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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,
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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
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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
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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.
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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
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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,
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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, ...).
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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.
