WO2013014358A2 - Methode et dispositif d'equilibrage des batteries d'accumulateurs electriques - Google Patents

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WO2013014358A2
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charging
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Lionel Cordesses
Ana-Lucia DRIEMEYER-FRANCO
Daniel Chatroux
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Renault S.A.S.
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0068—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302—Overcharge protection

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for balancing electric storage batteries.
  • a field of application envisaged is in particular, but not exclusively, the charge management of lithium-ion batteries.
  • This type of battery comprises a plurality of electric accumulators, or cells, including a rechargeable electrochemical system for supplying a nominal voltage.
  • the charging or discharging of these accumulators respectively results in a growth or a decrease in the voltage across the accumulator.
  • the accumulator is in the charged state or discharged when it has reached a voltage level defined by the electrochemical equilibrium of the system.
  • the same current value flows through all the accumulators.
  • the charge or discharge level of the accumulators depends on the intrinsic characteristics of said accumulators, namely, the intrinsic capacitance and the parasitic internal resistances of the electrolyte and / or electrodes of the electrochemical system. As a result, voltage differences between the accumulators may arise due to manufacturing and aging disparities.
  • the accumulators of the same electrochemical system have a given maximum charge state, which should not be exceeded when charging the storage battery, otherwise they may be damaged.
  • the device described in this document takes into account the maximum and minimum load thresholds of each of the accumulators to switch on and off the individual charge thereof.
  • a disadvantage of this device lies in its cost, since it requires the use of as many chargers as accumulators of said battery.
  • a problem that arises and that aims to solve the present invention is to provide a balancing method and a balancing device that are cheap.
  • the present invention proposes, according to a first object, a method of balancing an electric storage battery, said method being of the type according to which on the one hand a battery of electric accumulators comprising accumulators connected to each other in series, and secondly a charging current having a charge value for charging said accumulators, said accumulators having a maximum state of charge, and charging said accumulators during a charging step to increase the charging said accumulators to their maximum state of charge.
  • said charging step comprises in the following sub-steps: a) said accumulators are supplied in series with said charging current at said charge value until one of said accumulators of said battery reaches said maximum state of charge; b) torque during a coupling period said one of said accumulators at the terminals of an unloading member corresponding to discharge said one of said accumulators, while simultaneously lowering said charging current to a balancing value; and, c) returning to substep a) after a duration less than or equal to said coupling period.
  • a feature of the invention lies in the supply of all accumulators connected in series with a single charging device as will be explained in the following description, and in paralleling on a discharging member during a predetermined coupling period, the accumulator which has reached the first, the maximum state of charge.
  • the unloading member is advantageously a resistor. However, it may consist of a device for not dissipating energy, but to transfer it to other accumulators that have not yet reached the state of maximum load.
  • step b) the unloading member, or the corresponding resistor, is traversed by a balancing current and said charging current is lowered to a value less than or equal to said balancing current.
  • the charging current is at a value equivalent to the balancing current, it is then controlled in "proportional mode" and requires a complementary control element.
  • said lowering charging current to a zero value, and the control is performed in "all or nothing mode", which significantly reduces the charging speed of the storage battery but on the other hand, simplifies the assembly.
  • a higher state of charge is defined, said upper state of charge being lower than said maximum state of charge, and the accumulators are furthermore coupled to the sub-step b). whose state of charge is between said upper state of charge and said state of maximum load, corresponding unloading bodies so as to discharge.
  • This higher state of charge although lower than the maximum state of charge, is very close. In this way, not only the charge of the most charged accumulator but also and simultaneously the charge of those whose charge state is close to said maximum state of charge is lowered. In this way, the next cycle is longer and therefore, over the cycles, the charging speed of the accumulators of the battery is faster.
  • sub-step a) is returned to if and only if at least one accumulator has a state of charge lower than said higher state of charge.
  • the charge of the accumulators of the battery can be interrupted when all the accumulators have a state of charge between the maximum state of charge and the state of charge higher.
  • the power supply and the balancing of the accumulators are interrupted when it is no longer necessary.
  • the present invention proposes a balancing device for charging an electric storage battery, said electric storage battery comprising accumulators connected to each other in series, said accumulators having a state of charge. maximum load, said balancing device comprising charging means for supplying a charging current having a charge value, said charging current being for charging said accumulators during a charging step so as to increase the charging of said accumulators to a charge current; at their maximum state of charge.
  • the balancing device comprises: control means and control means for controlling said charging means to supply said accumulators in series with said charging current at said charge value until said control means controls one of said accumulators said battery at its maximum state of charge; coupling means adapted to be controlled by said control means for coupling during a coupling period said one of said accumulators to the terminals of a corresponding discharging member so as to discharge said one of said accumulators, while said control means simultaneously lowering said charging current; and said control means is adapted to control the supply of said accumulators with said charging current to said charge value, after a duration less than or equal to said coupling period.
  • said coupling means comprise switches and corresponding discharging members, for each of said accumulators, said switches being connected to said control means.
  • the corresponding unloading members are resistors.
  • said control means comprise first control means connected to said control means, for each of said accumulators.
  • the first control means communicate to the control means the state of charge of the accumulators, and as soon as one of the accumulators reaches the maximum state of charge, the control means control the switch to connect the corresponding discharge or for example the resistance, across said one of the accumulators.
  • said control means further comprise second control means for each of said accumulators, said second control means being able to control a higher state of charge, said upper state of charge being less than said maximum state of charge. Thanks to the first and second control means, the accumulators of said battery converge more rapidly to their maximum state of charge.
  • each control means consists of a voltage comparator.
  • These voltage comparators offer the advantage of being much less expensive than an analog / digital converter allowing it to provide the precise value of the current.
  • FIG. 1 is a block diagram of a first elementary unit of a balancing device according to the invention, and according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a graph illustrating the operating mode of the balancing device according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a block diagram of a second elementary unit of a balancing device according to the invention, and according to a second variant embodiment;
  • FIG. 4 is a graph illustrating the operating mode of the balancing device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 illustrates a battery 10 of n accumulators 12, or cells, connected in series, between two terminals A, B, and a balancing device 14 according to a first embodiment, shown partially.
  • the accumulators 12 are for example of the lithium-ion type. They each have a maximum state of charge corresponding, for example, to 3.6 V for an electrochemical lithium-ion system based on iron phosphate, and whose nominal voltage is 3.3 V. It will also be observed that the charge or the discharge of an accumulator corresponds respectively to a high voltage and a low voltage across this accumulator around the nominal voltage. As a result, the state of charge or discharge of an accumulator can be measured by monitoring the voltage at its terminals.
  • FIG. 1 shows an elementary unit balancer 16 mounted in parallel to the i th elementary accumulator 12.
  • This balancing unit 16 essentially comprises a first controller or comparator 18 and a resistor 20 as corresponding unloading member, both coupled at the terminals of the accumulator 12.
  • the resistor 20 is part of a balancing circuit 22 adapted to be closed by a controllable switch 24 and which constitute coupling means.
  • FIG. 1 also shows, on the one hand, control members 26 connected to the controllable switch 24 and the first comparator 18, and, on the other hand, a charger 28 connected to the two terminals A, B, of the battery 10, - Even being also connected to the control members 26.
  • the control members 26 comprise, for example, a microcontroller.
  • the first comparator 18 is connected to the control members 26 at a time by a first connection 30 intended to transmit an upper threshold signal when the maximum state of charge, for example 3.6 V, is reached and a second connection 32 for transmitting a lower threshold signal when the state of maximum discharge, for example 2 V, is reached.
  • Each of the accumulators 12 of the battery 10 is equipped with basic balancing units 16 connected in parallel, while the balancing device 14 comprises a single charger 28 and the only control members 26 to which are connected all the basic units of the battery. balancing 16.
  • the operating mode of the balancing device is intended to charge all the accumulators 12 of the battery 10 in series, with the single charger 28, and whose individual states of charge are different, without any of these accumulators 12 maximum state of charge.
  • the control members 26 control the charger 28 to supply the battery 10 with a charging current of a given value of charge.
  • all the accumulators 12 receive an identical charging current, while their own charge state is not necessarily equivalent and that, moreover, their charging capacity is also not equivalent.
  • one of the accumulators 12 necessarily reaches the maximum state of charge before the others.
  • the first comparator 18, via its first connection 30, transmits a signal upper limit value to the control means 26. In receiving this signal, the microcontroller 26 simultaneously controls the switch 24 and the closing of the circuit 22, and the lowering of the charging current.
  • This coupling operation is preprogrammed for a given coupling period.
  • the accumulator 12 discharges across the resistor 20, for example between 1/10 and 1/100 of the maximum state of charge, while the charging current is lowered so that other accumulators 12 do not reach, during this coupling period, their own maximum state of charge.
  • a first mode of implementation says: "in all or nothing”, the charging current is brought to zero during this coupling period, which simplifies the mounting of the device and, above all, makes it possible to avoid another accumulator does not reach its maximum state of charge, especially when the coupling period is relatively long.
  • a second mode of implementation said: “proportional”, the charging current is brought to a value equivalent to the value of the balancing current which passes through the resistor.
  • the microcontroller 26 controls the opening of the circuit 22 and the charger 28 so that the latter returns to said given load value.
  • the accumulators 12 are successively charged to be brought to a state of charge close to their maximum state of charge.
  • FIG. 2 showing a first graph showing the progress of the state of charge of four of the accumulators of a battery, which battery comprises ten accumulators, according to the charging cycles.
  • the maximum state of charge is here 4.2 V.
  • Battery No. 10 is also close to the maximum state of charge, while Battery No. 2 is at a charging state corresponding to 4.12 V and Battery No. 8 at 4.06 V.
  • the battery No. 9 reaches the first state of maximum charge. Also, it is partially discharged while the other accumulators continue either to be loaded during the coupling periods, according to the proportional mode, or not to be charged during this period, according to the all or nothing mode.
  • Battery No. 10 is the second to reach maximum state of charge. It is in turn partially discharged during the coupling period.
  • the accumulators Nos. 9 and 10 which have already reached their maximum state of charge, oscillate between their maximum state of charge and their state of charge after coupling on the resistor during the coupling period, while the other accumulators No. 2 and 8, converge to their maximum state of charge.
  • the accumulator # 2 reaches to the seventh cycle, while the 8 reaches to the 30th cycle.
  • the balancing is carried out charging in the manner of a sampled system whose sampling period corresponds to the coupling period.
  • the states of charge of the accumulators, or the corresponding voltages oscillate between the state of maximum charge and the state of charge to which a balanced accumulator falls during the coupling period.
  • the microcontroller 26 controls the charger 28. In this way, no accumulator can see its state of charge decrease below a certain threshold, which could damage it.
  • the elementary balancing unit 16 that is found further comprises a second controller, or comparator 36, also mounted in parallel on the accumulator 12 and connected to the microcontroller 26.
  • the entire balancing device is identical to that of the previous variant embodiment, and all the elementary balancing units 16 comprise a second comparator 36.
  • This second comparator 36 is connected to the control members 26 by a third connection 38 intended to transmit a threshold signal when a higher state of charge, in this case 3.5 V, is achieved.
  • a higher state of charge in this case 3.5 V
  • the control members 26 control the charger 28 to supply the battery 10 with a charging current of a given value of charge.
  • the first comparator 18 via its first connection 30 always transmits an upper threshold signal to the control means 26.
  • the microcontroller 26 Upon receipt of this signal, the microcontroller 26 not only controls the switch 24 and the simultaneous lowering of the charging current for the ith accumulator 12, but also of all the accumulators 12 for which the second comparator 36 has also transmitted a threshold crossing signal, that is to say for which the state of charge corresponds to a voltage between 3.5 V and 3.6 V.
  • the accumulators of the battery 10 whose state of charge is close to the state of maximum charge will also be partially discharged. This allows faster balancing of the accumulators 12 of the battery 10, because, compared with the first embodiment, the accumulators whose state of charge is close to the maximum state of charge are discharged simultaneously.
  • the microcontroller 26 stops the charging cycle, as soon as all the accumulators have a state of charge corresponding to a voltage of between 3.6 V and 3.5 V, ie, when the state of charge of all the accumulators is between the maximum state of charge and the higher state of charge. With this second comparator 36, the load is stopped when it has become unnecessary.
  • the balancing control algorithm may be more advanced.
  • the balancing device described above is applicable to other components, such as capacitors.

Abstract

L'invention concerne une méthode et un dispositif d'équilibrage d'une batterie d'accumulateurs. Selon la méthode on fournit, une batterie comprenant des accumulateurs connectés les uns aux autres en série, et un courant de charge présentant pour charger lesdits accumulateurs, lesdits accumulateurs présentant un état de charge maximal, et on charge lesdits accumulateurs durant une étape de charge pour augmenter la charge desdits accumulateurs jusqu'à leur état de charge maximal. Ladite étape de charge comprend dans l'ordre les sous-étapes suivantes : a) on alimente lesdits accumulateurs en série avec ledit courant de charge à ladite valeur de charge jusqu'à ce que l'un desdits accumulateurs de ladite batterie atteigne ledit état de charge maximal; b) on couple pendant ledit un desdits accumulateurs aux bornes d'une résistance correspondante, tandis qu'on abaisse simultanément le courant de charge; et, c) on revient à la sous-étape a).

Description

METHODE ET DISPOSITIF D'EQUILIBRAGE DES BATTERIES
D'ACCUMULATEURS ELECTRIQUES
La présente invention se rapporte à une méthode et à un dispositif d'équilibrage des batteries d'accumulateurs électriques.
Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, la gestion de la charge des batteries lithium-ion. Ce type de batterie comporte une pluralité d'accumulateurs électriques, ou cellules, incluant un système électrochimique rechargeable destiné à fournir une tension nominale.
La charge ou la décharge de ces accumulateurs se traduit respectivement par une croissance ou une décroissance de la tension aux bornes de l'accumulateur. L'accumulateur est à l'état chargé ou bien déchargé lorsqu'il a atteint un niveau de tension défini par l'équilibre électrochimique du système. Dans un circuit incluant une pluralité d'accumulateurs en série, une même valeur de courant circule à travers tous les accumulateurs. Aussi, le niveau de charge ou de décharge des accumulateurs dépend des caractéristiques intrinsèques desdits accumulateurs, à savoir, la capacité intrinsèque et les résistances internes parasites de l'électrolyte et/ou des électrodes du système électrochimique. Conséquemment, des différences de tension entre les accumulateurs peuvent apparaître du fait des disparités de fabrication et de vieillissement.
En outre, les accumulateurs d'un même système électrochimique, présentent un état de charge maximal donné, qu'il convient de ne pas dépasser lors de la charge de la batterie d'accumulateurs, sous peine de les endommager.
Or, compte tenu de ce qui précède, lors de la charge de la batterie d'accumulateurs, tous les accumulateurs n'atteignent pas la charge maximale donnée en même temps. Aussi, il est nécessaire de prévoir une charge individuelle de chacun des accumulateurs d'une batterie d'accumulateurs, de manière à stopper pour chacun d'eux la charge lorsque la charge maximale donnée est atteinte, et partant d'équilibrer la charge des accumulateurs.
On observera que le problème de la décharge se pose avec la même acuité. Or, là également, tous les accumulateurs d'une même batterie n'atteignent pas simultanément leur niveau de charge minimal.
On pourra notamment se référer au document US 6 377 024, lequel divulgue un dispositif incluant un chargeur pour chaque accumulateur d'une même batterie.
Le dispositif décrit dans ce document prend en compte les seuils de charge maximale et minimale de chacun des accumulateurs pour enclencher puis arrêter la charge individuelle de ceux-ci.
Un inconvénient de ce dispositif réside dans son coût, puisqu'il nécessite de mettre en œuvre autant de chargeurs que d'accumulateurs de ladite batterie.
Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir une méthode d'équilibrage et un dispositif d'équilibrage qui soient bon marché.
Dans ce but, la présente invention propose, selon un premier objet, une méthode d'équilibrage d'une batterie d'accumulateurs électriques, ladite méthode étant du type selon laquelle on fournit, d'une part une batterie d'accumulateurs électriques comprenant des accumulateurs connectés les uns aux autres en série, et d'autre part un courant de charge présentant une valeur de charge pour charger lesdits accumulateurs, lesdits accumulateurs présentant un état de charge maximal, et on charge lesdits accumulateurs durant une étape de charge pour augmenter la charge desdits accumulateurs jusqu'à leur état de charge maximal. Selon l'invention, ladite étape de charge comprend dans l'ordre les sous-étapes suivantes : a) on alimente lesdits accumulateurs en série avec ledit courant de charge à ladite valeur de charge jusqu'à ce que l'un desdits accumulateurs de ladite batterie atteigne ledit état de charge maximal ; b) on couple pendant une période de couplage ledit un desdits accumulateurs aux bornes d'un organe de déchargement correspondant de manière à décharger ledit un desdits accumulateurs, tandis qu'on abaisse simultanément ledit courant de charge à une valeur d'équilibrage ; et, c) on revient à la sous-étape a) après une durée inférieure ou égale à ladite période de couplage.
Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans l'alimentation de tous les accumulateurs connectés en série avec un seul dispositif de charge comme on l'expliquera dans la suite de la description, et dans la mise en parallèle sur un organe de déchargement pendant une période de couplage prédéterminée, de l'accumulateur qui a atteint le premier, l'état de charge maximal. L'organe de déchargement est avantageusement une résistance. Toutefois, il peut être constitué d'un dispositif permettant non pas de dissiper l'énergie, mais de la transférer vers d'autres accumulateurs n'ayant pas encore atteint l'état de charge maximale.
De la sorte, durant la période de couplage, on abaisse la charge de cet accumulateur, puis après cette période de couplage, on charge à nouveau tous les accumulateurs de ladite batterie jusqu'à ce qu'un accumulateur atteigne de nouveau l'état de charge maximal. De la sorte, à mesure que le cycle se répète, tous les accumulateurs de la batterie d'accumulateurs convergent vers l'état de charge maximal. Et leur état de charge respectif oscille entre l'état de charge maximal et l'état de charge auquel peut redescendre un accumulateur équilibré durant ladite période de couplage. Ainsi, avec uniquement un seul dispositif de charge, on charge et on équilibre successivement tous les accumulateurs, ce qui est bien moins coûteux.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, à l'étape b), l'organe de déchargement, ou la résistance correspondante, est traversé par un courant d'équilibrage et on abaisse ledit courant de charge à une valeur inférieure ou égale audit courant d'équilibrage. De la sorte, la charge des autres accumulateurs n'est pas totalement interrompue. Lorsque le courant de charge est à une valeur équivalente au courant d'équilibrage, il est alors piloté en « mode proportionnel » et nécessite un élément complémentaire de pilotage. Avantageusement, on abaisse ledit courant de charge à une valeur nulle, et le pilotage est réalisé en « mode tout ou rien », ce qui diminue sensiblement la vitesse de charge de la batterie d'accumulateurs mais en revanche, simplifie le montage.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, on définit un état de charge supérieur, ledit état de charge supérieur étant inférieur audit état de charge maximal, et on couple en outre à la sous-étape b), les accumulateurs dont l'état de charge est compris entre ledit état de charge supérieur et ledit état de charge maximal, à des organes de déchargement correspondants de manière à les décharger. Cet état de charge supérieur, bien qu'inférieur à l'état de charge maximal, en est très proche. De la sorte, on abaisse non seulement la charge de l'accumulateur le plus chargé mais aussi et simultanément la charge de ceux dont l'état de charge est voisin dudit état de charge maximal. De la sorte, le cycle suivant est plus long et par conséquent, au fil des cycles, la vitesse de charge des accumulateurs de la batterie est plus rapide.
En outre, préférentiellement, à la sous-étape c), on revient à la sous- étape a) si et seulement si, au moins un accumulateur présente un état de charge inférieur audit état de charge supérieur. De la sorte, la charge des accumulateurs de la batterie peut être interrompue lorsque tous les accumulateurs présentent un état de charge compris entre l'état maximal de charge et l'état de charge supérieur. Ainsi, l'alimentation et l'équilibrage des accumulateurs sont interrompus lorsque cela n'est plus nécessaire.
Selon un autre objet, la présente invention propose un dispositif d'équilibrage destiné à la charge d'une batterie d'accumulateurs électriques, ladite batterie d'accumulateurs électriques comprenant des accumulateurs connectés les uns aux autres en série, lesdits accumulateurs présentant un état de charge maximal, ledit dispositif d'équilibrage comprenant des moyens de charge pour fournir un courant de charge présentant une valeur de charge, ledit courant de charge étant destiné à charger lesdits accumulateurs durant une étape de charge de façon à augmenter la charge desdits accumulateurs jusqu'à leur état de charge maximal. Selon l'invention, le dispositif d'équilibrage comprend : des moyens de commande et des moyens de contrôle, pour commander lesdits moyens de charge d'alimenter lesdits accumulateurs en série avec ledit courant de charge à ladite valeur de charge jusqu'à ce que lesdits moyens de contrôle contrôlent l'un desdits accumulateurs de ladite batterie à son état de charge maximal ; des moyens de couplage aptes à être commandés par lesdits moyens de commande pour coupler pendant une période de couplage ledit un desdits accumulateurs aux bornes d'un organe de déchargement correspondant de manière à décharger ledit un desdits accumulateurs, tandis que lesdits moyens de commande abaissent simultanément ledit courant de charge ; et lesdits moyens de commande sont aptes à commander l'alimentation desdits accumulateurs avec ledit courant de charge à ladite valeur de charge, après une durée inférieure ou égale à ladite période de couplage. On expliquera plus en détail dans la suite de la description le mode de fonctionnement du dispositif d'équilibrage selon l'invention.
Par ailleurs, lesdits moyens de couplage comprennent des interrupteurs et des organes de déchargement correspondants, pour chacun desdits accumulateurs, lesdits interrupteurs étant reliés auxdits moyens de commande. Préférentiellement, les organes de déchargement correspondant sont des résistances.
Avantageusement, lesdits moyens de contrôle comprennent des premiers moyens de contrôle reliés auxdits moyens de commande, pour chacun desdits accumulateurs. Ainsi, les premiers moyens de contrôle communiquent aux moyens de commande l'état de charge des accumulateurs, et dès que l'un des accumulateurs atteint l'état de charge maximal, les moyens de commande commandent l'interrupteur pour connecter l'organe de déchargement correspondant ou par exemple la résistance, aux bornes dudit un des accumulateurs.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdits moyens de contrôle comprennent en outre des seconds moyens de contrôle pour chacun desdits accumulateurs, lesdits seconds moyens de contrôle étant aptes à contrôler un état de charge supérieur, ledit état de charge supérieur étant inférieur audit état de charge maximal. Grâce aux premiers et aux seconds moyens de contrôle, ont fait converger plus rapidement les accumulateurs de ladite batterie vers leur état de charge maximal.
Préférentiellement, chaque moyen de contrôle est constitué d'un comparateur de tension. Ces comparateurs de tension offrent l'avantage d'être bien moins coûteux qu'un convertisseur analogique/numérique permettant lui, de fournir la valeur précise du courant.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est un schéma synoptique d'une première unité élémentaire d'un dispositif d'équilibrage conforme à l'invention, et selon une première variante de réalisation ;
- la Figure 2 est un graphique illustrant le mode de fonctionnement du dispositif d'équilibrage selon la première variante de réalisation ;
- la Figure 3 est un schéma synoptique d'une seconde unité élémentaire d'un dispositif d'équilibrage conforme à l'invention, et selon une seconde variante de réalisation ; et,
- la Figure 4 est un graphique illustrant le mode de fonctionnement du dispositif d'équilibrage selon la seconde variante de réalisation.
La Figure 1 illustre une batterie 10 de n accumulateurs 12, ou cellules, montés en série, entre deux bornes A, B, ainsi qu'un dispositif d'équilibrage 14 selon une première variante de réalisation, montré partiellement. Les accumulateurs 12 sont par exemple du type lithium-ion. Ils présentent chacun un état de charge maximal correspondant par exemple à 3,6 V pour un système électrochimique lithium-ion à base de phosphate de fer, et dont la tension nominale est de 3,3 V. On observera en outre, que la charge ou la décharge d'un accumulateur correspond respectivement à une tension élevée et une tension basse aux bornes de cet accumulateur autour de la tension nominale. En conséquence, on peut mesurer l'état de charge ou bien de décharge d'un accumulateur en contrôlant la tension à ses bornes. Par ailleurs, s'agissant d'un accumulateur du type lithium-ion à base de phosphate de fer, une surcharge se traduit par une décomposition de l'électrolyte qui diminue sa durée de vie et peut détériorer l'accumulateur. À l'inverse, une décharge trop importante qui l'amène à une tension inférieure à 2 V par exemple, entraîne principalement une oxydation du collecteur de courant de l'électrode négative lorsque celui-ci est en cuivre et par conséquent une détérioration de l'accumulateur. En conséquence, il est nécessaire d'équilibrer les accumulateurs 12 de la batterie 10 lorsqu'elle est dans une phase de charge, afin d'éviter que les accumulateurs qui atteignent leur état de charge maximal avant les autres ne se détériorent. Il peut également être avantageux d'éviter que les accumulateurs ne se déchargent en dessous d'un état de charge minimal comme on l'expliquera dans la suite de la description.
La Figure 1 montre une unité élémentaire d'équilibrage 16 montée en parallèle du ieme accumulateur 12. Cette unité élémentaire d'équilibrage 16 comprend essentiellement, un premier contrôleur ou comparateur 18 et une résistance 20 comme organe de déchargement correspondant, tous les deux couplés aux bornes de l'accumulateur 12. La résistance 20 fait partie d'un circuit d'équilibrage 22 apte à être fermé par un interrupteur commandable 24 et lesquels constituent des moyens de couplage.
La Figure 1 montre également, d'une part des organes de commande 26 reliés à l'interrupteur commandable 24 et au premier comparateur 18, et d'autre part un chargeur 28 connecté aux deux bornes A, B, de la batterie 10, lui- même étant relié également aux organes de commande 26. Les organes de commande 26 comprennent, par exemple, un microcontrôleur. Le premier comparateur 18 est relié aux organes de commande 26 à la fois par une première connexion 30 destinée à transmettre un signal de seuil supérieur lorsque l'état de charge maximal, par exemple 3,6 V, est atteint et une seconde connexion 32 destinée à transmettre un signal de seuil inférieur lorsque l'état de décharge maximale, par exemple 2 V, est atteint.
Chacun des accumulateurs 12 de la batterie 10 est équipé d'unités élémentaires d'équilibrage 16 montées en parallèle, tandis que le dispositif d'équilibrage 14 comporte un seul chargeur 28 et les seuls organes de commande 26 auxquels sont reliés toutes les unités élémentaires d'équilibrage 16.
Le mode de fonctionnement du dispositif d'équilibrage vise à charger tous les accumulateurs 12 de la batterie 10 en série, avec le seul chargeur 28, et dont les états de charge individuels sont différents, sans qu'aucun de ces accumulateurs 12 ne dépasse l'état de charge maximal.
On décrira ci-après, la méthode d'équilibrage conforme à l'invention, selon cette première variante de réalisation.
Ainsi, selon une première étape, les organes de commande 26 commandent au chargeur 28 d'alimenter la batterie 10 d'accumulateurs 12 avec un courant de charge d'une valeur donnée de charge. Ainsi, tous les accumulateurs 12 reçoivent un courant de charge identique, alors que leur état de charge propre n'est pas nécessairement équivalent et qu'au surplus, leur capacité de charge n'est pas non plus équivalente. Aussi, lors de la charge, l'un des accumulateurs 12 atteint nécessairement l'état de charge maximal avant les autres. Dès que cet accumulateur 12 atteint son état de charge maximal, par exemple le ieme sur la Figure 1 , le premier comparateur 18, par l'intermédiaire de sa première connexion 30, transmet un signal de seuil supérieur aux organes de commande 26. À réception de ce signal, le microcontrôleur 26, commande simultanément, l'interrupteur 24 et la fermeture du circuit 22, et l'abaissement du courant de charge. Cette opération de couplage est préprogrammée pour une période de couplage donnée. Durant cette étape, l'accumulateur 12 se décharge aux bornes de la résistance 20, par exemple entre 1 /10 et 1/100 de l'état de charge maximal, tandis que le courant de charge est abaissé de manière à ce que d'autres accumulateurs 12 n'atteignent pas, pendant cette période de couplage, leur propre état de charge maximal.
Selon un premier mode de mise en œuvre, dit : « en tout ou rien », le courant de charge est porté à zéro durant cette période de couplage, ce qui simplifie le montage du dispositif et surtout, permet d'éviter qu'un autre accumulateur n'atteigne son état de charge maximal, notamment lorsque la période de couplage est relativement longue. Selon un second mode de mise en œuvre, dit : « proportionnelle », le courant de charge est porté à une valeur équivalente à la valeur du courant d'équilibrage qui traverse la résistance.
Dès que la période de couplage a expiré, le microcontrôleur 26 commande l'ouverture du circuit 22 et le chargeur 28 afin que ce dernier revienne à ladite valeur donnée de charge.
Ainsi, les accumulateurs 12 sont successivement chargés pour être portés vers un état de charge voisin de leur état de charge maximal.
On se reportera sur la Figure 2, montrant un premier graphique illustrant la progression de l'état de charge de quatre des accumulateurs d'une batterie, laquelle batterie comprend dix accumulateurs, en fonction des cycles de charge. L'état de charge maximal est ici de 4,2 V. Ainsi on observe que l'accumulateur n° 9 est à son état de charge maximal, 4,2 V, au démarrage de l'application de la méthode. L'accumulateur n°10 est également proche de l'état de charge maximal, tandis que l'accumulateur n°2 est à un état de charge correspondant à 4,12 V et l'accumulateur n°8 à 4,06 V.
Ainsi, lorsque la charge de la batterie démarre, l'accumulateur n°9 atteint le premier l'état de charge maximal. Aussi, il est partiellement déchargé tandis que les autres accumulateurs continuent, soit d'être chargé durant les périodes de couplage, selon le mode proportionnel, soit de ne pas être chargé durant cette période, selon le mode tout ou rien. L'accumulateur n°10 est le second à atteindre l'état de charge maximal. Il est à son tour partiellement déchargé durant la période de couplage. Ainsi, les accumulateurs n°9 et 10, qui ont déjà atteint leur état de charge maximal, oscillent-ils entre leur état de charge maximal et leur état de charge après couplage sur la résistance durant la période de couplage, tandis que les autres accumulateurs n°2 et 8, convergent vers leur état de charge maximal. L'accumulateur n°2 l'atteint vers le septième cycle, tandis que le n°8 l'atteint vers le 30e cycle.
Ainsi, l'équilibrage s'effectue de charge en charge à la manière d'un système échantillonné dont la période d'échantillonnage correspond à la période de couplage. Lorsque tous les accumulateurs ont atteint leur état de charge maximal, les états de charge des accumulateurs, ou les tensions correspondantes, oscillent entre l'état de charge maximal et l'état de charge auquel redescend un accumulateur équilibré durant la période de couplage.
Par ailleurs, grâce à la seconde connexion 32 destinée à transmettre un signal de seuil inférieur lorsque l'état de décharge maximal, par exemple 2 V, est atteint, le microcontrôleur 26 commande le chargeur 28. De la sorte, aucun accumulateur ne peut voir son état de charge diminuer en dessous d'un certain seuil, ce qui risquerait de l'endommager.
Selon une seconde variante de réalisation de l'invention illustrée sur la
Figure 3, l'unité élémentaire d'équilibrage 16 que l'on retrouve, comporte en outre un second contrôleur, ou comparateur 36 monté également en parallèle sur l'accumulateur 12 et relié au microcontrôleur 26. L'ensemble du dispositif d'équilibrage est identique à celui de la précédente variante de réalisation, et toutes les unités élémentaires d'équilibrage 16 comportent un second comparateur 36. Ce second comparateur 36 est relié aux organes de commande 26 par une troisième connexion 38 destinée à transmettre un signal de seuil lorsqu'un état de charge supérieur, en l'espèce de 3,5 V, est atteint. Ainsi l'état de charge supérieur est sensiblement inférieur à l'état de charge maximal.
On va maintenant décrire le mode de fonctionnement du dispositif d'équilibrage selon cette seconde variante de réalisation.
Ainsi, selon la même première étape de fonctionnement, les organes de commande 26 commandent au chargeur 28 d'alimenter la batterie 10 d'accumulateurs 12 avec un courant de charge d'une valeur donnée de charge. Dès qu'un accumulateur 12 atteint son état de charge maximal, en l'espèce le ieme sur la Figure 3, le premier comparateur 18, par l'intermédiaire de sa première connexion 30 transmet toujours un signal de seuil supérieur aux organes de commande 26. À réception de ce signal, le microcontrôleur 26, commande non seulement l'interrupteur 24 et l'abaissement simultané du courant de charge pour le ieme accumulateur 12, mais aussi de tous les accumulateurs 12 pour lesquels le second comparateur 36 aura transmis également un signal de franchissement de seuil, c'est-à-dire pour lesquels l'état de charge correspond à une tension comprise entre 3,5 V et 3,6 V. Ainsi, les accumulateurs de la batterie 10 dont l'état de charge est voisin de l'état de charge maximal vont également être partiellement déchargés. Cela permet un équilibrage plus rapide des accumulateurs 12 de la batterie 10, car, par rapport à la première variante de réalisation, les accumulateurs dont l'état de charge est voisin de l'état de charge maximal sont déchargés simultanément.
Par ailleurs, le microcontrôleur 26 stoppe le cycle de charge, dès que tous les accumulateurs présentent un état de charge correspondant à une tension comprise entre 3,6 V et 3,5 V, soit, lorsque l'état de charge de tous les accumulateurs est compris entre l'état de charge maximal et l'état de charge supérieur. Grâce à ce second comparateur 36, on stoppe la charge lorsqu'il est devenu inutile.
On se reportera sur la Figure 4, montrant un second graphique illustrant la progression de l'état de charge de quatre accumulateurs de la batterie, laquelle batterie comprend dix accumulateurs, en fonction des cycles de charge. On observe alors que la charge des accumulateurs est relativement linéaire au fil des cycles, et surtout que l'état de charge maximal des accumulateurs considérés est atteint seulement après quatre cycles de fonctionnement.
Ainsi, grâce au second comparateur 36, on réalise des moyens d'arrêt bien défini, ce qui évite de perdre de l'énergie en faisant de l'équilibrage lorsque cela n'est pas nécessaire. Au surplus, l'équilibrage est plus rapide.
L'algorithme de commande de l'équilibrage peut-être plus évolué.
Toutefois, il repose sur le même principe de comparaison de la tension des accumulateurs à un seul ou bien deux seuils. L'algorithme décrit ci-dessus est plus communément dénommé : « commande bang-bang », « commande à grand gain » ou encore « commande par modes glissants ».
Le dispositif d'équilibrage décrit ci-dessus est applicable à d'autres composants, tels des condensateurs.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Méthode d'équilibrage d'une batterie d'accumulateurs électriques, ladite méthode étant du type selon laquelle on fournit, d'une part une batterie d'accumulateurs électriques comprenant des accumulateurs connectés les uns aux autres en série, et d'autre part un courant de charge présentant une valeur de charge pour charger lesdits accumulateurs, lesdits accumulateurs présentant un état de charge maximal, et on charge lesdits accumulateurs durant une étape de charge pour augmenter la charge desdits accumulateurs jusqu'à leur état de charge maximal,
caractérisée en ce que ladite étape de charge comprend dans l'ordre les sous-étapes suivantes :
a) on alimente lesdits accumulateurs en série avec ledit courant de charge à ladite valeur de charge jusqu'à ce que l'un desdits accumulateurs de ladite batterie atteigne ledit état de charge maximal ;
b) on couple pendant une période de couplage ledit un desdits accumulateurs aux bornes d'un organe de déchargement correspondant de manière à décharger ledit un desdits accumulateurs, tandis qu'on abaisse simultanément ledit courant de charge ; et,
c) on revient à la sous-étape a) après une durée inférieure ou égale à ladite période de couplage.
2. Méthode d'équilibrage selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'à l'étape b) ledit organe de déchargement correspondante est traversé par un courant d'équilibrage et en ce qu'on abaisse ledit courant de charge à une valeur inférieure ou égale audit courant d'équilibrage.
3. Méthode d'équilibrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'on abaisse ledit courant de charge à une valeur nulle.
4. Méthode d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'on définit un état de charge supérieur, ledit état de charge supérieur étant inférieur audit état de charge maximal, et en ce qu'on couple en outre à la sous-étape b), les accumulateurs dont l'état de charge est compris entre ledit état de charge supérieur et ledit état de charge maximal, à des organes de déchargement correspondantes de manière à les décharger.
5. Méthode d'équilibrage selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'à la sous-étape c), on revient à la sous-étape a) si et seulement si, au moins un accumulateur présente un état de charge inférieur audit état de charge supérieur.
6. Méthode d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit organe de déchargement est une résistance.
7. Dispositif d'équilibrage destiné au charge d'une batterie d'accumulateurs électriques, ladite batterie d'accumulateurs électriques comprenant des accumulateurs connectés les uns aux autres en série, lesdits accumulateurs présentant un état de charge maximal, ledit dispositif d'équilibrage comprenant des moyens de charge pour fournir un courant de charge présentant une valeur de charge, ledit courant de charge étant destiné à charger lesdits accumulateurs durant une étape de charge de façon à augmenter la charge desdits accumulateurs jusqu'à leur état de charge maximal, caractérisé en ce qu'il comprend :
- des moyens de commande et des moyens de contrôle, pour commander lesdits moyens de charge d'alimenter lesdits accumulateurs en série avec ledit courant de charge à ladite valeur de charge jusqu'à ce que lesdits moyens de contrôle contrôlent l'un desdits accumulateurs de ladite batterie à son état de charge maximal ;
- des moyens de couplage aptes à être commandés par lesdits moyens de commande pour coupler pendant une période de couplage ledit un desdits accumulateurs aux bornes d'un organe de déchargement correspondant de manière à décharger ledit un desdits accumulateurs, tandis que lesdits moyens de commande abaissent simultanément ledit courant de charge ;
et en ce que lesdits moyens de commande sont aptes à commander l'alimentation desdits accumulateurs avec ledit courant de charge à ladite valeur de charge, après une durée inférieure ou égale à ladite période de couplage.
8. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent des premiers moyens de contrôle reliés auxdits moyens de commande, pour chacun desdits accumulateurs.
9. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent en outre des seconds moyens de contrôle pour chacun desdits accumulateurs, lesdits seconds moyens de contrôle étant aptes à contrôler un état de charge supérieur, ledit état de charge supérieur étant inférieur audit état de charge maximal.
10. Dispositif d'équilibrage selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que lesdits premier et second moyens de contrôle sont chacun constitués d'un comparateur.
1 1 . Dispositif d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comprennent des interrupteurs et des organes de déchargement, pour chacun desdits accumulateurs, lesdits interrupteurs étant reliés auxdits moyens de commande.
12. Dispositif d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 7 à 1 1 , caractérisé en ce que ledit organe de déchargement est une résistance.
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