CA2152929A1 - Procede et dispositif de surveillance et d'equilibrage dynamique d'un pack de batteries d'accumulateurs - Google Patents

Procede et dispositif de surveillance et d'equilibrage dynamique d'un pack de batteries d'accumulateurs

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CA2152929A1
CA2152929A1 CA002152929A CA2152929A CA2152929A1 CA 2152929 A1 CA2152929 A1 CA 2152929A1 CA 002152929 A CA002152929 A CA 002152929A CA 2152929 A CA2152929 A CA 2152929A CA 2152929 A1 CA2152929 A1 CA 2152929A1
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Alain Chatenay
Michel Petit
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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

WO 95/1~i023 PCT/FR94/01351 PROCEDE ET DISPOSITIF DE SURVF~ ICE ET
D'EQUILIBRAGE DYNAMIQUE D'UN PACK
DE BA I I t~lt:~i D'ACCUMULATEURS

s La prese"le invention se ,dl.po,le à un procédé et à un disposi~ir de surveillance et d'équilib,dye dy"a",i~,le d'un pack de bdlleries d'accumui~te~ Irs.
Une batterie est souvent d~,)o,n",é pack, terme qui recouvre en fait un e"ser"ble de batteries. Par e~elllple, dans un véhicule électrique, la 10 udllerie de traction" contient q~el1ues di~ai"es de batteries. Ces batteries présentent toutes des disper~iG"s de carac~erisliques qui affectent très sensiblement la valeur de leur capacile ,naxi",ale, leur dynamique de charge, de décharge et leur vieillisser"ent.
Lors d'une charge, certaines batteries atteignent leur pleine 5 charge bien avant d'autres sans que cela puisse être détecté par un chargeur qui ne mesure que la tension globale aux bomes du pack et une seule température. Ainsi donc, la charge continuant, les batteries déjà
pleines vont aller en surcharge avec à la limite dé.J~,age, et il se peut qu'en fin de charge (période où l'intensité de charge est la plus faible), certaines 20 batteries ne soit pas pleines.
Lors d'une décharge, le problème inverse se présente. Les batteries non totalement chargées ou de capaciLes dirr~re"les (dispersions de fabrication) atteignent la décharge profonde (donc se dégradent par sulfatation irréversible des plaques dans le cas des batteries au plomb) 25 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 carac~eristiques du pack (écroulement prématuré de la tension sur appel de forts courants,
2~5~92~
3 PCT/FR94101351~

échauffement a"or",al, ~éD~,~ge dangereux), le service après vente du constructeur de batteries doit tester dy"a",i~,Jement la varialiG" de tension de chaque ballerie pour une consG",r"dlio" donnée. En effet, la te"sio" aux bomes d'une batterie en circuit ouvert n'est en aucun cas ca,~c~é,ialiq.le de 5 son état. Cette opération se traduit pratiquement par la déco",)exion de chaque batterie du pack de tldc~ion, ce qui est long, coûteux, pénible et met un frein au dévelG~,pe,ne,)l des véhicules électriques.
Tout prclonge,nenl de la durée de vie des batteries représente un gain illl~Jolldnl pour le ~ossesse~r du véhicule. En effet, le prix d'un élémentlO de 6v d'une batterie de lracliol- 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 seulelnenl de détec~er à tout moment en 15 régime de charge et en régime de décharge les batteries dont la ~pacilé
est sensiblement différente de celle de la moyenne du pack, mais aussi de corriger les effets de cette dispersion de caractéristiques sans avoir a remplacer sysle,ndliquement les L,dlleries de capacité plus faible (équilibrage dyna"~ique), ce procédé devant pe",lell, e de repérer les 20 batteries de cat~acilé plus faible, et d'avertir l'utilisateur lorsque la ~pacilé
des batteries descend au-dessous 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 confo"~,e à l'invention est caractérisé par le fait qu'on surveille la tension aux bomes de chaque batterie et sa température, qu'en régime de charge du pack de bdlLeries on dérive au moins une partie du courant de charge de cnacune des batteries pour le dissiper à l'extérieur de la batterie lorsque la tension à ses bomes eVou sa température indiquent un 30 état ou un risque de surcnarge, et qu'en régime de charge et de décharge on surveille l'évolution de la tellsio" aux bornes de chaque batterie et sa température, pour détecler un éventuel déséquilibre entre les différentes batteries du pack, I'enregistrer eVou déclencher une alarme.
Le dispositif de surveillance et d'équilibrage conforme à
35 I'invention co""~Gile, aux bornes de chaque batterie individuelle, un capteur 21~2~29 WO 9S/1!j023 PCT/FR94/01351 de courant en série avec un ballast ~;ssil-~le~r d'énergie, le capteur étant relié à un col"par~leur recevant une valeur de consigne, la sortie du co""~&tdleur cGr,.,.,a,.da,.l le ballast.
La pr~se"le invention sera mieux co",l.rise à la lecture de la 5 description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin a""exé, sur lequel:
- la figure 1 est un bloc~liagra",rne d'un dispositif de surveillance et d'équilibrage co"ro""e à l'invention;
- la figure 2 est un bloc-diay,d,l""e de l'un des modules l0 d'équilibrage dynamique du dispositif de la figure 1;
-la figure 3 est un bloc~iayrar"",e de l'un des modules de surveillance et d'équilibrage du di~pOsilir de la figure 1, et - les figures 4 et 5 sont des exemples de diagrarnrr,es de tension aux bornes de deux batteries individuelles ayant veilli c~ir~érer"ment pour 15 différents courants de décharge.
L'invention est décrite ci ~lesso~s en rerérel,ce 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 20 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 rel,ra""a"l plusieurs éléments non ~ccessihles à l'utilisateur (la tension aux bomes de chaque élément étant d'environ 2v 25 pour des batteries au plomb) et colllpollanl deux bornes de sortie (+ et -).
La tension nominale à ces bomes est généralement de 6 12v ou 24v. Un pack est co"slill-é 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 co,npol Lant n batteries en série rérére"cées B1 à Bn. Aux bomes de chaque batterie on branche un dispositif électronique de surveillance et d'équilibrage ces dispositifs électroniques étant respectivement rérére"cés 2.1 à 2.n. Les sorties des ~ispositifs 2.1 à 2.n sont toutes reliées à une ligne de l,dl,s",ission 35 numérique commune 3 elle-même reliée à un contrôleur d'énergie de 2152 9~9 ~
WO 95/15023 PCT/FR94/01351 ~

batteries 4 (également appelé jauge de L~alleries). Ce contrôleur 4 est avanta~e~se",e"t du type décrit dans la de",a"de de brevet francais N 93 09713. Chaque .lis~osilir électronique 2.1 à 2.n comporte un module d'équilibrage dy"a",ique ces modules ~tant respectivement r~rere"cés 5.1 à
s 5.n et un module de surveillance et d'équilibrage ces modules étant respectivement ,i:rér~"cés 6.1 à 6.n.
Sur la figure 2 on a repr~senté le bloc~i~y,amrne de l'un des modules d'é~uilihrage dy"d",i~ue r~rerel,cé 5.i tous ces modules étant identiques. Le module ~.i est l~ra"cl ,é aux bomes de la batterie lO correspondante B.i. Ce module 5.i cGr"po,le 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 nécess~ire tout ou partie du courant I arrivant à la batterie B.i. Ce courant dérivé est r~fér~"cé i. Sa valeur peut 15 donc ailer 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 pr~réré le ballast 7.i est un transistor de puissance dont les carac~, isliques sont ap~,, opriées au 20 courant à dériver à la tension à ses bomes et à la pl ~iss~nce à dissiper.
Le module d'éc~ ~ilihrage dynamique (et par conséquent son transistor de puissance) peut être co""l,d"dé en tout ou rien (par une tension rectangulaire produite de façon connue en soi à fréquence eVou rapport cyclique variable) ou progressivement par le module de surveillance 25 6.i le module 5.i Iimitant automatiquement le courant à une valeur compatible avec sa capacité de ~issip~tion 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 colopard~eur 9.i dont l'autre entrée30 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~lessus en fonction de la différence entre ladite valeur de consigne et la valeur mesurée par le 35 capteur 8.i.

~ wo 95/lSo~l 215 2 9 2 9 PCT~ns4/nl3sl De façon av~"iayeuse le module 5.i w""~,le un disposilir de sécurité 11.i, en série avec le ballast 7.i et le capteur 8.i et qui est relié àune entrée du ~",par~leur 9.i. Ce cJisposilir 11.i ~rotege la batterie B.i d'un court-circuit du ballast 7.i Iimite le courant i ~ une valeur ",axin~ale 5 cor"palible avec la capacilé de liSsip~lio" du ballast 7.i et interdit la circulation inverse du courant à travers le ballast 7.i et le capteur 8.i (c'est-à-dire le courant de sens o~José à celui du courant i). La réalisation d'un tel dispo-~ilir de sécurité est évidente pour l'I,o,~""e de l'art à la lecture de laprésente des~ ;~JL;GrI.
Le module 6.i repr~sel ~lé en figure 3 c~r"po, Le essentiellement un microcontrôleur 12.i (ou riispositif similaire) relié côté entrée à un dispositif 13.i de mesure de la tension aux bornes de la batterie correspol,dal,le 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 bomes, ou, de prerére"ce, lorsque cela est possible, de son électrolvte ou de ses plaques). Une sortie du microcor,l,oleur 12.i est reliée à un convertisseur numérique/analogique 15.i foumissant ladite valeur de cG"siy"e au cori"~araleur 9.i. Ce convertisseur 15.i peut être remplacé par tout disposilir pouvant produire cette valeur de consigne. D'autre part le microco"lr~leur 12.i est relié à une mémoire morte 20 16.i (par exemple une EEPROM) qui contient une table de conversion c'est-à-dire les données spéciflques aux capteurs 13.i et 14.i utilisés et permet de convertir les valeurs qu'ils foumissent en valeurs "vraies". On effectue ainsi un calibrage de ces capteurs afin de tenir co",pte de leurs dispersions de caractéristiques et imprécisions. Par conséquent on peut utiliser en tant que 2~ capteurs des modèles peu précis (mais fidèles), donc peu onéreux. La mémoire 16.i peut également contenir d'autres inrol"1alions telles que le numéro de série de la batterie.
Une sortie du miuocontrôleur 12.i est reliée via un dispositif 16.i d'isolation galvanique à la ligne de l,d"sr,lission 3. Ce dispositif 16.i est par 30 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 miuocontrôleur 12.i est également relié par un ensemble 17.i 3~ de plusieurs fils à un dispositif de codage binaire 1 8.i relié d'autre part à un 21~2~2~

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 codaye permet, lors de la mise en place des l~dlleries dans le véhicule, d'attribuer une "ide, I;iLé"
(adresse logique) à chacune des L,all~,ies, et donc permet au contrôleur 4 s de reco""aître individuellement chacune des batteries du pack. Le dispositif de codage 18.i cor,lpo,le par exemple, c~l"",e représenté sur le dessin, un ensemble de liaisons sécables 20.i entre les dirrer~ fils de l'ensemble 17.i et le fil 19.i, l'er,se,nble 17.i cGm,uollallL ici six fils (permettant de coder les adresses de 26 = 64 batteries au ",~ci~"um). Bien entendu, le ~ispositif 18.i lO peut être réalisé de toute autre facon a~,ro,uriée.
Le dispositif de la figure 3 COl"~O~ le également un ~isposiLir 21.i d'alimentation régulée branché aux bomes de la batterie B.i et alimentant les différents circuits de ce dispositif 6.i.
Le ~isposilir décrit ci~ess~ ~s 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 bomes 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 20 réponse et de communication de chacun de ces modules. Ces réponses comportent les valeurs mesurées demandées, accGr"~agnées 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 25 avec le même courant de charge (ce qui est généralement vrai lorsque ces batteries sont neuves). ll est bien entendu que le dispositif fournissant le courant de charge I des batteries régule ce courant a la valeur ap~.ropriée, 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 35 de plus faible capacité augmente plus rapidement, surtout en fin de charge, 21~2929 qu'aux bo",es des autres batteries. Le contrôleur 4, lorsqu'il constate cette plus rapide auy,ne"talion, cG,nmande aux mod~ ~!es 6.i correspondants d'envoyer, via leur convellisseur 15.i, une valeur de consigne ~lirrer~nle, ce qui a pour effet de rendre passa,.l le ballast 7.i ~"~sponda"l (ce ballast 5 étant, en général, normalement fermé lorsque la capacilé de la batterie correspol,~ai"e a la bonne valeur). Ce ballast dérive alors une partie (i) du courant I, ce qui p~l",et de ne pas sur~;l,aryer la batterie de plus faible cal.acilé, tout en cl,~rgeant à une valeur supérieure les batteries de plus forte capacile.
Supposons, pour simplifier, qu'une batterie du pack ait une capacilé de 150 A.h, alors que toutes les autres ont une capacité de 160A.h. S~pl~osons 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 A.h 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 enlendu, le contrôleur 4 mémorise les capacilés des 20 différentes batteries (ou des valeurs proportionnelles à ces capacités), et peut par exemple signaler à l'utilisateur des diminutions trop rapides eVou 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 30 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 facon appru~riée, visuelle eVou sonore. L'utilisateur peut alors prendre toutes les mesures nécessaires (arrêt du véhicule à la 35 prochaine borne électrique pour recharger le pack, ...).

2~52~29 WO 95/15023 PCTIER94/01351 ~
., On a représenté en figures 4 et 5 à titre d exemple les courbes dol Inal ll la tensio" aux bomes d'une batterie en fonction de sa capacilé lors de sa décl,arge. Les deux figures se rappo,le"l a une batterie de capacité
nominale 160 A.h et de tension "o",inale 6 V.
s Les courbes de ces figures ont été établies pour différentes valeurs de courant collslallt de décharge (25, 50 100, 200 et 300 A). La figure 4 se rap,uol le à une batterie ayant plus vieilli que celle de la figure 5.
On constate que pour un même courant de dæl~ar~e la tension aux bornes de la batterie de la figure 5 descend plus rapidement que celle de la batterie 10 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 et/ou 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, l'enregistrer et/ou 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 bornes 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 bornes de la batterie correspondante.
10. Disposilif 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.
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