconnect all or part of the N blocks of the pack.
  • a switch PS1 is assembled in parallel with the block B1 so that the block B1 is disconnected from the pack when the switch SS1 is in the open position and the switch PS1 is in the closed position, the block B1 not being connected to the pack only when the switch SS1 is in the closed position and the switch PS1 is in the open position.
  • a switch PS2 is connected in parallel with the block B2 so that the block B2 is disconnected from the pack when the switch SS2 is in the open position and the switch PS2 is in the closed position, the block B2 being connected to the pack only when the SS2 switch is in the closed position and the PS2 switch is in the open position.
  • a switch PS3 is assembled in parallel with the block B3 so that the block B3 is disconnected from the pack when the switch SS3 is in the open position and the switch PS3 is in the closed position, the block B3 being connected to the pack only when the SS3 switch is in the closed position and the PS3 switch is in the open position.
  • a switch PS4 is assembled in parallel with the block B4 so that the block B4 is disconnected from the pack when the switch SS4 is in the open position and the switch PS4 is in the closed position, the block B4 being connected to the pack only when the SS4 switch is in the closed position and the PS4 switch is in the open position.
  • the switches PSi (0 ⁇ i ⁇ N-1) will sometimes be called "parallel switches" in the remainder of this application.
  • FIG. 2 illustrates the configuration where all modules B1, B2, B3 and B4 are connected.
  • the modules B1, B3 and B4 are connected, only the module B2 is disconnected.
  • This control in opposition of a serial switch and a parallel switch, one being in the open position when the other is in the closed position and vice versa, is provided by a control system not shown in FIG. 1, who develops steering commands for the switches from vehicle status information.
  • This control system may for example include an intelligence hosted by an electronic circuit such as a microcontroller, this microcontroller can also be associated with other systems such as the BMS or a vehicle supervisor.
  • This control system may also include "drivers" according to the English terminology, which are electronic components that control the switches based on the command received from the intelligence.
  • a first charging phase all the series switches SSi (0 ⁇ i ⁇ N-1) are in the closed position and all the parallel switches PSi (0 ⁇ i ⁇ N-1) are in the open position as in the example of FIG. 2: all the blocks Bi (0 ⁇ i ⁇ N-1) of the pack are then connected and recharged.
  • This recharge is not uniform for all blocks Bi (0 ⁇ i ⁇ N-1), because they do not all have the same characteristics and do not all have the same temperature.
  • the block (s) having reached their high current limit load level eg fast charging
  • This high current limit load level can be of the order of 70 to 80% of the maximum charge level depending on the internal resistance of the cells.
  • it is the block B2 which is disconnected by opening the serial switch SS2 and closing the parallel switch PS2. It should be noted that, because of the internal resistances of the cells, this high current limit load level is not the maximum attainable level of charge. Disconnected blocks are no longer reloaded but can continue their local balancing; the other connected blocks continue their load. In a third charging phase, the previously disconnected block (s) can be reconnected to the pack by opening their parallel switch and closing their serial switch to continue charging under a lower current, gradually reducing the load current to achieve higher level of charge, for example by dichotomy on the intensity of the charging current.
  • the block or blocks having reached their limit discharge level in particular under high current (greater than 50-100A depending on the internal resistance of the cells), can be disconnected by opening their serial switch and closing their parallel switch.
  • it is the block B2 which is disconnected by opening the serial switch SS2 and closing the parallel switch PS2.
  • the disconnected blocks are no longer discharged, while the other blocks that remain connected continue to discharge.
  • this high current limit discharge level is not the maximum attainable discharge level, which can be of the order of 20% of the high current limit discharge level.
  • the previously disconnected block (s) can be reconnected to the pack by opening their parallel switch and closing their serial switch to continue their discharge under a lower current. This cycle can be repeated until the maximum complete discharge of the pack.
  • the switches may be field effect transistors, better known by the acronym MosFet, because they have many advantages in the present embodiment.
  • MosFets have a low resistance in the on state, that is to say in the closed position, this resistance can go down to 0.7 milli-ohms, non-limiting example depending on the state of the art. current art, typically for a voltage withstand of 40V and a current rating of the order of one hundred amperes.
  • each MosFet can advantageously be replaced by several MosFets in parallel, the MosFets being easily parallelizable because of positive temperature coefficient.
  • Mosfets in parallel makes it possible to divide the current between the Mosfets and to make their use, with controlled losses, compatible of the intensity of the balancing currents from one block to another which can go up to several hundreds of 'Amps in the case of a traction battery of an electric or hybrid vehicle.
  • the MosFets require little energy to control the transition between the on state and the off state.
  • MosFets are already well-distributed components in the automotive field.
  • the power circuit which includes serial and parallel switches, is sized to be compatible with block-to-block balancing currents of several hundred amperes. It can be made in an insulated metal substrate or, so as to have an economic system, on a multilayer PCB (Printed Circuit Board). Advantageously, it can be made to simplify as much as possible the assembly and the mechanical separation of the blocks between them.
  • a complete block may include the cells, the voltage measurement circuit, the local balancing module and, on the same card, the power circuit including the series and parallel switches and the system. control of these switches.
  • a communication link connecting the blocks to each other and to the other systems of the vehicle makes it possible to recover the vehicle status information from which the control system derives its control commands for the serial and parallel switches.
  • the mass of such an integrated block can be less than 20 kilograms, which facilitates handling by a maintenance operator.
  • the main advantage of the invention is that it contributes to the safety of persons by limiting the maximum voltage to which a maintenance operator can be subjected to the voltage of a single block, all the switches being able to be opened automatically in the event of accident or even whenever the vehicle is stopped.
  • the voltage at the terminals of each block can be chosen at a value below a safety voltage of 60 volts, eight to twelve blocks can then be sufficient to reach a voltage of 400 volts across the battery, such voltage being adapted to the needs of an electric or hybrid vehicle.
  • the invention makes configurable battery pack in which each of the blocks can be connected or disconnected easily.
  • This configurability simplifies the assembly and disassembly of a block of the pack and allows the combination of blocks of different technologies in the pack, following the failure of a block for example.
  • This configurability also allows a more flexible mechanical integration of the pack in the vehicle, the blocks of the battery can be divided to optimize the space in the cabin or in the trunk.
  • This configurability makes it possible to standardize the blocks and the pack that accommodates them, this pack being able to accommodate a variable number of blocks depending on the range of the vehicle and the expected autonomy in this range, and consequently to reduce the costs of development and logistics.
  • the device according to the present invention makes it possible, by judiciously adjusting its disconnection criteria under load, to implement advantageous methods of fast charging.
  • the battery pack illustrated by FIGS. 1 to 3 is connected to a fast charger delivering a high charging power of the order of 43 kilowatts for example.
  • a fast charger delivering a high charging power of the order of 43 kilowatts for example.
  • all the blocks that is to say the N blocks whose B1 to B4, can be connected, as shown in Figure 2.
  • the N blocks are reloaded simultaneously.
  • the charger may for example limit the current to 100A for a load of 43kW.
  • a first criterion of temporary disconnection that is to say disconnection as long as the charging current is not decreased, which is satisfied if the voltage across the block reaches its maximum value; it is the voltage under charge, that is to say when a current is applied to its terminals;
  • a second definitive disconnection criterion which is satisfied if the charge of the block is completed, that is to say if it has reached a state of charge, or a "SOC" according to the acronym for " State Of Charge ", of the order of 100%.
  • the charging power is of the order of 43kW in the examples which follow.
  • the minimum number of connected blocks has been set at 4, this value corresponding to the minimum voltage allowed by the charger.
  • the current can be reduced by a factor of 2 each time one of the disconnection criteria described above is satisfied.
  • the load is broken down into two distinct phases: a maximum current charging phase at 100A and balancing the most charged blocks, this phase making it possible to very quickly reach a state of charge of the order of 84% depending on the characteristics of the electrochemical cells and the charging current, then an end of charge phase at a reduced current of less than 60A, the state of charge then varying more slowly from 84% to 100%.
  • the most unbalanced blocks namely blocks 1, 2 and 4
  • the least unbalanced blocks namely blocks 3, 5, 6, 7 and 8, remain unbalanced until the end of the load.
  • the second phase is much shorter, since the 100% full charge is reached after approximately 2300 seconds instead of 2700 seconds.
  • this method of fast charge for a battery of 62Ah, one obtains an SOC of 84% in 1500s with a rebalancing of M 'most loaded blocks, where M' ⁇ 1 whole.
  • the number M ' depends on the capacity of the charger to operate with a low voltage.
  • the value of 84%, for its part, is limited by the internal resistance of the electrochemical cells.
  • a 100% complete charge of SOC is obtained (when the charging current is zero) without improving the balancing previously obtained, with an additional charge of 800 seconds.
  • the load power is lower, namely 20kW instead of 43kW, with a reduction coefficient equal to 1.1.
  • a second method of fast charging can be to balance the M "least charged blocks, where M"> 1 integer, by connecting only these Then, we recalculate the state of charge of the blocks punctually and reconnect the M "least loaded blocks.
  • M the number of connectable blocks at a given moment
  • the charging current is reduced until the number of connectable blocks is compatible with the minimum operating voltage of the charger, or that the charging current is zero, which means that charging is complete.
  • FIG. 8 illustrates, in a representation system identical to that of FIGS.
  • the charging time increases slightly: the first phase at maximum power lasts 2000 seconds instead of 1600 seconds with the first method, the end of charge being reached after 3300 seconds instead of 2300 to 2500 seconds with the first
  • this second method for a 62Ah battery, an acceptable balancing of the blocks is quickly obtained, the dispersion being reduced to about 3Ah between the blocks. This is particularly interesting in the case where one would choose to interrupt the load before it is complete, even if this improvement in balancing is at the expense of charging time.
  • it is possible to reduce these load times by implementing a compromise between the two fast charging methods: a balancing phase according to the second method, followed by a complete charging phase according to the first method.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour équilibrer globalement les niveaux de charge électrique d'une pluralité de blocs de cellules dans une batterie. Les blocs sont aptes à être connectés dans un circuit durant une phase de charge pendant laquelle les cellules des blocs connectés accumulent de la charge et durant une phase de décharge pendant laquelle les cellules des blocs connectés restituent la charge sous forme de courant électrique. Le dispositif comporte au moins un commutateur série et un commutateur parallèle. Le commutateur série est apte, lorsqu'il est en position fermée et que le commutateur parallèle est en position ouverte, à connecter dans le circuit un bloc en série avec les autres blocs, de sorte que ledit bloc est connecté pendant les phases de charge et de décharge. Le commutateur parallèle est apte, lorsqu'il est en position fermée et que le commutateur série est en position ouverte, à mettre ledit bloc hors du circuit, de sorte que ledit bloc est déconnecté si des critères de déconnexion en décharge sont satisfaits durant la phase de décharge ou si des critères de déconnexion en charge sont satisfaits durant la phase de charge, ledit bloc comportant en outre des moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge de ses cellules lorsqu'il est déconnecté.

Description

Procédé d'équilibrage du niveau de charge et de décharge d'une batterie par commutation de ses blocs de cellules
La présente invention concerne un procédé d'équilibrage du niveau de charge d'une batterie par commutation de ses blocs de cellules. Elle s'applique notamment, mais pas exclusivement, aux batteries Lithium- ion (Li-ion) alimentant la chaîne de traction des véhicules électriques ou hybrides.
De par leur tension élevée et leur forte densité d'énergie, les batteries Li-ion sont particulièrement adaptées pour alimenter la chaîne de traction d'un véhicule électrique ou hybride. Dans une telle batterie, une cellule Li-ion est un composant élémentaire qui renferme une certaine quantité d'électrolyte, qu'il s'agisse d'un électrolyte solide ou liquide, à travers lequel peuvent migrer des ions de lithium entre une cathode et une anode. En phase de charge de la batterie, cette migration d'ions est à l'origine de l'accumulation d'une charge électrique dans la cellule. En phase de décharge de la batterie, cette migration d'ions est à l'origine d'un courant électrique débité entre la cathode et l'anode de la cellule. Dans une batterie Li-ion, une pluralité de cellules Li-ion sont d'abord assemblées et connectées en série et/ou en parallèle pour former un bloc, puis une pluralité de blocs sont assemblés et connectés en série et/ou en parallèle pour former un « pack » selon la terminologie anglo-saxonne. Une unité électronique de contrôle, couramment appelée « Battery Management System » (BMS) selon la terminologie anglo-saxonne, est adjointe au pack pour former une batterie. Le rôle du BMS est, entre autres, d'assurer des fonctions d'équilibrage des charges cumulées dans les cellules. En effet, les niveaux de charge maximum et de décharge maximum de chaque cellule doivent être contrôlés afin d'exploiter au mieux la capacité de charge et de décharge de la batterie : sans équilibrage, le niveau de charge maximal de la batterie serait limité au niveau de charge de la cellule atteignant en premier sa charge maximale et son niveau de décharge maximum serait limité au niveau de charge de la cellule atteignant en premier sa charge minimale. En optimisant ainsi l'exploitation de la capacité de charge et de décharge de la batterie, l'équilibrage du niveau de charge et de décharge réduit le nombre de cycles de charge-décharge, maximise la durée de vie de la batterie, et augmente l'autonomie disponible pour un cycle de charge/décharge. En évitant la surcharge, la surchauffe des cellules et éventuellement leur destruction, l'équilibrage de charge et de décharge participe également à la sécurisation du véhicule.
Il existe des BMS passifs qui, sur la base de mesures de tensions locales aux bornes de chaque cellule, équilibrent le niveau de charge par dissipation d'énergie. Cela peut consister à disposer des résistances aux bornes de chaque cellule afin de dissiper l'énergie. Un inconvénient majeur de ce type de système est qu'il ne permet pas l'équilibrage pendant la décharge. Un autre inconvénient de ce type de système est que l'énergie dissipée via des courants d'équilibrage dans les résistances est perdue. Un autre inconvénient enfin est que les courants d'équilibrage sont limités à environ 10 à 100mA dans ce type de système pour des raisons de limitation thermique, et donc que les temps d'équilibrage associés peuvent être longs. Il s'agit là d'un problème technique que la présente invention se propose de résoudre.
Il existe également des BMS actifs qui, toujours sur la base de mesures des tensions locales aux bornes de chaque cellule, équilibrent la charge par transfert d'énergie. Par exemple, la demande internationale WO 2004/049540 divulgue un BMS actif comportant des dispositifs de transfert d'énergie d'une cellule à une autre au sein d'un bloc ou d'un bloc à un autre via des courants d'équilibrage de quelques ampères (A). Ce système actif permet l'équilibrage pendant la charge mais aussi pendant la décharge et réduit les pertes d'énergie. Néanmoins, un inconvénient majeur de ce système est que, les blocs ayant des références de potentiels différentes, les transferts d'énergie entre blocs sont généralement réalisés par utilisation de transformateurs isolés de type « flyback » selon l'expression anglo-saxonne, qui s'avèrent onéreux, encombrants et qui réduisent énormément le rendement énergétique du système. Il s'agit là encore d'un problème technique que la présente invention se propose de résoudre. L'invention a notamment pour but d'accélérer l'équilibrage et d'exploiter au mieux la capacité des blocs afin d'augmenter l'autonomie du véhicule. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour équilibrer globalement les niveaux de charge électrique d'une pluralité de blocs de cellules. Les blocs sont aptes à être connectés dans un circuit durant une phase de charge pendant laquelle les cellules des blocs connectés accumulent de la charge et durant une phase de décharge pendant laquelle les cellules des blocs connectés restituent la charge sous forme de courant électrique. Le dispositif comporte au moins un commutateur série et un commutateur parallèle. Le commutateur série est apte, lorsqu'il est en position fermée et que le commutateur parallèle est en position ouverte, à connecter dans le circuit un bloc en série avec les autres blocs, de sorte que ledit bloc est connecté pendant les phases de charge et de décharge. Le commutateur parallèle est apte, lorsqu'il est en position fermée et que le commutateur série est en position ouverte, à mettre ledit bloc hors du circuit, de sorte que ledit bloc est déconnecté si des critères de déconnexion en décharge sont satisfaits durant la phase de décharge ou si des critères de déconnexion en charge sont satisfaits durant la phase de charge, ledit bloc comportant en outre des moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge de ses cellules lorsqu'il est déconnecté.
Avantageusement, les moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge des cellules dudit bloc Bi peuvent inclure des moyens pour mesurer les tensions aux bornes desdites cellules, de manière à déduire leur niveau de charge. Par exemple, ces moyens pour mesurer les tensions aux bornes des cellules peuvent inclure un circuit intégré comportant une pluralité de voies de mesure de tension.
Dans un mode de réalisation, les moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge des cellules dudit bloc peuvent inclure en outre des moyens pour dissiper l'énergie des cellules en surcharge dans ledit bloc.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge des cellules dudit bloc peuvent inclure en outre des moyens pour transférer l'énergie des cellules en surcharge vers d'autres cellules dudit bloc. Avantageusement, les critères de déconnexion en décharge dudit bloc peuvent inclure de dépasser un niveau de décharge limite dudit bloc alors que le courant électrique qu'il restitue est supérieur à un seuil donné.
Avantageusement, les critères de déconnexion en décharge dudit bloc peuvent inclure de dépasser le niveau maximum de décharge dudit bloc alors que le courant électrique qu'il restitue est inférieur à un seuil donné.
Avantageusement, les critères de déconnexion en charge dudit bloc peuvent inclure de dépasser un niveau de charge limite dudit bloc alors que le courant électrique de charge qui lui est appliqué est supérieur à un seuil donné.
Avantageusement, les critères de déconnexion en charge dudit bloc peuvent inclure de dépasser le niveau maximum de charge dudit bloc alors que le courant électrique de charge qui lui est appliqué est inférieur à un seuil donné.
Par exemple, les cellules peuvent être des cellules lithium-ion.
L'invention a également pour objet une batterie de traction pour véhicule électrique ou hybride comportant un tel dispositif pour équilibrer globalement les niveaux de charge entre ses blocs de cellules.
L'invention a également pour objet un véhicule électrique ou hybride comportant une telle batterie de traction.
La présente invention a également pour objet un procédé de charge d'une batterie selon l'invention, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des phases successives de charge à courants de charge d'intensité décroissante d'une phase à la suivante, tous les blocs n'ayant pas un état de charge sensiblement égal à 100% étant connectés en début de chaque phase. Un bloc parmi lesdits blocs n'ayant pas un état de charge sensiblement égal à 100% est déconnecté temporairement jusqu'au début de la phase suivante si la tension à ses bornes a atteint un seuil maximal prédéterminé, ledit seuil dépendant de l'intensité courante du courant de charge. Il est déconnecté définitivement jusqu'à la fin du procédé de charge si son état de charge a atteint sensiblement 100%. Le passage de la phase courante à la phase suivante est déclenché dès lors que le nombre de blocs encore connectés atteint un nombre minimum prédéterminé compris entre 1 et le nombre de blocs qui était connecté en début de phase courante.
La présente invention a également pour objet un autre procédé de charge d'une batterie selon l'invention, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des phases successives de charge à courants de charge d'intensité décroissante d'une phase à la suivante, les blocs les moins chargés parmi ceux n'ayant pas un état de charge sensiblement égal à 100% étant connectés en début de chaque phase. Ces blocs les moins chargés sont déterminés cycliquement à intervalles de temps fixe et prédéterminé. Un bloc parmi ces blocs les moins chargés est déconnecté temporairement jusqu'au début d'une des phases ultérieures de charge, si la tension à ses bornes a atteint un seuil maximal prédéterminé, ledit seuil dépendant de l'intensité courante du courant de charge. Il est déconnecté définitivement jusqu'à la fin du procédé de charge si son état de charge a atteint sensiblement 100%. Le passage de la phase courante à la phase suivante est déclenché dès lors que le nombre de blocs encore connectés atteint un nombre minimum prédéterminé compris entre 1 et le nombre de blocs qui était connecté en début de phase courante
La présente invention a pour principal avantage d'équilibrer rapidement le niveau de charge entre les blocs, ce qui est particulièrement adapté aux procédés de charge rapide.
Elle permet également d'assurer une continuité de service sur occurrence d'une défaillance de cellule ou d'une partie d'un bloc, par isolation du bloc.
L'invention permet également d'augmenter l'autonomie du véhicule du fait de l'utilisation optimisée des blocs constituant le pack batterie. En effet, si l'un des blocs a atteint son niveau de charge ou de décharge maximum, alors le système permet de l'isoler pour continuer à fonctionner sur les autres blocs.
L'invention permet également de limiter les déperditions lors d'un transfert d'énergie d'un bloc à un autre, optimisant ainsi le rendement énergétique du BMS. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des figures annexées, qui illustrent :
- la figurel , par un synoptique, un exemple de pack batterie selon l'invention ;
- la figure 2, par un synoptique, un exemple de configuration de pack selon l'invention où tous les blocs sont connectés ;
- la figure 3, par un synoptique, un exemple de configuration de pack selon l'invention où un seul bloc est déconnecté ;
- les figures 4 à 9 qui illustrent, par des graphes, des exemples de procédés de charge rapide pouvant être mis en œuvre dans un pack batterie selon l'invention.
La figure 1 illustre par un synoptique un exemple de pack batterie selon l'invention pour un véhicule électrique ou hybride. Le pack illustré comporte N blocs Bi avec 1 <i≤N-1 et N>6 sur l'exemple illustré, dont seulement quatre blocs référencés B1 , B2, B3 et B4 sont représentés sur la figure 1 . Chacun des blocs B1 , B2, B3 et B4 comporte six cellules Li-ion connectées en série, référencées C1 1 , C12, C13, C14, C15 et C16 dans le bloc B1 , référencées C21 , C22, C23, C24, C25 et C26 dans le bloc B2, référencées C31 , C32, C33, C34, C35 et C36 dans le bloc B3 et référencées C41 , C42, C43, C44, C45 et C46 dans le bloc B4. Chacun des blocs B1 , B2, B3 et B4 comporte en outre un circuit intégré de mesure de la tension aux bornes de chacune des cellules internes au bloc, ces circuits étant référencés IC1 , IC2, IC3 et IC4 respectivement. Chacun des circuits IC1 , IC2, IC3 et IC4 pouvant mesurer entre 6 et 16 tensions cellules dans le présent exemple non limitatif, dont seulement 6 tensions cellules mesurées sont représentées sur la figure 1 , le circuit IC1 peut avantageusement mesurer la tension aux bornes de chacune des cellules C1 1 , C12, C13, C14, C15 et C16 dans le bloc B1 , le circuit IC2 peut avantageusement mesurer la tension aux bornes de chacune des cellules C21 , C22, C23, C24, C25 et C26 dans le bloc B2, le circuit IC3 peut avantageusement mesurer la tension aux bornes de chacune des cellules C31 , C32, C33, C34, C35 et C36 dans le bloc B3, le circuit IC4 peut avantageusement mesurer la tension aux bornes de chacune des cellules C41 , C2, C43, C44, C45 et C46 dans le bloc B4. Chacun des blocs B1 , B2, B3 et B4 comporte en outre un module d'équilibrage local référencé M1 , M2, M3 et M4 respectivement. Le module M1 permet avantageusement d'équilibrer la charge entre les cellules C1 1 , C12, C13, C14, C15 et C16 dans le bloc B1 à partir des mesures de tension qui lui sont fournies par le circuit IC1 . Le module M2 permet avantageusement d'équilibrer la charge entre les cellules C21 , C22, C23, C24, C25 et C26 dans le bloc B2 à partir des mesures de tension qui lui sont fournies par le circuit IC2. Le module M3 permet avantageusement d'équilibrer la charge entre les cellules C31 , C32, C33, C34, C35 et C36 dans le bloc B3 à partir des mesures de tension qui lui sont fournies par le circuit IC3. Le module M4 permet avantageusement d'équilibrer la charge entre les cellules C41 , C2, C43, C44, C45 et C46 dans le bloc B4 à partir des mesures de tension qui lui sont fournies par le circuit IC4. Il faut bien noter que, sans déroger aux principes de la présente invention, les modules d'équilibrage local M1 , M2, M3 et M4 peuvent indifféremment implémenter des solutions d'équilibrage passif par dissipation d'énergie ou des solutions d'équilibrage actif par transfert d'énergie. En effet, l'invention propose de combiner équilibrage local, qu'il soit actif ou passif, avec commutation de blocs.
Dans le présent exemple de réalisation de la figure 1 , la commutation de blocs est avantageusement assurée par des commutateurs qui permettent de connecter les N blocs du pack entre eux de manière judicieuse. D'une part, des commutateurs permettent de connecter en série tout ou partie des N blocs du pack. Par exemple, un commutateur SS1 en position fermée permet de relier le pôle négatif d'un bloc B0 non représenté sur la figure 1 au pôle positif du bloc B1 . Un commutateur SS2 en position fermée permet de relier le pôle négatif du bloc B1 au pôle positif du bloc B2. Un commutateur SS3 en position fermée permet de relier le pôle négatif du bloc B2 au pôle positif du bloc B3. Et un commutateur SS4 en position fermée permet de relier le pôle négatif du bloc B3 au pôle positif du bloc B4. Un commutateur en position fermée non représenté sur la figure 1 permet également de relier le pôle négatif du bloc B4 au pôle positif d'un bloc B5 non représenté sur la figure 1 . Pour des raisons de clarté, les commutateurs SSi (0<i≤N-1 ) seront parfois appelés « commutateurs séries » dans la suite de la présente demande. D'autre part, des commutateurs assemblés en parallèle des N blocs du pack permettent, en combinaison avec les commutateurs séries, de déconnecter sélectivement tout ou partie des N blocs du pack. Par exemple, un commutateur PS1 est assemblé en parallèle du bloc B1 de telle sorte que le bloc B1 est déconnecté du pack lorsque le commutateur SS1 est en position ouverte et le commutateur PS1 est en position fermée, le bloc B1 n'étant connecté au pack que lorsque le commutateur SS1 est en position fermée et le commutateur PS1 est en position ouverte. Un commutateur PS2 est assemblé en parallèle du bloc B2 de telle sorte que le bloc B2 est déconnecté du pack lorsque le commutateur SS2 est en position ouverte et le commutateur PS2 est en position fermée, le bloc B2 n'étant connecté au pack que lorsque le commutateur SS2 est en position fermée et le commutateur PS2 est en position ouverte. Un commutateur PS3 est assemblé en parallèle du bloc B3 de telle sorte que le bloc B3 est déconnecté du pack lorsque le commutateur SS3 est en position ouverte et le commutateur PS3 est en position fermée, le bloc B3 n'étant connecté au pack que lorsque le commutateur SS3 est en position fermée et le commutateur PS3 est en position ouverte. Un commutateur PS4 est assemblé en parallèle du bloc B4 de telle sorte que le bloc B4 est déconnecté du pack lorsque le commutateur SS4 est en position ouverte et le commutateur PS4 est en position fermée, le bloc B4 n'étant connecté au pack que lorsque le commutateur SS4 est en position fermée et le commutateur PS4 est en position ouverte. Pour des raisons de clarté, les commutateurs PSi (0<i≤N-1 ) seront parfois appelés « commutateurs parallèles » dans la suite de la présente demande. Les commutateurs sont pilotés de telle sorte que le commutateur série SSi (0<i≤N-1 ) est en position ouverte lorsque le commutateur parallèle PSi est en position fermée et vice- versa. Par exemple, la figure 2 illustre la configuration où tous les modules B1 , B2, B3 et B4 sont connectés. Dans l'exemple de la figure 3, les modules B1 , B3 et B4 sont connectés, seul le module B2 est déconnecté. Ce pilotage en opposition d'un commutateur série et d'un commutateur parallèle, l'un étant en position ouverte quand l'autre est en position fermée et vice-versa, est assuré par un système de commande non représenté sur la figure 1 , qui élabore des ordres de pilotage à l'intention des commutateurs à partir d'informations sur l'état du véhicule. Ce système de commande peut par exemple inclure une intelligence hébergée par un circuit électronique tel qu'un microcontrôleur, ce microcontrôleur pouvant aussi être associé à d'autres systèmes comme le BMS ou un superviseur véhicule. Ce système de commande peut également comporter des « drivers » selon la terminologie anglo-saxonne, qui sont des composants électroniques qui pilotent les commutateurs en fonction de la commande reçue de l'intelligence.
En mode de charge, par exemple lorsque le véhicule est connecté à un chargeur ou en cours de freinage récupératif, plusieurs phases de charge peuvent être distinguées dans un même cycle de charge. Dans une première phase de charge, tous les commutateurs séries SSi (0<i≤N-1 ) sont en position fermée et tous les commutateurs parallèles PSi (0<i≤N-1 ) sont en position ouverte comme dans l'exemple de la figure 2 : tous les blocs Bi (0<i≤N-1 ) du pack sont alors connectés et se rechargent. Cette recharge n'est pas uniforme pour tous les blocs Bi (0<i≤N-1 ), car ceux-ci ne présentent pas tous les mêmes caractéristiques et n'ont pas tous la même température. Dans une deuxième phase de charge, le ou les blocs ayant atteint leur niveau de charge limite sous fort courant (e.g. en charge rapide) peuvent être déconnectés en ouvrant leur commutateur série et en fermant leur commutateur parallèle. Ce niveau de charge limite sous fort courant peut être de l'ordre de 70 à 80% du niveau de charge maximale en fonction de la résistance interne des cellules. Dans l'exemple de la figure 3, il s'agit du bloc B2 qui est déconnecté en ouvrant le commutateur série SS2 et en fermant le commutateur parallèle PS2. Il faut noter que, du fait des résistances internes des cellules, ce niveau de charge limite sous fort courant n'est pas le niveau de charge maximal atteignable. Les blocs déconnectés ne sont plus rechargés mais peuvent continuer leur équilibrage local ; les autres blocs restés connectés continuent leur charge. Dans une troisième phase de charge, le ou les blocs déconnectés précédemment peuvent être reconnectés au pack en ouvrant leur commutateur parallèle et en fermant leur commutateur série afin de continuer leur charge sous un courant plus faible, en réduisant progressivement le courant de charge pour atteindre un niveau de charge plus élevé, par dichotomie sur l'intensité du courant de charge par exemple. Par exemple, lorsque la batterie le permet, on peut commencer avec un courant fort de l'ordre de 100A jusqu'à atteindre un niveau de charge de l'ordre de 80%. Lorsque les blocs ont presque tous atteint ce niveau, par exemple lorsque plus de 50% des blocs ont atteint ce niveau, on peut continuer avec un courant plus faible de l'ordre 50A jusqu'à un niveau de charge de l'ordre de 90%. On peut continuer ensuite avec 25A et ainsi de suite, le processus étant interrompu en fonction du temps disponible pour la recharge. Ce cycle peut se reproduire jusqu'à la charge complète maximale du pack ou un peu avant. Ce mode de fonctionnement peut être utilisé à la fois en charge rapide et/ou en charge normale. Il faut bien comprendre que les valeurs de courant données ci- dessus sont données à titre d'exemple non limitatif, car elles dépendent de la taille de la batterie, de la résistance interne de la batterie et éventuellement même de sa température qui a une influence importante sur sa résistance interne. En mode de décharge, par exemple lorsque le véhicule est en cours de traction, plusieurs phases de charge peuvent également être distinguées dans un même cycle de décharge. Dans une première phase de décharge, tous les commutateurs séries sont en position fermée et tous les commutateurs parallèles sont en position ouverte, comme dans l'exemple de la figure 2 : tous les blocs Bi (0<i≤N-1 ) du pack sont alors connectés et se déchargent. Cette décharge n'est pas uniforme pour tous les blocs car ceux- ci ne présentent pas tous les mêmes caractéristiques et n'ont pas tous la même température. Dans une deuxième phase de décharge, le ou les blocs ayant atteint leur niveau de décharge limite, notamment sous fort courant (supérieur à 50-100A en fonction de la résistance interne des cellules), peuvent être déconnectés en ouvrant leur commutateur série et en fermant leur commutateur parallèle. Dans l'exemple de la figure 3, il s'agit du bloc B2 qui est déconnecté en ouvrant le commutateur série SS2 et en fermant le commutateur parallèle PS2. Les blocs déconnectés ne sont plus déchargés, alors que les autres blocs restés connectés continuent leur décharge. Il faut noter que, du fait des résistances internes des cellules, ce niveau de décharge limite sous fort courant n'est pas le niveau de décharge maximal atteignable, qui peut être de l'ordre de 20% du niveau de décharge limite sous fort courant. Dans une troisième phase de décharge, le ou les blocs déconnectés précédemment peuvent être reconnectés au pack en ouvrant leur commutateur parallèle et en fermant leur commutateur série afin de continuer leur décharge sous un courant plus faible. Ce cycle peut se reproduire jusqu'à la décharge complète maximale du pack.
Les commutateurs, qu'il s'agisse des commutateurs séries SSi ou des commutateurs parallèle PSi, peuvent être des transistors à effet de champ, plus connus sous l'acronyme MosFet, car ils présentent de multiples avantages dans le présent exemple de réalisation. D'abord, les MosFets ont une faible résistance à l'état passant, c'est-à-dire en position fermée, cette résistance pouvant descendre jusqu'à 0,7 milli-ohms, exemple non limitatif selon l'état de l'art actuel, typiquement pour une tenue en tension de 40V et un calibre de courant de l'ordre de la centaine d'ampères. Pour réduire encore les pertes, chaque MosFet peut avantageusement être remplacé par plusieurs MosFets en parallèle, les MosFets étant facilement parallélisables car de coefficient de température positif. Mettre les MosFets en parallèle permet de diviser le courant entre les MosFets et de rendre leur utilisation, avec des pertes maîtrisées, compatible de l'intensité des courants d'équilibrage d'un bloc à un autre qui peuvent aller jusqu'à plusieurs centaines d'ampères dans le cas d'une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride. De plus, s'agissant de composants à effet de champ, les MosFets nécessitent peu d'énergie pour piloter le passage entre l'état passant et l'état non-passant. Enfin, les MosFets sont des composants d'ores et déjà bien diffusés dans le domaine de l'automobile.
Le circuit de puissance, qui inclut notamment les commutateurs séries et parallèles, est dimensionné de façon à être compatible avec des courants d'équilibrage d'un bloc à un autre de plusieurs centaines d'ampères. Il peut être réalisé dans un substrat métallique isolé ou, de façon à avoir un système économique, sur un PCB multicouches (Printed Circuit Board). Avantageusement, il peut être réalisé de façon à simplifier au maximum l'assemblage et la séparation mécanique des blocs entre eux. Dans un mode de réalisation particulièrement intégré, un bloc complet peut comprendre les cellules, le circuit de mesure des tensions, le module d'équilibrage local ainsi que, sur une même carte, le circuit de puissance incluant les commutateurs séries et parallèles et le système de commande de ces commutateurs. Une liaison de communication reliant les blocs entre eux et avec les autres systèmes du véhicule permet de récupérer les informations sur l'état du véhicule à partir desquelles le système de commande déduit ses ordres de pilotage à l'intention des commutateurs séries et parallèles. Malgré ce haut niveau d'intégration, la masse d'un tel bloc intégré peut être inférieure à 20 kilogrammes, ce qui facilite sa manipulation par un opérateur de maintenance.
L'invention a encore pour principal avantage qu'elle contribue à la sécurité des personnes en limitant à la tension d'un seul bloc la tension maximale à laquelle un opérateur de maintenance peut être soumis, tous les commutateurs pouvant être ouverts automatiquement en cas d'accident ou même à chaque fois que le véhicule est mis à l'arrêt. Pour cela, la tension aux bornes de chaque bloc peut être choisie à une valeur inférieure à une tension de sécurité de 60 volts, huit à douze blocs pouvant alors suffire pour atteindre une tension de 400 volts aux bornes de la batterie, une telle tension étant adaptée aux besoins d'un véhicule électrique ou hybride.
De plus, l'invention rend configurable le pack batterie dans lequel chacun des blocs peut être connecté ou déconnecté facilement. Cette configurabilité simplifie les opérations de montage et de démontage d'un bloc du pack et autorise la combinaison de blocs de différentes technologies dans le pack, suite à la défaillance d'un bloc par exemple. Cette configurabilité autorise également une intégration mécanique plus souple du pack dans le véhicule, les blocs de la batterie pouvant être répartis de façon à optimiser l'espace dans l'habitacle ou dans le coffre. Cette configurabilité permet de standardiser les blocs et le pack qui les accueillent, ce pack pouvant accueillir un nombre variable de blocs en fonction de la gamme du véhicule et de l'autonomie attendue dans cette gamme, et par conséquent de réduire les coûts de développement et de logistique.
Le dispositif selon la présente invention permet, en ajustant judicieusement ses critères de déconnexion en charge, de mettre en œuvre des méthodes avantageuses de charge rapide.
Afin de comprendre le principe d'une première méthode de charge rapide, on peut imaginer que le pack batterie illustré par les figures 1 à 3 soit connecté à un chargeur rapide délivrant une puissance de charge élevée de l'ordre de 43 kilowatts par exemple. En début de charge, tous les blocs, c'est-à-dire les N blocs dont B1 à B4, peuvent être connectés, comme illustré par la figure 2. Les N blocs sont donc rechargés simultanément. Selon les caractéristiques du chargeur et de la batterie, le chargeur peut limiter par exemple le courant à 100A pour une charge à 43kW. Lorsqu'un bloc parmi les N blocs atteint sa limite maximale admissible en tension, par exemple 25,2 volts si l'on considère que chacun des N blocs comporte 6 cellules connectées en série et admettant chacune une tension maximale de 4,2 volts, ledit bloc peut être déconnectés et la charge continue pour les autres blocs restés connectés sous le même courant à 100A. Et ainsi de suite, le nombre de blocs connectés diminue progressivement par décréments de 1 . Lorsque le nombre de blocs connectés devient inférieur à un nombre M où 1 <M<N, le chargeur diminue le courant de charge et tous les N blocs sont reconnectés, de manière à continuer la charge à régime réduit inférieur à 100A. Puis le même processus est réitéré. Lorsqu'un des N blocs atteint sa charge complète, il est déconnecté définitivement alors que les N-1 autres blocs poursuivent le processus itératif de charge. Il apparaît donc que deux critères décident à la déconnexion d'un bloc :
• un premier critère de déconnexion temporaire, c'est-à-dire de déconnexion tant que le courant de charge n'est pas diminué, qui est satisfait si la tension aux bornes du bloc atteint sa valeur maximale ; il s'agit de la tension en charge, c'est-à-dire lorsqu'un courant est appliqué à ses bornes ;
• un deuxième critère de déconnexion définitive, qui est satisfait si la charge du bloc est terminée, c'est-à-dire s'il a atteint un état de charge, ou un « SOC » selon l'acronyme anglo-saxon signifiant « State Of Charge », de l'ordre de 100%.
Afin de mieux comprendre comment cette première méthode de charge rapide peut être mise en œuvre dans un dispositif selon la présente invention, les figures 4 à 7 illustrent l'évolution du SOC (variant entre 0 et 100% en ordonnée à gauche) en fonction du temps de charge (en abscisse) et en fonction du courant de charge (variant entre 100A et 0A en ordonnée à droite) des N blocs de cellules dans le cas particulier où N=8. Sauf indication contraire, la puissance de charge est de l'ordre de 43kW dans les exemples qui suivent. Dans un premier exemple de réalisation illustré par la figure 4, le nombre minimum de blocs connectés a été fixé à 4, cette valeur correspondant à la tension minimum admissible par le chargeur. Dans cet exemple de réalisation, le courant peut être réduit d'un facteur 2 à chaque fois qu'un des critères de déconnexion décrit précédemment est satisfait. Il apparaît que la charge se décompose en deux phases distinctes : une phase de charge à courant maximum à 100A et d'équilibrage des blocs les plus chargés, cette phase permettant d'atteindre très rapidement un état de charge de l'ordre de 84% en fonction des caractéristiques des cellules électrochimiques et du courant de charge, puis une phase de fin de charge à un courant réduit inférieur à 60A, l'état de charge variant alors plus lentement de 84% à 100%. Il peut être remarqué que les blocs les plus déséquilibrés, à savoir les blocs 1 , 2 et 4, sont rééquilibrés suivant cette méthode pendant la première phase de fonctionnement à courant maximum permettant d'atteindre un premier plateau à sensiblement 84% de SOC pour les 8 blocs. Alors que les blocs les moins déséquilibrés, à savoir les blocs 3, 5, 6, 7 et 8, restent déséquilibrés jusqu'à la fin de la charge.
Dans un autre exemple de réalisation illustré par la figure 5, les mêmes paramètres ont été appliqués que dans l'exemple de la figure 4, sauf le nombre minimum de blocs connectés qui a été fixé à 1 . Comme on peut le constater, tous les blocs sont équilibrés dès la fin de la première phase de charge à courant maximum. On peut en conclure que, pour obtenir un rééquilibrage rapide et de bonne qualité, il faut pouvoir diminuer au maximum le nombre de blocs connectés pendant une recharge et idéalement pouvoir fonctionner avec 1 seul bloc connecté. Mais il faut pour cela que le chargeur soit adapté à ce mode de fonctionnement, notamment en termes de tension minimum admissible.
Dans un autre exemple de réalisation illustré par la figure 6, les mêmes paramètres ont été appliqués que dans l'exemple de la figure 4, sauf le coefficient de réduction du courant qui est passé de 2 à 1 ,05. En effet, même si ce n'est pas très explicite sur la figure 6, juste après la fin de la charge à 100A, ce coefficient de réduction de 1 ,05 est appliqué plusieurs fois successivement très rapidement, afin que le courant soit suffisamment réduit et que la charge des blocs puisse se faire sans que la tension maximale soit atteinte. Comme on peut le voir en comparant les exemples des figures 4 et 6, plus ce coefficient de réduction est proche de 1 et plus la charge complète est atteinte rapidement, même si en contrepartie le nombre de commutations des blocs augmente de façon importante. Il s'agit donc de trouver le bon compromis entre la finesse de réduction du courant de charge et le nombre maximal de commutations admissibles, pour des questions de fiabilité par exemple. Comme on peut le constater, la deuxième phase est beaucoup plus courte, puisque la charge complète à 100% d'état de charge est atteinte après sensiblement 2300 secondes au lieu de 2700 secondes. Avec cette méthode de charge rapide, pour une batterie de 62Ah, on obtient un SOC de 84% en 1500s avec un rééquilibrage des M' blocs les plus chargés, où M'≥1 entier. Le nombre M' dépend de la capacité du chargeur à fonctionner avec une tension basse. La valeur de 84%, quant à elle, est limitée par la résistance interne des cellules électrochimiques. On obtient une charge complète à 100% de SOC (lorsque le courant de charge est nul) sans amélioration de l'équilibrage obtenu précédemment, avec une charge complémentaire de 800 secondes.
Dans un autre exemple de réalisation illustré par la figure 7, la puissance de charge est plus faible, à savoir 20kW au lieu de 43kW, avec un coefficient de réduction égal à 1 ,1 . Cela n'impacte que la première phase de la charge en augmentant sa durée à 3500s au lieu de 1500s. Cette durée est allongée suivant le ratio 43kW/20kW=2,15, auquel on ajoute un peu de temps, le SOC final étant de 90% au lieu de 84%. En effet, le courant étant plus faible, la première phase peut être un peu plus longue.
La méthode de charge rapide illustrée par les figures 4 à 7 peut être améliorée : une deuxième méthode de charge rapide peut être d'équilibrer dans un premier temps les M" blocs les moins chargés, où M">1 entier, en connectant uniquement ces M" blocs là. Puis, on recalcule ponctuellement l'état de charge des blocs et on connecte à nouveau les M" blocs les moins chargés. Comme précédemment, lorsque la tension aux bornes d'un bloc sous le courant de charge dépasse sa tension maximale admissible ou lorsqu'un bloc atteint un niveau de charge égal à 100%, il est déconnecté. Lorsque le nombre de blocs connectables à un moment donné est inférieur au nombre M, on réduit le courant de charge jusqu'à ce que le nombre de blocs connectables soit compatible de la tension minimum de fonctionnement du chargeur , ou que le courant de charge soit nul, ce qui signifie que la charge est terminée. Ainsi, la figure 8 illustre dans un système de représentation identique à celui des figures 4 à 7, un exemple de réalisation de cette deuxième méthode de charge rapide dans des conditions similaires aux exemples illustrés pour la première méthode : N=8 blocs au total, puissance de charge égale à 43kWh, M"=6 blocs connectés simultanément, coefficient de réduction du courant de charge égal à 1 ,5, recalcul ponctuel des états de charge toutes les 120 secondes. La figure 9 illustre la dispersion entre les blocs en ampères-heures (Ah) en fonction du temps de charge. Il apparaît que la dispersion est très rapidement réduite par rapport à la première méthode illustrée par les figures 4 à 7. La contrepartie est que le temps de charge augmente légèrement : la première phase à puissance maximale dure 2000 secondes au lieu 1600 secondes avec la première méthode, la fin de charge étant atteinte après 3300 secondes au lieu de 2300 à 2500 secondes avec la première méthode. Mais avec cette deuxième méthode, pour une batterie de 62Ah, on obtient rapidement un équilibrage acceptable des blocs, la dispersion étant réduite à environ 3Ah entre les blocs. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas où l'on choisirait d'interrompre la charge avant qu'elle soit complète, même si cette amélioration de l'équilibrage se fait au détriment du temps de charge. Cependant, il est possible de réduire ces durées de charges en mettant en œuvre un compromis entre les deux méthodes de charge rapide : une phase d'équilibrage selon la deuxième méthode, suivie d'une phase de charge complète selon la première méthode.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif pour équilibrer globalement les niveaux de charge électrique de N blocs de cellules, où N>2, les N blocs étant aptes à être connectés dans un circuit durant une phase de charge pendant laquelle les cellules des blocs connectés accumulent de la charge et durant une phase de décharge pendant laquelle les cellules des blocs connectés restituent la charge sous forme de courant électrique, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins un commutateur SSi et un commutateur PSi où 0<i≤N-1 :
- le commutateur SSi étant apte, lorsqu'il est en position fermée et que le commutateur PSi est en position ouverte, à connecter dans le circuit un bloc Bi en série avec les autres blocs, de sorte que le bloc Bi est connecté pendant les phases de charge et de décharge ;
- le commutateur PSi étant apte, lorsqu'il est en position fermée et que le commutateur SSi est en position ouverte, à mettre le bloc Bi hors du circuit, de sorte que le bloc Bi est déconnecté si des critères de déconnexion en décharge sont satisfaits durant la phase de décharge ou si des critères de déconnexion en charge sont satisfaits durant la phase de charge, le bloc Bi comportant en outre des moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge de ses cellules lorsqu'il est déconnecté.
Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge des cellules (Cij) du bloc Bi incluent des moyens pour mesurer les tensions aux bornes desdites cellules, de manière à déduire leur niveau de charge.
Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer les tensions aux bornes des cellules (Cij) incluent un circuit intégré (ICi) comportant une pluralité de voies de mesure de tension. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge des cellules (Cij) du bloc Bi incluent en outre des moyens (Mi) pour dissiper l'énergie des cellules en surcharge dans ledit bloc.
Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens pour équilibrer localement les niveaux de charge des cellules (Cij) du bloc Bi incluent en outre des moyens (Mi) pour transférer l'énergie des cellules en surcharge vers d'autres cellules dudit bloc.
6. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les critères de déconnexion en décharge du bloc Bi incluent de dépasser un niveau de décharge limite du bloc Bi alors que le courant électrique qu'il restitue est supérieur à un seuil donné.
7. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les critères de déconnexion en décharge du bloc Bi incluent de dépasser le niveau maximum de décharge du bloc Bi alors que le courant électrique qu'il restitue est inférieur à un seuil donné.
8. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les critères de déconnexion en charge du bloc Bi incluent de dépasser un niveau de charge limite du bloc Bi alors que le courant électrique de charge qui lui est appliqué est supérieur à un seuil donné.
9. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les critères de déconnexion en charge du bloc Bi incluent de dépasser le niveau maximum de charge du bloc Bi alors que le courant électrique de charge qui lui est appliqué est inférieur à un seuil donné.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cellules sont des cellules lithium-ion.
1 1 . Batterie de traction pour véhicule électrique ou hybride, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comporte une batterie de traction selon la revendication précédente.
13. Procédé de charge d'une batterie selon la revendication 1 1 , le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des phases successives de charge à courants de charge d'intensité décroissante d'une phase à la suivante, tous les blocs n'ayant pas un état de charge sensiblement égal à 100% étant connectés en début de chaque phase, un bloc Bi parmi lesdits blocs n'ayant pas un état de charge sensiblement égal à 100% étant déconnecté :
- temporairement jusqu'au début de la phase suivante si la tension à ses bornes a atteint un seuil maximal prédéterminé, ledit seuil dépendant de l'intensité courante du courant de charge ; - définitivement jusqu'à la fin du procédé de charge si son état de charge a atteint sensiblement 100% ;
le passage de la phase courante à la phase suivante étant déclenché dès lors que le nombre de blocs encore connectés atteint un nombre minimum M prédéterminé, où M est compris entre 1 et le nombre de blocs qui était connecté en début de phase courante.
Procédé de charge d'une batterie selon la revendication 1 1 , le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des phases successives de charge à courants de charge d'intensité décroissante d'une phase à la suivante, les M" blocs les moins chargés parmi ceux n'ayant pas un état de charge sensiblement égal à 100% étant connectés en début de chaque phase, où 1 <M"<N, ces M" blocs étant déterminés cycliquement à intervalles de temps fixe et prédéterminé, un bloc Bi parmi ces M" blocs étant déconnecté :
- temporairement jusqu'au début d'une des phases ultérieures de charge, si la tension à ses bornes a atteint un seuil maximal prédéterminé, ledit seuil dépendant de l'intensité courante du courant de charge :
- définitivement jusqu'à la fin du procédé de charge si son état de charge a atteint sensiblement 100% ;
le passage de la phase courante à la phase suivante étant déclenché dès lors que le nombre de blocs encore connectés atteint un nombre minimum M prédéterminé, où M est compris entre 1 et le nombre de blocs qui était connecté en début de phase courante.
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