FR2713019A1 - Procédé et dispositif de surveillance et d'équilibrage dynamique d'un pack de batteries d'accumulateurs. - Google Patents

Abstract

Le dispositif de surveillance de l'invention comporte, aux bornes de chaque batterie d'un pack constitué de plusieurs batteries (B1 à Bn) reliées en série, un dispositif électronique de surveillance et d'équilibrage (2.1 à 2.n). Chacun de ces dispositifs électroniques comporte un ballast dérivant et dissipant une partie du courant de la batterie correspondante en cas de déséquilibre des caractéristiques de cette batterie par rapport aux autres.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de surveillance et d'équilibrage dynamique d'un pack de batteries d'accumulateurs.

Une batterie est souvent dénommé pack, terme qui recouvre en fait un ensemble de batteries. Par exemple, dans un véhicule électrique, la "batterie de traction" contient quelques dizaines de batteries. Ces batteries présentent toutes des dispersions de caractéristiques qui affectent très sensiblement la valeur de leur capacité maximale, leur dynamique de charge, de décharge et leur vieillissement.

Lors d'une charge, certaines batteries atteignent leur pleine charge bien avant d'autres sans que cela puisse être détecté par un chargeur qui ne mesure que la tension globale aux bornes du pack et une seule température. Ainsi donc, la charge continuant, les batteries déjà pleines vont aller en surcharge avec à la limite dégazage, et il se peut qu'en fin de charge (période où l'intensité de charge est la plus faible), certaines batteries ne soit pas pleines.

Lors d'une décharge, le problème inverse se présente. Les batteries non totalement chargées ou de capacités différentes (dispersions de fabrication) atteignent la décharge profonde (donc se dégradent par sulfatation irréversible des plaques dans le cas des batteries au plomb) avant les batteries de plus forte capacité ou celles qui avaient atteint la pleine charge sans qu'un contrôleur de batterie, qui ne surveille que la tension globale du pack, ne puisse le détecter. On voit ainsi que le déséquilibre des batteries va croissant avec le nombre de cycles de charges/décharges et le vieillissement des batteries.

Pour pallier partiellement ce phénomène, les constructeurs de batteries sont obligés d"'appairer" les batteries d'un même véhicule, ce qui est relativement coûteux, ne fait que diminuer le risque de déséquilibre et ne résout pas le problème lorsqu'on change une batterie du pack lors d'une maintenance, ou lorsque les batteries vieillissent.

Quand le déséquilibre affecte les caractéristiques du pack (écroulement prématuré de la tension sur appel de forts courants, échauffement anormal, dégazage dangereux), le service après vente du constructeur de batteries doit tester dynamiquement la variation de tension de chaque batterie pour une consommation donnée. En effet, la tension aux bornes d'une batterie en circuit ouvert n'est en aucun cas caractéristique de son état. Cette opération se traduit pratiquement par la déconnexion de chaque batterie du pack de traction, ce qui est long, coûteux, pénible et met un frein au développement des véhicules électriques.

Tout prolongement de la durée de vie des batteries représente un gain important pour le possesseur du véhicule. En effet, le prix d'un élément de 6v d'une batterie de traction de 160 A.h est actuellement estimé 1,5 Kf environ.

La présente invention a pour objet un procédé de surveillance de l'état de toutes les batteries individuelles d'un pack comportant plusieurs telles batteries, qui permette non seulement de détecter à tout moment en régime de charge et en régime de décharge les batteries dont la capacité est sensiblement différente de celle de la moyenne du pack, mais aussi de corriger les effets de cette dispersion de caractéristiques sans avoir à remplacer systématiquement les batteries de capacité plus faible (équilibrage dynamique), ce procédé devant permettre de repérer les batteries de capacité plus faible, et d'avertir l'utilisateur lorsque la capacité des batteries descend au < lessous d'un seuil déterminé.

La présente invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, dispositif qui soit peu onéreux, simple à utiliser et fiable.

Le procédé conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'on surveille la tension aux bornes de chaque batterie et sa température, qu'en régime de charge du pack de batteries on dérive au moins une partie du courant de charge de chacune des batteries pour le dissiper à l'extérieur de la batterie lorsque la tension à ses bornes etlou sa température indiquent un état ou un risque de surcharge, et qu'en régime de charge et de décharge on surveille l'évolution de la tension aux bomes de chaque batterie et sa température, pour détecter un éventuel déséquilibre entre les différentes batteries du pack, I'enregistrer etlou déclencher une alarme.

Le dispositif de surveillance et d'équilibrage conforme à l'invention comporte, aux bornes de chaque batterie individuelle, un capteur de courant en série avec un ballast dissipateur d'énergie, le capteur étant relié à un comparateur recevant une valeur de consigne, la sortie du comparateur commandant le ballast.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel:
- la figure 1 est un bloc-diagramme d'un dispositif de surveillance et d'équilibrage conforme à l'invention;
-la figure 2 est un bloc-diagramme de l'un des modules d'équilibrage dynamique du dispositif de la figure 1;
-la figure 3 est un bloc-diagramme de l'un des modules de surveillance et d'équilibrage du dispositif de la figure 1, et
- les figures 4 et 5 sont des exemples de diagrammes de tension aux bornes de deux batteries individuelles ayant veilli différemment, pour différents courants de décharge.

L'invention est décrite ci-dessous en référence à un pack de batteries de traction de véhicule automobile, dans lequel toutes les batteries sont reliées en série, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à une telle application, et qu'elle peut être mise en oeuvre dans d'autres applications utilisant plusieurs batteries, quel que soit le type de ces batteries.

On entend ici par batterie (ou plus précisément batteries d'accumulateurs) un boîtier renfermant plusieurs éléments, non accessibles à l'utilisateur (la tension aux bornes de chaque élément étant d'environ 2v pour des batteries au plomb), et comportant deux bornes de sortie (+ et -).

La tension nominale à ces bornes est généralement de 6, 12v ou 24v. Un pack est constitué par plusieurs telles batteries, généralement reliées en série. Dans le cas de l'application à la traction électrique d'un véhicule, ce pack peut comporter plusieurs dizaines de batteries.

Sur la figure 1, on a représenté le pack 1 comportant n batteries en série référencées B1 à Bn. Aux bornes de chaque batterie, on branche un dispositif électronique de surveillance et d'équilibrage, ces dispositifs électroniques étant respectivement référencés 2.1 à 2.n. Les sorties des dispositifs 2.1 à 2.n sont toutes reliées à une ligne de transmission numérique commune 3 elle-même reliée à un contrôleur d'énergie de batteries 4 (également appelé jauge de batteries). Ce contrôleur 4 est avantageusement du type décrit dans la demande de brevet français N" 93 09713. Chaque dispositif électronique 2.1 à 2.n comporte un module d'équilibrage dynamique, ces modules étant respectivement référencés 5.1 à 5.n, et un module de surveillance et d'équilibrage, ces modules étant respectivement référencés 6.1 à 6. n.

Sur la figure 2, on a représenté le bloc-diagramme de l'un des modules d'équilibrage dynamique, référencé 5.i, tous ces modules étant identiques. Le module 5.i est branché aux bornes de la batterie correspondante B.i. Ce module 5.i comporte essentiellement un ballast 7.i en série avec un capteur de courant 8.i, ce circuit série étant directement branché aux bornes de la batterie B.i. Le ballast 7.i est un dispositif permettant de dériver, lorsque cela est nécessaire, tout ou partie du courant
I arrivant à la batterie B.i. Ce courant dérivé est référencé i. Sa valeur peut donc aller de 0 à I. La batterie B.i est donc traversée par un courant égal à
I-i. Le ballast 7.i doit être capable de dissiper ce courant i, et est avantageusement muni d'un radiateur approprié.

Selon un mode de réalisation préféré, le ballast 7.i est un transistor de puissance dont les caractéristiques sont appropriées au courant à dériver, à la tension à ses bornes et à la puissance à dissiper.

Le module d'équilibrage dynamique (et par conséquent son transistor de puissance) peut être commandé en tout ou rien (par une tension rectangulaire, produite de façon connue en soi, à fréquence etlou rapport cyclique variable) ou progressivement par le module de surveillance 6.i, le module 5.i limitant automatiquement le courant à une valeur compatible avec sa capacité de dissipation thermique. Tout autre dispositif permettant de dissiper le courant i variable peut convenir.

Le capteur de courant 8.i est de tout type approprié. La sortie de ce capteur 8.i est reliée à une entrée d'un comparateur 9.i dont l'autre entrée est reliée à la sortie de valeur de consigne du module correspondant 6.i (décrit ci-dessous en référence à la figure 3).

La sortie du comparateur 9.i est reliée à un dispositif 10.i qui commande le ballast 7.i de la façon précisée ci-dessus, en fonction de la différence entre ladite valeur de consigne et la valeur mesurée par le capteur 8.i.

De façon avantageuse, le module 5.i comporte un dispositif de sécurité 11.i, en série avec le ballast 7.i et le capteur 8.i, et qui est relié à une entrée du comparateur 9.i. Ce dispositif 11.i protège la batterie B.i d'un court-circuit du ballast 7.i, limite le courant i à une valeur maximale compatible avec la capacité de dissipation du ballast 7.i et interdit la circulation inverse du courant à travers le ballast 7.i et le capteur 8.i (c'est-àdire le courant de sens opposé à celui du courant i). La réalisation d'un tel dispositif de sécurité est évidente pour l'homme de l'art à la lecture de la présente description.

Le module 6.i représenté en figure 3 comporte essentiellement un microcontrôleur 12.i (ou dispositif similaire) relié, côté entrée, à un dispositif 13.i de mesure de la tension aux bornes de la batterie correspondante B.i, et à un dispositif 14.i de mesure de la température de la batterie (température de son boîtier, de l'une de ses deux bornes, ou, de préférence, lorsque cela est possible, de son électrolyte ou de ses plaques). Une sortie du microcontrôleur 12. i est reliée à un convertisseur numériquelanalogique 15. i fournissant ladite valeur de consigne au comparateur 9.i. Ce convertisseur 15.i peut être remplacé par tout dispositif pouvant produire cette valeur de consigne. D'autre part, le microcontrôleur 12.i est relié à une mémoire morte 16.i (par exemple une EEPROM) qui contient une table de conversion, c'està-dire les données spécifiques aux capteurs 13.i et 14.i utilisés, et permet de convertir les valeurs qu'ils fournissent en valeurs "vraies". On effectue ainsi un calibrage de ces capteurs afin de tenir compte de leurs dispersions de caractéristiques et imprécisions. Par conséquent, on peut utiliser en tant que capteurs des modèles peu précis (mais fidèles), donc peu onéreux. La mémoire 16.i peut également contenir d'autres informations telles que le numéro de série de la batterie.

Une sortie du microcontrôleur 12.i est reliée via un dispositif 16.i d'isolation galvanique à la ligne de transmission 3. Ce dispositif 16.i est par exemple un opto-coupleur ou un transformateur d'impulsions. Cette isolation galvanique est nécessaire du fait que les différentes batteries sont à des potentiels flottants différents, le plus élevé résultant de la somme des tensions aux bomes des différentes batteries du pack.

Le microcontrôleur 12.i est également relié par un ensemble 17.i de plusieurs fils à un dispositif de codage binaire 18.i, relié d'autre part à un fil 19.i, lui-même relié au pôle négatif de la batterie B.i (en variante, le fil 19.i est relié au pôle positif de la batterie). Ce dispositif de codage permet, lors de la mise en place des batteries dans le véhicule, d'attribuer une "identité" (adresse logique) à chacune des batteries, et donc permet au contrôleur 4 de reconnaître individuellement chacune des batteries du pack. Le dispositif de codage 18.i comporte par exemple, comme représenté sur le dessin, un ensemble de liaisons sécables 20.i entre les différents fils de l'ensemble 17.i et le fil 19.i, L'ensemble 17.i comportant ici six fils (permettant de coder les adresses de 26 = 64 batteries au maximum). Bien entendu, le dispositif 18.i peut être réalisé de toute autre façon appropriée.

Le dispositif de la figure 3 comporte également un dispositif 21.i d'alimentation régulée branché aux bomes de la batterie B.i et alimentant les différents circuits de ce dispositif 6.i.

Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante.

En régime de charge du pack, le contrôleur 4, envoie, périodiquement par exemple, via la ligne 3, à tous les modules 6.1 à 6.n, un ordre de mesure de la tension aux bornes de la batterie correspondante, et de la température de cette batterie. Les réponses des modules 6.1 à 6.n parviennent en ordre dispersé au contrôleur 4, en fonction des délais de réponse et de communication de chacun de ces modules. Ces réponses comportent les valeurs mesurées demandées, accompagnées de l'adresse de la batterie correspondante (fournie grâce au codeur 18 correspondant).

Lorsque toutes les batteries B. 1 à B.n du pack ont des caractéristiques identiques (ou presque), elles peuvent être toutes chargées avec le même courant de charge (ce qui est généralement vrai lorsque ces batteries sont neuves). II est bien entendu que le dispositif fournissant le courant de charge I des batteries régule ce courant à la valeur appropriée, et qu'en fin de charge ce courant décroît pour s'annuler lorsque la charge est terminée.

Si, par suite du vieillissement des batteries, la capacité de certaines d'entre elles devient nettement inférieure à celle des autres, le dispositif de l'invention intervient pour corriger ces déséquilibres et charger les différentes batteries à leur capacité réelle, sans aller au-delà. En effet par suite de cette diminution de capacité, la tension aux bornes des batteries de plus faible capacité augmente plus rapidement, surtout en fin de charge, qu'aux bornes des autres batteries. Le contrôleur 4, lorsqu'il constate cette plus rapide augmentation, commande aux modules 6.i correspondants d'envoyer, via leur convertisseur 15.i, une valeur de consigne différente, ce qui a pour effet de rendre passant le ballast 7.i correspondant (ce ballast étant, en général, normalement fermé lorsque la capacité de la batterie correspondante a la bonne valeur). Ce ballast dérive alors une partie (i) du courant I, ce qui permet de ne pas surcharger la batterie de plus faible capacité, tout en chargeant à une valeur supérieure les batteries de plus forte capacité.

Supposons, pour simplifier, qu'une batterie du pack ait une capacité de 150 A.h, alors que toutes les autres ont une capacité de 160 A.h. Supposons que le temps de charge de ces autres batteries soit de 10h, et que toutes les batteries sont complètement déchargées avant la charge. Le ballast va alors dériver pendant tout le temps de charge un courant i = 1A, ce qui fait que la batterie de plus faible capacité recevra 10 ah de moins que les autres batteries, ce qui est le but recherché (160 A.h - 150 A.h = 10 A.h). On évite ainsi l'échauffement de cette batterie et l'accélération de son vieillissement.

Bien entendu, le contrôleur 4 mémorise les capacités des différentes batteries (ou des valeurs proportionnelles à ces capacités), et peut par exemple signaler à l'utilisateur des diminutions trop rapides etlou des diminutions en-dessous d'un certain seuil de ces capacités. L'utilisateur peut alors facilement repérer les batteries défaillantes, et les remplacer en cas de nécessité.

Comme précisé ci-dessus, le contrôleur 4 surveille la température des batteries du pack, cette mesure servant d'une part à corroborer la mesure de tension, et d'autre part à détecter des anomalies de fonctionnement des batteries entraînant leur échauffement exagéré.

En régime de décharge, le contrôleur 4 surveille également les tensions et températures des batteries du pack. Si certaines batteries se déchargent plus vite que les autres, la tension à leurs bornes diminue plus rapidement, ce que détecte le contrôleur 4, qui le signale à l'utilisateur du véhicule de toute façon appropriée, visuelle et/ou sonore. L'utilisateur peut alors prendre toutes les mesures nécessaires (arrêt du véhicule à la prochaine borne électrique pour recharger le pack, ...).

On a représenté en figures 4 et 5, à titre d'exemple, les courbes donnant la tension aux bornes d'une batterie en fonction de sa capacité, lors de sa décharge. Les deux figures se rapportent à une batterie de capacité nominale 160 A.h et de tension nominale 6 V.

Les courbes de ces figures ont été établies pour différentes valeurs de courant constant de décharge (25, 50, 100, 200 et 300 A). La figure 4 se rapporte à une batterie ayant plus vieilli que celle de la figure 5.

On constate que pour un même courant de décharge, la tension aux bornes de la batterie de la figure 5 descend plus rapidement que celle de la batterie de la figure 5 et la capacité résiduelle de la batterie de la figure 4 est plus faible que celle de la batterie de la figure 5.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Procédé de surveillance de l'état de toutes les batteries individuelles d'un pack comportant plusieurs telles batteries branchées en série, caractérisé par le fait qu'on surveille la tension aux bornes de chaque batterie et sa température, qu'en régime de charge du pack de batteries on dérive au moins une partie du courant de charge de chacune des batteries pour le dissiper à l'extérieur de la batterie lorsque la tension à ses bornes etlou sa température indiquent un état ou un risque de surcharge, et qu'en régime de charge et de décharge on surveille l'évolution de la tension aux bornes de chaque batterie et sa température, pour détecter un éventuel déséquilibre entre les différentes batteries du pack, I'enregistrer etlou déclencher une alarme.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on mesure la température de chaque batterie en l'un des points suivants: dans l'électrolyte, sur l'une de ses plaques, sur l'une de ses bomes de sortie, ou sur son boîtier.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le courant dissipé à l'extérieur des batteries est dérivé progressivement.

4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le courant dissipé à l'extérieur des batteries a une valeur sensiblement constante à partir de la détection de l'état ou du risque de surcharge.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le courant dissipé à l'extérieur des batteries est prélevé en tout-ou-rien.

6. Dispositif de surveillance de l'état de toutes les batteries individuelles d'un pack comportant plusieurs telles batteries branchées en série, caractérisé par le fait qu'il comporte aux bornes de chaque batterie individuelle (B1 à Bn) un capteur de courant (8.i) en série avec un ballast (7.i) dissipateur d'énergie, le capteur étant relié à un comparateur (9.i) recevant une tension de consigne, la sortie du comparateur commandant le ballast.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le ballast est un transistor de puissance.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la sortie du comparateur est reliée au ballast par l'intermédiaire d'un circuit (10.i) de commande.

9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que la tension de consigne est produite par un circuit de commande (12.i, 15i) relié à un dispositif (13.i) de mesure de la tension aux bomes de la batterie correspondante.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit circuit de commande est relié à un dispositif (14.i) de mesure de la température de la batterie correspondante.

11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait que le circuit de commande est relié à un dispositif de codage (18.i) donnant le numéro de la batterie correspondante, et par le fait que chacun des circuits de commande est relié à un bus de communication (3), lui-même relié à un contrôleur (4) d'énergie de batteries.