FR2961640B1 - POWER BATTERY MODULE - Google Patents
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Abstract
Le module de batteries de puissance comprend plusieurs cellules (1, 2) reliées à des bornes de sortie (15, 72) et l'une à l'autre par des éléments de connexion (17, 10, 13, 14, 12). Le module comprend une résistance d'équilibrage (11, 22) associée à chaque cellule (1, 2) et agencée pour transmettre à tout ou partie des éléments de connexion (17, 10, 13, 14, 12) une quantité de chaleur dissipée par effet joule dans la résistance (11, 22).The power battery module comprises a plurality of cells (1, 2) connected to output terminals (15, 72) and to each other by connection elements (17, 10, 13, 14, 12). The module comprises a balancing resistor (11, 22) associated with each cell (1, 2) and arranged to transmit all or part of the connection elements (17, 10, 13, 14, 12) a quantity of heat dissipated by joule effect in the resistor (11, 22).
Description
Module de batteries de puissancePower battery module
Le domaine de l'invention est celui des batteries de traction, des batteries de puissance, des cellules accumulateur d'énergie, Lithium Ion, Ultra capacités, utilisées notamment dans les véhicules électriques.The field of the invention is that of traction batteries, power batteries, energy storage cells, Lithium Ion, Ultra capacitors, used in particular in electric vehicles.
Les cellules de type Lithium Ion sont assemblées en série et/ou en parallèle pour former un pack batterie. Le nombre de cellules reliées entre elles dépend de la tension et capacité en puissance désirées. Par exemple une cellule JCS VL22M procure sous tension nominale de 4V, une capacité de charge de 22 A.H (Ampères heures) . Les packs batteries associent généralement en série un nombre de cellules compris entre 25 et 100 de façon à délivrer une tension nominale comprise entre 100 et 400 V.Lithium Ion type cells are connected in series and / or in parallel to form a battery pack. The number of cells connected to each other depends on the desired voltage and power capacity. For example a JCS VL22M cell provides a nominal voltage of 4V, a load capacity of 22 A.H (amperes hours). The battery packs generally associate in series a number of cells between 25 and 100 so as to deliver a nominal voltage of between 100 and 400 V.
Les déséquilibres entre cellules réduisent progressivement la capacité totale du pack. En effet, la tension d'une cellule doit être maintenue dans une plage de tension stricte. Donc, l'arrêt des charges dépend de la cellule la plus haute et l'arrêt des décharges de la cellule la plus basse en tension. Pour maintenir le même niveau de tension entre cellules, il faut les équilibrer.The imbalances between cells gradually reduce the total capacity of the pack. Indeed, the voltage of a cell must be maintained in a strict voltage range. Therefore, the stop of the charges depends on the highest cell and the cessation of the discharges of the lowest cell in tension. To maintain the same level of voltage between cells, they must be balanced.
Deux types de système d'équilibrage existent : actif ou passif.Two types of balancing system exist: active or passive.
Le premier (actif) consiste à faire des transferts d'énergie entre cellules. Ce système est coûteux en prix et en mise en œuvre. Par contre, il permet de réduire le temps d'équilibrage et de répartir l'énergie.The first (active) is to make energy transfers between cells. This system is expensive in price and implementation. On the other hand, it makes it possible to reduce the balancing time and to distribute the energy.
Le second (passif) consiste à décharger dans une résistance chaque cellule pour atteindre le niveau de la plus basse. Ce système est peu onéreux et facile à mettre en œuvre, mais le temps d'équilibrage est long et l'énergie est perdue en chaleur. L'équilibrage passif a pour défaut de dissiper l'énergie de la cellule, en chaleur à travers une résistance. Le temps d'équilibrage, la chaleur à dissiper, la surface de refroidissement et la taille de la résistance sont directement proportionnels. Sans refroidissement, le temps nécessaire pour équilibrer un pack complet peut durer entre 12 heures et plusieurs jours. L'ajout d'un refroidisseur permet de réduire cette durée.The second (passive) is to unload each cell in a resistor to reach the lowest level. This system is inexpensive and easy to implement, but the balancing time is long and the energy is lost in heat. Passive balancing has the defect of dissipating the energy of the cell, in heat through a resistance. The balancing time, the heat to be dissipated, the cooling surface and the size of the resistor are directly proportional. Without cooling, the time needed to balance a complete pack can last from 12 hours to several days. Adding a cooler reduces this time.
Le but de l'invention est de réduire le temps d'équilibrage et/ou d'augmenter le courant d'équilibrage, sans nécessiter de pièce spécifique pour le refroidissement.The object of the invention is to reduce the balancing time and / or increase the balancing current without requiring a specific room for cooling.
Pour atteindre le but fixé, un objet de l'invention est un module de batteries de puissance comprenant plusieurs cellules reliées à des bornes de sortie et l'une à l'autre par des éléments de connexion. De manière remarquable, le module comprend, associée à chaque cellule, une résistance d'équilibrage et les éléments de connexion servent de moyen de refroidissement de la résistance.To achieve the object, an object of the invention is a power battery module comprising a plurality of cells connected to output terminals and to each other by connection elements. Remarkably, the module comprises, associated with each cell, a balancing resistor and the connection elements serve as a means of cooling the resistor.
Plus précisément, la résistance d'équilibrage est agencée pour transmettre à au moins un élément de connexion une quantité de chaleur produite par effet joule dans ladite résistance.More specifically, the balancing resistor is arranged to transmit to at least one connecting element a quantity of heat produced by joule effect in said resistor.
Particulièrement, lesdits éléments de connexion comprennent au moins une barre omnibus (busbar en anglais).In particular, said connection elements comprise at least one bus bar.
Avantageusement, pour transmettre ladite quantité de chaleur à la barre omnibus, la résistance est placée à proximité de la barre omnibus et reliée à la barre omnibus par un drain thermique.Advantageously, to transmit said amount of heat to the bus bar, the resistor is placed close to the bus bar and connected to the bus bar by a heat sink.
Plus particulièrement, la résistance est placée sur un circuit imprimé de façon à surplomber la barre omnibus et la résistance est reliée électriquement aux bornes de la cellule à laquelle elle est associée par des pistes conductrices du circuit imprimé.More particularly, the resistor is placed on a printed circuit so as to overhang the bus bar and the resistor is electrically connected to the terminals of the cell to which it is associated by conductive tracks of the printed circuit.
Plus particulièrement encore, une pâte thermique sur le circuit imprimé est utilisée pour favoriser un transfert thermique de la résistance vers la barre omnibus.More particularly, a thermal paste on the printed circuit is used to promote heat transfer of the resistor to the bus bar.
De préférence, au moins un des éléments de connexion est en cuivre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un module de batterie connu ; - la figure 2 est une vue en perspective du module de batterie de la figure 1 auquel on applique 1 ' invention ; - la figure 3 est une vue de dessus d'un détail de connexion sur le module de la figure 2; - la figure 4 est une vue partielle de circuit imprimé conforme à celui représenté sur la figure 2 ; - la figure 5 est une vue de face d'une cellule telle qu'elle est montée dans le module représenté sur la figure 2.Preferably, at least one of the connection elements is copper. Other features and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a perspective view of a known battery module; FIG. 2 is a perspective view of the battery module of FIG. 1 to which the invention is applied; FIG. 3 is a view from above of a connection detail on the module of FIG. 2; FIG. 4 is a partial printed circuit view in accordance with that shown in FIG. 2; FIG. 5 is a front view of a cell as it is mounted in the module shown in FIG. 2.
Le principe de l'invention consiste à utiliser les éléments existants dans le pack, ayant une bonne conduction thermique comprenant notamment les bornes des cellules, les vis et la barre omnibus de mise en série, pour refroidir les résistances et permettre ainsi de réduire le temps d'équilibrage. La barre omnibus en cuivre étamé reliant chaque cellule, dimensionnée pour passer le courant maximal, est situé sous la résistance à refroidir. Des drains et de la pâte thermiques sur le circuit imprimé permettent la dissipation sur le cuivre.The principle of the invention is to use the existing elements in the pack, having a good thermal conduction comprising in particular the cell terminals, the screws and the serial bus bar, to cool the resistors and thus reduce the time balancing. The tinned copper busbar connecting each cell, sized to pass the maximum current, is located under the resistor to be cooled. Drains and thermal paste on the printed circuit allow dissipation on the copper.
La figure 1 illustre un module de batteries de puissance comprenant plusieurs cellules 1, 2, 3, 4, 5, 6 reliées en série entre deux bornes d'entrée/sortie 15, 72 et l'une à l'autre par des éléments de connexion qui comprennent des barrettes de type barre omnibus.FIG. 1 illustrates a power battery module comprising several cells 1, 2, 3, 4, 5, 6 connected in series between two input / output terminals 15, 72 and one to the other by elements of connection which include bus bar type busbars.
Une barrette 10 est fixée à l'une de ses extrémités à la borne d ' entrée/sort ie 15 par une vis 17 qui assure le contact électrique et thermique entre la barrette 10 et la borne 15. La barrette 10 est fixée à l'autre de ses extrémités à la borne positive de la cellule 1 par une vis 13 qui assure le contact électrique entre la barrette 10 et la borne positive de la cellule 1.A strip 10 is fixed at one of its ends to the input / output terminal ie 15 by a screw 17 which ensures the electrical and thermal contact between the strip 10 and the terminal 15. The strip 10 is fixed to the other of its ends to the positive terminal of the cell 1 by a screw 13 which ensures the electrical contact between the bar 10 and the positive terminal of the cell 1.
De la même manière, une barrette 12 est fixée à l'une de ses extrémités à la borne négative de la cellule 1 par une vis 14 et à l'autre de ses extrémités à la borne positive de la cellule 2 par une vis 21.In the same way, a bar 12 is fixed at one of its ends to the negative terminal of the cell 1 by a screw 14 and at the other of its ends to the positive terminal of the cell 2 by a screw 21.
De la même manière, une barrette 23 interconnecte la borne négative de la cellule 2 et la borne positive de la cellule 3 par l'intermédiaire d'une vis 24 et d'une vis 31.In the same way, a bar 23 interconnects the negative terminal of the cell 2 and the positive terminal of the cell 3 by means of a screw 24 and a screw 31.
De la même manière, une barrette 34, 45, 56 interconnecte la borne négative de la cellule 3, 4, 5 et la borne positive de la cellule 4, 5, 6 respectivement par l'intermédiaire d'une vis 33, 43, 53 et d'une vis 41, 51, 61.In the same way, a bar 34, 45, 56 interconnects the negative terminal of the cell 3, 4, 5 and the positive terminal of the cell 4, 5, 6 respectively by means of a screw 33, 43, 53 and a screw 41, 51, 61.
Une barrette 67 est fixée à l'une de ses extrémités à la borne négative de la cellule 6 par une vis 63 qui assure le contact électrique entre la barrette 67 et la borne négative de la cellule 6. La barrette 67 est fixée à l'autre de ses extrémités à la borne positive d'une série successive de cellules dont la borne négative de la dernière cellule est reliée électriquement à une barrette 70. La barrette 70 est fixée à l'autre de ses extrémités à la borne d ' entrée/sort ie 72 par une vis 71 qui assure le contact électrique entre la barrette 70 et la borne d'entrée/sortie 72.A bar 67 is fixed at one of its ends to the negative terminal of the cell 6 by a screw 63 which ensures the electrical contact between the bar 67 and the negative terminal of the cell 6. The bar 67 is fixed to the other of its ends to the positive terminal of a successive series of cells whose negative terminal of the last cell is electrically connected to a bar 70. The bar 70 is fixed at the other of its ends to the input terminal / eject 72 by a screw 71 which ensures the electrical contact between the bar 70 and the input / output terminal 72.
La figure 2 illustre un module de batteries comparable à celui de la figure 1, sur lequel l'invention est mise en œuvre.FIG. 2 illustrates a battery module comparable to that of FIG. 1, on which the invention is implemented.
Une résistance 11, 22, 33, 44, 55, 66 est agencée pour être électriquement connectée et déconnectée aux bornes respectivement : - 13, 14 de la cellule 1, - 21, 24 de la cellule 2, - 31, 33 de la cellule 3, - 41, 43 de la cellule 4, - 51, 53 de la cellule 5, - 61, 63 de la cellule 6.A resistor 11, 22, 33, 44, 55, 66 is arranged to be electrically connected and disconnected at the terminals respectively: - 13, 14 of the cell 1, - 21, 24 of the cell 2, - 31, 33 of the cell 3, 41, 43 of cell 4, 51, 53 of cell 5, 61, 63 of cell 6.
Un équilibrage de charge des cellules est nécessaire pour certaines phases de fonctionnement du module, notamment pour les phases de remise en charge. Une phase de ce type est précédée d'une étape d'équilibrage dans laquelle la connexion d'une résistance aux bornes de la cellule à laquelle la résistance est associée, permet de décharger la cellule dans la résistance. Dans l'étape d'équilibrage, la résistance associée à une première cellule est alors connectée lorsque la première cellule stocke une charge supérieure à celle d'une deuxième cellule la moins chargée des cellules du module, jusqu'à ce que la première cellule atteigne le niveau de charge de la deuxième cellule. On répète cette étape pour chacune des autres cellules.A load balancing of the cells is necessary for certain phases of operation of the module, in particular for the phases of restoration. A phase of this type is preceded by a balancing step in which the connection of a resistor across the cell to which the resistor is associated, allows the cell to be discharged into the resistor. In the balancing step, the resistance associated with a first cell is then connected when the first cell stores a load greater than that of a second least loaded cell of the cells of the module, until the first cell reaches the charge level of the second cell. This step is repeated for each of the other cells.
Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 2, les résistances 11, 22, 33, 44, 55, 66 sont montées sur une plaque de circuit imprimé 18. Une première catégorie de pistes conductrices sur le circuit imprimé 18, permet de relier chaque résistance, via un contacteur piloté, aux bornes de la cellule associée, indépendamment de la localisation de la résistance sur le circuit imprimé. Une deuxième catégorie de pistes conductrices sur le circuit imprimé 18, permet de piloter chaque contacteur à distance depuis un calculateur (non représenté).In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2, the resistors 11, 22, 33, 44, 55, 66 are mounted on a printed circuit board 18. A first category of conductive tracks on the printed circuit 18 makes it possible to connect each resistor, via a controlled contactor, to the terminals of the associated cell, regardless of the location of the resistor on the printed circuit. A second category of conductive tracks on the printed circuit 18 makes it possible to drive each contactor remotely from a computer (not shown).
Le cercle 16 en trait mixte de la figure 2, délimite une zone du module qui permet d'expliquer des détails intéressants de mise en œuvre en référence à la figure 3.The circle 16 in phantom of Figure 2, delimits an area of the module that can explain interesting details of implementation with reference to Figure 3.
De façon à transmettre à la barrette de barre omnibus 10 une quantité de chaleur dissipée par effet joule dans la résistance 11 lorsqu'elle est connectée aux bornes 13, 14 pour décharger la cellule 1, la résistance 11 est placée à proximité de la barre omnibus 10 dont le lien avec la borne 15 permet une évacuation particulièrement efficace de la chaleur.In order to transmit to the bus bar 10 a quantity of heat dissipated by Joule effect in the resistor 11 when it is connected to the terminals 13, 14 to discharge the cell 1, the resistor 11 is placed close to the bus bar 10 whose connection with the terminal 15 allows a particularly effective heat evacuation.
Comme on le voit sur les figures 3 et 5, la résistance 11 est placée sur le circuit imprimé 18 de façon à surplomber la barrette de barre omnibus 10. On dispose la résistance 11 sur une matrice 110 de perçages à travers le circuit imprimé 18 qui, comme représenté sur la figure 4, permet de relier la résistance 11 à la barrette de barre omnibus 10 par un ou plusieurs drains thermiques 68 électriquement isolants, pour transmettre la chaleur de la résistance à la barrette.As seen in FIGS. 3 and 5, the resistor 11 is placed on the printed circuit 18 so as to overlie the bus bar 10. The resistor 11 is disposed on a matrix 110 of bores through the printed circuit 18 which , as shown in FIG. 4, makes it possible to connect the resistor 11 to the busbar strip 10 by one or more electrically insulating thermal drains 68, to transmit the heat of the resistance to the busbar.
Une pâte thermique sur le circuit imprimé 18 est utilisée pour favoriser le transfert thermique de la résistance vers la barre omnibus 10.A thermal paste on the printed circuit 18 is used to promote the heat transfer of the resistor to the busbar 10.
Une piste 115 est prévue pour relier une patte de la résistance 11 à une pastille 130 mise en contact électrique avec la vis 13. Une piste 120 est prévue pour relier une autre patte de la résistance 11 à un socle 135 destiné à un contacteur pour connecter et déconnecter la piste 120 à une piste 137 reliée à une pastille 140 mise en contact électrique avec la vis 14.A track 115 is provided for connecting a tab of the resistor 11 to a pad 130 in electrical contact with the screw 13. A track 120 is provided to connect another tab of the resistor 11 to a base 135 for a contactor to connect and disconnecting the track 120 from a track 137 connected to a pellet 140 placed in electrical contact with the screw 14.
Il en est de même pour la résistance 22 placée sur le circuit imprimé 18 au dessus de la barrette de barre omnibus 12. Il en est aussi de même pour les autres résistances.It is the same for the resistor 22 placed on the printed circuit 18 above the busbar bar 12. It is the same for the other resistors.
Des perçages dans les pastilles 130, 140 du circuit imprimé permettent de fixer le circuit imprimé 18 en utilisant les vis 13, 14 de maintien des barrettes 10, 12 de barre omnibus.Bores in the pellets 130, 140 of the printed circuit to fix the printed circuit 18 using the screws 13, 14 for maintaining the strips 10, 12 bus bar.
Tout ou partie des éléments de connexion 17, 10, 13, 14, 12 est en cuivre ou en aluminium de façon favoriser la conduction tant électrique que thermique. L'intérêt de la présente invention est d'utiliser des pièces existantes dans le module de batteries. Les barres omnibus en cuivre acheminent le courant à travers les cellules. Il suffit de mettre en regard de ce ou ces barres omnibus, une résistance montée sur le circuit imprimé avec les drains thermiques et la pâte conductrice pour permettre l'évacuation de la chaleur. La tête de vis pour la fixation de l'ensemble, ainsi que la borne de la cellule contribuent à la dissipation thermique.All or part of the connection elements 17, 10, 13, 14, 12 is made of copper or aluminum so as to promote both electrical and thermal conduction. The advantage of the present invention is to use existing parts in the battery module. Copper busbars carry current through the cells. Just put next to this or these bus bars, a resistance mounted on the printed circuit with the heat sink and the conductive paste to allow the evacuation of heat. The screw head for fixing the assembly as well as the terminal of the cell contribute to the heat dissipation.
Claims (7)
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (2)
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