L'invention concerne les modules de batterie d'accumulateurs électrochimiques, par exemple utilisées dans le domaine des transports électriques et hybrides ou les systèmes embarqués. L'invention concerne également un procédé d'équilibrage d'un tel module de batterie d'accumulateurs.

L'invention peut également s'appliquer à des super-condensateurs.

Les véhicules hybrides combustion/électrique ou électriques incluent notamment des batteries de forte puissance utilisées pour entraîner un moteur électrique à courant alternatif par l'intermédiaire d'un onduleur. Les niveaux de tension nécessaires pour de tels moteurs atteignent plusieurs centaines de Volts, typiquement de l'ordre de 400 Volts. De telles batteries comportent également une forte capacité de stockage afin de favoriser l'autonomie du véhicule en mode électrique.

Les accumulateurs électrochimiques utilisés pour de tels véhicules sont généralement du type lithium-ion pour leur capacité à stocker une énergie importante avec un poids et un volume contenus. En particulier, les technologies de batterie de type lithium-ion phosphate de fer LiFeP04 font l'objet d'importants développements du fait d'un niveau de sécurité intrinsèque élevé, par rapport aux batteries lithium-ion classiques à base d'oxyde de cobalt.

Pour obtenir de fortes puissances et capacités de stockage, on place plusieurs groupes d'accumulateurs en série. Le nombre d'étages d'accumulateurs et le nombre d'accumulateurs en parallèle dans chaque étage varient en fonction de la tension, du courant et de la capacité de stockage souhaités. L'association de plusieurs accumulateurs est appelée par la suite module de batterie.

De façon connue, tel qu'illustré sur la figure 1, un tel module de batterie Bat comprend plusieurs étages d'accumulateurs, par exemple de quatre étages Eti, Et ₂ , Et ₃ et Et ₄ , connectés en série. Chaque étage comprend par exemple au moins deux, par exemple quatre, accumulateurs généralement similaires, connectés en parallèle.

La tension aux bornes des quatre étages est notée respectivement Ul, U2, U3 et

U4. Dans ce schéma, la tension totale U entre les bornes N et P du module de batterie 1 est la somme des tensions Ul, U2, U3 et U4. Le courant traversant chaque accumulateur du quatrième étage Et4 est notée respectivement II, 12, 13 et 14. Le courant I généré sur la borne P du module de batterie Bat est la somme des courants II, 12, 13 et 14.

La charge d'un accumulateur se traduit par une croissance de la tension à ses bornes. On considère un accumulateur chargé lorsque celui-ci a atteint un niveau de tension défini par le processus électrochimique.

Si la charge est arrêtée avant que cette tension ne soit atteinte, l'accumulateur n'est pas complètement chargé.

Il est donc important de surveiller en détail la tension de chaque accumulateur lors de la charge et de la décharge.

En effet, certaines technologies de batterie (NimH, NiCd) écrêtent naturellement la tension à leurs bornes grâce à une réaction chimique parasite au sein de l'électrolyte alcaline et peuvent continuer à être traversés par un courant lorsque leur seuil de tension haut a été atteint. Les autres accumulateurs non encore totalement chargés peuvent continuer à être chargés par le courant. L' écrêtage en tension se fait alors par des réactions électrochimiques internes autres que la réaction électrochimique de fonctionnement de l'accumulateur et ceci s'accompagne de dissipation de chaleur.

En revanche d'autres types de technologies comme les lithium-ion n' écrêtent pas naturellement. Il n'y a pas de réaction électrochimique autre pour assurer un écrêtage de la tension avec dissipation de l'énergie. Il faut impérativement interrompre le courant traversant l'accumulateur pour éviter sa détérioration ou sa destruction totale.

Pour les accumulateurs lithium-ions à base d'oxyde de Cobalt, la surcharge d'un accumulateur peut entraîner son emballement thermique et un départ de feu. Pour un accumulateur à base de phosphate, une surcharge se traduit par une décomposition de l'électrolyte qui diminue sa durée de vie ou peut détériorer l'accumulateur, mais sans amener de risque de feu.

De plus, les accumulateurs de type lithium-ion présentent une tension minimale en dessous de laquelle il ne faut pas descendre pour ne pas dégrader l'accumulateur.

Ainsi, il faut impérativement arrêter la décharge du module de batterie lorsque l'accumulateur le moins chargé atteint son seuil de tension bas. Inversement lors d'une charge, il faut stopper celle-ci lorsque l'accumulateur le plus chargé a atteint son seuil de tension haut.

Toutefois, si la charge est simplement arrêtée lorsque l'accumulateur le plus chargé atteint sa tension de seuil, les autres accumulateurs peuvent ne pas être totalement chargés. Il faut alors dévier le courant pour que celui-ci contourne l'accumulateur le plus chargé et continue à charger les autres accumulateurs du circuit.

De même à la décharge, une fois que l'accumulateur le plus faible est déchargé, il faut éventuellement lui apporter de l'énergie si l'on veut pouvoir continuer à décharger les autres accumulateurs sans détériorer ce premier.

Ces fonctions de déviation de courant et de dissipation ou d'apport d'énergie peuvent être d'autant plus complexes ou de fortes puissances que les accumulateurs de batteries sont dispersés en capacité de stockage.

Dans le cas d'utilisation d'accumulateurs de batterie qui n'écrêtent pas naturellement, comme les accumulateurs lithium-ion il est nécessaire d'associer à chaque accumulateur un circuit annexe d'équilibrage.

Classiquement, les mises en parallèle de branches d'accumulateurs comprenant des accumulateurs mis en série, de type lithium-ion n'écrêtant pas naturellement, ne sont pas utilisées du fait qu'il faut associer à chaque accumulateur une fonction d'écrêtage et qu'il faut contrôler la charge de ceux-ci. Le grand nombre de tels circuits se traduit par un coût élevé et un fort impact sur l'encombrement.

Une solution consiste à utiliser des modules de batterie comprenant des mises en série d'étages d'accumulateurs comprenant des accumulateurs mis en parallèle, comme dans l'exemple de la figure 1.

Toutefois, si les accumulateurs de batterie utilisés pour réaliser ce circuit n'écrêtent pas naturellement, il est nécessaire d'ajouter pour chaque étage un circuit annexe d'équilibrage et de contrôle de charge, pour que tous les étages puissent être chargés correctement.

Par ailleurs, dans toute la durée de vie du module de batterie, certains défauts peuvent apparaître sur certains accumulateurs composant le module de batterie. Un défaut sur un accumulateur se traduit généralement soit par la mise en court-circuit de l'accumulateur, soit par une mise en circuit ouvert, soit par un courant de fuite important dans l'accumulateur. Il est important de connaître l'impact de la défaillance d'un accumulateur sur le module de batterie. Une mise en circuit ouvert ou en court- circuit peut provoquer une défaillance globale de tout le module de batterie.

Dans le cas de l'apparition d'un courant de fuite important dans un accumulateur d'un étage, le module de batterie se comporte comme une résistance qui provoque une décharge des accumulateurs de l'étage considéré jusqu'à zéro. Les risques de départ de feu sont faibles car l'énergie est dissipée relativement lentement. En technologie lithium-ion, la décharge des accumulateurs de l'étage jusqu'à une tension nulle les détériore ce qui implique leur remplacement en plus de l'accumulateur initialement défaillant.

Lorsqu'un accumulateur forme un court-circuit, les autres accumulateurs de l'étage se déchargent dans cet accumulateur, du fait de la forte section des connexions électriques entre eux. Cette décharge se produit rapidement avec une dissipation d'énergie qui se traduit par un échauffement de l'accumulateur en court-circuit et des accumulateurs qui se déchargent dans le court-circuit. Ceci peut être la cause d'un départ de feu.

Cette situation présente un fort danger avec les technologies lithium-ion à base d'oxyde de Cobalt et peut être problématique pour les technologies lithium-ion à base de phosphate de fer si la mise en parallèle concerne un grand nombre d'accumulateurs qui totalisent une forte énergie qui se dissipe dans l'accumulateur en court-circuit.

Par ailleurs, dans un module de batterie formé par une mise en parallèle de branches d'accumulateurs comprenant des accumulateurs mis en série, en cas de dysfonctionnement d'un accumulateur d'une branche d'accumulateurs en série se mettant en court-circuit, la tension des autres branches est répartie sur les accumulateurs de la branche en défaut.

En particulier, pour des accumulateurs lithium-ion standard à base d'oxyde de Cobalt, une telle surtension amène à une défaillance en cascade des accumulateurs avec un fort risque de départ de feu. Face à ces inconvénients précités, certaines solutions de l'état de la technique adoptent des protections de chaque accumulateur par un fusible en série.

L'ajout des fusibles en série avec les accumulateurs tels que représentés sur la figure 1 assurent effectivement une protection contre les défauts des accumulateurs (courts-circuits).

Le fusible placé en série avec l'accumulateur en court-circuit va interrompre la décharge parasite des trois autres accumulateurs.

Afin de protéger le module de batterie Bat des conséquences d'un court-circuit dans un accumulateur, chaque accumulateur présente un fusible qui lui est connecté en série.

La protection par fusible fonctionne sur le principe de la fusion d'un conducteur métallique traversé par un courant électrique. Lorsqu'un accumulateur forme un court- circuit, le courant le traversant augmente sensiblement et fait fondre son fusible en série afin de protéger le reste du module de batterie Bat.

Toutefois, les fusibles individuels en série avec chaque accumulateur engendrent un coût élevé (composant et assemblage) puisque ces protections sont dimensionnées pour le courant nominal des accumulateurs.

De plus, la présence des fusibles en série entre les étages d'accumulateurs nuit au rendement et induit des pertes non négligeables, particulièrement handicapantes pour des applications embarquées. En effet, ces fusibles en série avec les accumulateurs ajoutent une résistance interne au module de batterie d'où des pertes supplémentaires qui abaissent ses performances.

Afin de remédier à ces inconvénients, une solution a été proposée dans le document WO2011/003924 permettant d'éliminer les pertes induites par un système de protection durant le fonctionnement normal du module de batterie, et permettant en outre d'assurer une continuité de service du module de batterie lorsqu'un accumulateur du module de batterie se retrouve en court-circuit ou en coupe-circuit.

Dans ce document, le module de batterie comprend au moins des première et deuxième branches présentant chacune au moins des premier et deuxième accumulateurs connectés en série. Le module de batterie comprend en outre un fusible par l'intermédiaire duquel les premiers accumulateurs des branches sont connectés en parallèle et par l'intermédiaire duquel les deuxièmes accumulateurs des branches sont également connectés en parallèle. Le seuil de coupure du fusible est dimensionné pour s'ouvrir lorsqu'un des accumulateurs est en court-circuit.

Toutefois, durant une recharge rapide à l'arrêt du véhicule en raccordant le module de batterie au réseau électrique ou lors du fonctionnement du moteur électrique en génératrice durant le roulage du véhicule, des courants de recharge ou d'équilibrage non négligeables peuvent être appliqués sur les accumulateurs. Les fusibles connectés dans les connexions en parallèle peuvent ainsi être traversés par des courants relativement importants.

En outre, en cas de dysfonctionnement il est apparu que peu de courant circulait dans les accumulateurs de l'étage lorsque ceux-ci sont éloignés de l'accumulateur en court-circuit. Cela nécessite donc de mettre des fils fusibles ayant des courants de fusion relativement faibles, par exemple inférieur à 2A, et donc relativement résistifs (>50mohms). Ceci n'est pas un problème pour des courants d'équilibrage faible en recharge lente mais peut devenir plus problématique lors d'un équilibrage sous recharge rapide où les courants mis en jeu seront de l'ordre de quelques ampères. Cela pourra donc provoquer la fusion du fil fusible ou au moins le fatiguer ainsi que des pertes thermiques importantes.

De plus, certains fusibles peuvent être traversés par le cumul des courants de recharge ou d'équilibrage à destination de plusieurs accumulateurs d'un même étage et distants de la connectique de recharge. Certains fusibles peuvent ainsi représenter une connexion commune de plusieurs accumulateurs au circuit d'équilibrage. Par conséquent, le dimensionnement des fusibles des connexions en parallèle peut s'avérer délicat pour assurer à la fois la protection des accumulateurs, la continuité de service du module de batterie lors d'un dysfonctionnement d'un accumulateur, et la recharge des différents accumulateurs.

La durée de vie des fusibles peut également être amoindrie par l'application répétée de courants de charge les traversant.

Classiquement, soit par une mise en parallèle directe des accumulateurs soit à l'aide de fusibles, toutes les tensions des accumulateurs d'un même étage donné sont égales. Il suffît alors d'avoir une seule mesure de tension pour connaître la tension de chaque accumulateur de l'étage donné.

L'invention vise à résoudre au moins partiellement ces inconvénients de l'art antérieur.

À cet effet, l'invention a pour objet un système de sécurisation pour module de batterie, ledit système comprenant :

au moins un module de batterie présentant un pôle positif et un pôle négatif et défini par une matrice comportant un premier nombre prédéfini n de colonnes, n étant supérieur ou égal à deux, et un deuxième nombre prédéfini m de lignes, m étant supérieur ou égal à deux, la matrice étant telle que :

• chaque colonne définisse une branche d'accumulateurs présentant m accumulateurs en série, les branches d'accumulateurs étant reliées par leurs extrémités en parallèle et aux pôles du module de batterie, et telle que

• chaque ligne de la matrice définisse un étage d'accumulateurs, et au moins un dispositif de contrôle de charge connecté aux pôles du module de batterie,

caractérisé en ce que :

le module de batterie comprend en outre :

• une pluralité de résistances respectivement reliées électriquement au point intermédiaire entre deux accumulateurs de deux étages d'accumulateurs adjacents et

· un troisième nombre prédéfini p de nœuds de connexion respectivement connectés à un ensemble de n résistances connectées aux points intermédiaires des accumulateurs des deux étages d'accumulateurs adjacents, et

en ce que le dispositif de contrôle de charge est connecté à l'ensemble des nœuds de connexion. Les rangées de résistances permettent ainsi de connecter chaque étage d'accumulateurs à un nœud de connexion commun à l'ensemble des n résistances d'une rangée de résistances. Selon l'invention, la mesure de tension à un nœud de connexion commun à n résistances renseigne sur la tension moyenne d'un étage. En effet, il n'y a pas de mise en parallèle des accumulateurs de sorte que les tensions des accumulateurs d'un même étage donné sont légèrement différentes.

Le dispositif de contrôle de charge connecté à l'ensemble des nœuds de connexion peut ainsi surveiller l'état de charge de l'ensemble des étages d'accumulateurs par suivi de leur tension moyenne aux nœuds de connexion. Un seul dispositif de contrôle de charge est nécessaire pour l'ensemble des étages d'accumulateurs.

Avec cette solution il n'est pas nécessaire d'associer à chaque accumulateur une fonction d'écrêtage et de contrôler la charge des accumulateurs individuellement. Ceci permet de réduire le coût du système et de réduire l'encombrement.

Cette invention a ainsi pour effet de bénéficier de la sécurité des mises en parallèle d'accumulateurs en série et de la simplicité des systèmes d'équilibrage et de surveillances des tensions.

De plus, lorsque les accumulateurs sont similaires et au même état de charge ou de décharge, en fonctionnement normal sans défaut d'un accumulateur, les résistances ne sont parcourues par aucun courant.

Enfin, les résistances sont des composants simples permettant de limiter le courant de court-circuit lors d'un défaut d'un accumulateur. On obtient ainsi de façon simple une sécurité plus élevée pour un coût moindre que les solutions de l'art antérieur avec des fusibles par exemple.

Selon un mode de réalisation, lesdites résistances sont identiques. Avec des résistances identiques reliant chaque étage d'accumulateurs à un nœud de connexion, la tension mesurée au nœud de connexion correspond forcément à la tension moyenne de l'étage d'accumulateurs. Selon un aspect de l'invention, les accumulateurs sont de type lithium-ion phosphate de fer LiFeP04. Les accumulateurs selon la technologie LiFeP04 ayant généralement une tension de fin de charge de l'ordre de 3,6V peuvent supporter une surtension avant d'atteindre la tension de destruction de l'ordre de 4,5V. Une telle surtension peut notamment avoir lieu en cas de dysfonctionnement avec un accumulateur en court-circuit.

Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle de charge comprend au moins un circuit d'équilibrage relié électriquement à l'ensemble des nœuds de connexion.

Le circuit d'équilibrage connecté aux nœuds de connexion peut donc surveiller l'état de charge de chaque étage d'accumulateurs et commander l'équilibrage progressivement par exemple dès qu'un étage atteint la tension de plateau additionnée à un seuil choisi. Ce seuil peut être augmenté jusqu'à atteindre la tension de fin de charge.

Selon un mode de réalisation particulier, le deuxième nombre prédéfini m de lignes de la matrice et le troisième nombre prédéfini p de nœuds de connexion vérifient la relation suivante : p=m— l . Chaque rangée de n résistances est donc agencée entre deux étages d'accumulateurs. Ceci réduit l'encombrement et le nombre de composants.

Selon un aspect de l'invention, le circuit d'équilibrage comprend une pluralité de résistances d'équilibrage respectivement connectées en série avec un interrupteur, l'ensemble comprenant une résistance d'équilibrage et un interrupteur en série étant agencé en parallèle d'un étage d'accumulateurs en étant connecté à au moins un nœud de connexion.

Selon un premier mode de réalisation, le circuit d'équilibrage comprend m premières résistances d'équilibrage identiques respectivement associées à un étage d'accumulateurs.

Selon un deuxième mode de réalisation, le circuit d'équilibrage comprend : - des premières résistances d'équilibrage respectivement en série avec un interrupteur et associées à un étage intermédiaire en étant connecté à au moins un nœud de connexion et - deux deuxièmes résistances d'équilibrage respectivement en série avec un interrupteur et associées à un étage d'accumulateurs extrême en étant connecté à au moins un nœud de connexion et à un pôle du module de batterie, et une deuxième résistance

Req '=Req+—

d'équilibrage étant selon la formule : ⁿ . Dans le cas particulier où les premières résistances d'équilibrage sont nulles, le circuit d'équilibrage comprend :

- des interrupteurs respectivement associés à un étage intermédiaire en étant connecté à au moins un nœud de connexion et

EL

- deux résistances d'équilibrage de valeur ⁿ respectivement en série avec un interrupteur et associées à un étage d'accumulateurs extrême en étant connecté à au moins un nœud de connexion et à un pôle du module de batterie.

Selon un troisième mode de réalisation, le système comprend n résistances connectées aux bornes des accumulateurs de chaque étage extrême qui sont reliées à un pôle du module de batterie, et le circuit d'équilibrage comprend une pluralité d'interrupteurs respectivement associés à un étage d'accumulateurs.

Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle de charge comprend un dispositif de mesure de tension moyenne relié électriquement aux bornes du module de batterie et à l'ensemble des nœuds de connexion et apte à mesurer les tensions moyennes des étages d'accumulateurs.

Ledit dispositif de contrôle est par exemple configuré pour détecter un dysfonctionnement du module de batterie par suivi de la tension moyenne aux bornes des étages d'accumulateurs. Il n'est donc pas nécessaire d'attendre la décharge complète d'un étage pour détecter un dysfonctionnement. Cette détection peut se faire rapidement.

Ledit dispositif de contrôle est par exemple configuré pour détecter un dysfonctionnement du module de batterie lorsque la tension moyenne aux bornes d'au moins un desdits étages d'accumulateurs diverge des tensions moyennes aux bornes des autres étages d'accumulateurs.

Ledit dispositif de contrôle peut être configuré pour détecter un dysfonctionnement du module de batterie lorsque la tension moyenne aux bornes d'au moins un étage d'accumulateurs chute et les tensions moyennes des autres étages d'accumulateurs augmentent.

Ledit dispositif de contrôle est par exemple configuré pour détecter un dysfonctionnement du module de batterie en cas de décharge d'au moins un étage d'accumulateurs.

Le dispositif de contrôle peut comprendre un chargeur du module de batterie et le dispositif de mesure de tension moyenne peut piloter le chargeur pour arrêter la charge du module de batterie par exemple lorsque les tensions moyennes des étages doivent être équilibrées.

Le dispositif de mesure de tension moyenne peut encore arrêter complètement le chargeur lorsque tous les étages ont atteint la tension de fin de charge.

Selon un autre aspect de l'invention, le système comprend au moins deux modules de batteries agencés en série, et un dispositif d'isolation respectivement associé à chaque module de batterie et comprenant un premier interrupteur et un deuxième interrupteur. Le premier interrupteur est agencé en série avec le module de batterie associé et configuré pour être fermé lorsque le module de batterie associé est opérationnel et ouvert en cas de dysfonctionnement dudit module de batterie, et le deuxième interrupteur est agencé en dérivation du module de batterie associé et configuré pour être ouvert lorsque le module de batterie associé est opérationnel et fermé en cas de dysfonctionnement dudit module de batterie.

Ledit dispositif de contrôle est par exemple apte à appliquer un signal de commande d'ouverture du premier interrupteur et à appliquer un signal de commande de fermeture du deuxième interrupteur associés à un module de batterie en cas de détection d'un dysfonctionnement dudit module de batterie.

Le dispositif d'isolation permet d'isoler facilement un des modules de batterie par exemple en cas de dysfonctionnement avec un accumulateur en court-circuit. Les autres modules de batterie peuvent continuer à être utilisés cela assure une certaine continuité de service.

L'invention concerne également un procédé d'équilibrage d'un module de batterie d'un système tel que défini précédemment, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

- on détermine un seuil de déclenchement de l'équilibrage,

- on surveille la tension moyenne des étages d'accumulateurs aux nœuds de connexion,

- on détecte au moins un étage d'accumulateurs dont la tension moyenne atteint une tension de plateau prédéfinie additionnée au seuil de déclenchement d'équilibrage déterminé,

on arrête la charge du module de batterie lorsque la tension moyenne d'au moins un étage d'accumulateurs atteint une tension de plateau prédéfinie additionnée au seuil de déclenchement d'équilibrage déterminé,

- on compare les tensions moyennes des étages d'accumulateurs entre elles,

on détermine au moins un étage d'accumulateurs de tension moyenne plus faible que la tension moyenne des autres étages d'accumulateurs, on commande la fermeture de l'interrupteur en parallèle de chaque étage d'accumulateurs de tension moyenne plus élevée que l'étage d'accumulateur déterminé de tension moyenne plus faible, de sorte que les accumulateurs (A ) des étages d'accumulateurs de tension moyenne plus élevée se déchargent à travers le circuit d'équilibrage, et

- on recommence la charge du module de batterie lorsque l'équilibre est atteint entre les tensions moyennes de l'ensemble des étages d'accumulateurs du module de batterie.

Selon un mode de réalisation, la détermination du seuil de déclenchement de l'équilibrage comprend les étapes suivantes : on détermine la différence entre la tension de plateau et une tension de fin de charge prédéfinie,

on divise ladite différence par un nombre prédéfini n d'accumulateurs dans un étage d'accumulateur, le résultat obtenu est ledit seuil de déclenchement de l'équilibrage.

Selon un aspect de l'invention, on augmente progressivement le seuil à additionner à la tension de plateau jusqu'à atteindre une tension de fin de charge prédéfinie. 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 représentation schématique d'un système comprenant un exemple de batterie et de circuit d'équilibrage selon l'état de la technique ;

- la figure 2 est une représentation schématique d'un système comprenant un module de batterie selon l'invention ;

- la figure 3 est une représentation schématique d'un système comprenant un module de batterie selon l'invention, un circuit d'équilibrage, un dispositif de mesure de tension et un chargeur ;

- la figure 4 est une représentation schématique du module de batterie de la figure 2 sur laquelle on a représenté un courant d'équilibrage ;

- la figure 5 illustre un exemple de circuit d'équilibrage comprenant des résistances d'équilibrage ;

- la figure 6a est une représentation schématique d'un système comprenant le module de batterie de la figure 4 avec le circuit d'équilibrage de la figure 5 ;

- la figure 6b est une représentation schématique d'un système comprenant le module de batterie de la figure 2 avec un circuit d'équilibrage selon un deuxième mode de réalisation ;

- la figure 7a est une représentation schématique d'un système comprenant le module de batterie de la figure 2 avec un circuit d'équilibrage selon un troisième mode de réalisation ; - la figure 7b est une représentation schématique d'un système comprenant une variante du module de batterie avec un circuit d'équilibrage sans résistance d'équilibrage ;

- la figure 8 est une représentation schématique du module de batterie de la figure 2 lors d'un dysfonctionnement d'un accumulateur du module de batterie ;

- la figure 9 illustre schématiquement les courants externes lors du dysfonctionnement d'une cellule électrochimique du module de batterie de la figure 8 ;

- la figure 10 illustre schématiquement la circulation d'un courant provenant du circuit d'équilibrage lors du dysfonctionnement d'une cellule électrochimique du module de batterie ;

- la figure 11 représente de façon schématique un module de batterie commuté isolé ;

- la figure 12 illustre de façon schématique une batterie incluant plusieurs modules de la figure 11 dans un mode de fonctionnement normal ; et

- la figure 13 illustre la batterie de la figure 12 dans un mode de fonctionnement où l'un des modules inclut un accumulateur défaillant.

Système

On a représenté de façon schématique sur la figure 2, un système comprenant un module de batterie d'accumulateurs 1 selon l'invention et un dispositif de contrôle de charge.

Le module de batterie 1 présente un pôle négatif N et un pôle positif P de fortes sections.

Le dispositif de contrôle de charge comprend notamment un circuit d'équilibrage 2 connecté aux pôles P et N du module de batterie 1. Le dispositif de contrôle de charge peut comprendre en outre un chargeur 3 relié au module de batterie 1 pour charger le module de batterie 1 (cf. figure 3).

Module de batterie

L'invention s'applique en particulier aux modules de batterie de technologie de type lithium-ion phosphate de fer LiFeP04. Un accumulateur selon la technologie LiFeP04 présente une grande tolérance de tension. En effet, selon la technologie LiFeP04 la tension maximale est de l'ordre de 4,5V, la marge entre la tension de fin de charge et la tension de destruction de l'accumulateur est importante, contrairement aux autres chimies Lithium. En effet, la tension spécifiée en fin de charge est de 3,6V, donc la marge en tension est de l'ordre de IV. Pour les autres chimies qui ont une tension de fin de charge de l'ordre de 4,2V, la marge n'est que de 0,3V entre la tension de fin de charge de l'ordre de 4,2V et la tension maximale de l'ordre de 4,5V.

Le module de batterie 1 est réalisé sous la forme d'une matrice comprenant au moins deux colonnes et au moins deux lignes, par exemple n colonnes et m lignes.

Le module de batterie 1 comprend au moins deux branches Br,(j=l ..n) formant les colonnes de la matrice. Chaque branche Br, comprend au moins deux accumulateurs Aij connectés en série. Et ces branches sont mises en parallèles par leurs extrémités. Les extrémités des branches Br,- sont reliées aux pôles P et N.

De plus, les branches Br, présentent le même nombre d'accumulateurs en série.

Un étage d'accumulateurs Et; est défini par l'ensemble des accumulateurs qui correspondent à un même indice i au niveau d'une ligne de la matrice définissant le module de batterie 1.

Plus précisément, le module de batterie 1 comprend un nombre prédéfini n de branches Br, et un nombre prédéfini m d'étages Et;. L'indice i est un nombre naturel correspondant au nombre d'étages d'accumulateurs et varie de 1 à m, et l'indice ] est un nombre naturel correspondant au nombre de branches et varie de 1 à n.

Chaque étage Et; comprend au moins deux accumulateurs Ay, ou cellules électrochimiques. Chaque étage Et; comprend un nombre prédéfini n d'accumulateurs Aij. L'indice j correspond aussi au nombre d'accumulateurs dans un étage Et _; et varie de 1 à n.

Les accumulateurs A sont avantageusement choisis similaires. Dans le cas d'accumulateurs de qualité inégale ou d'état de charge différent, il est possible de réaliser une première charge initiale plus lente de façon à laisser le temps aux accumulateurs de s'équilibrer. Cette charge ne se faisant qu'une fois en fin de fabrication de la batterie, son impact peut être considéré comme mineur car uniquement consommateur de temps pour un constructeur de batterie. Ceci est un compromis entre le coût et un temps d'équilibrage et donc une immobilisation en sortie d'usine plus long.

Dans l'exemple illustré sur la figure 2, la première branche Bri inclut des accumulateurs A à A _m j connectés en série. La deuxième branche Br ₂ inclut des accumulateurs Ai, ₂ à A _m , ₂ connectés en série. La branche Br, inclut des accumulateurs Aij à A _m j connectés en série. La dernière branche Br _n inclut des accumulateurs Ai,n à A _m , _n connectés en série.

Le module de batterie 1 comprend donc au moins une matrice de m étages d'accumulateurs Et; et de n branches d'accumulateurs Br, en parallèle.

Dans toutes les colonnes de la matrice formées par les branches Brj, le courant principal de charge et décharge des accumulateurs passe de l'accumulateur Ay vers l'accumulateur A _i+ ij puis vers A _i+2 , j, et ainsi de suite tout au long de la mise en série des accumulateurs Aij, .., Ay, . .. A _mj -, puis ce courant se rassemble aux pôles P et N par l'intermédiaire des connexions électriques de fortes sections.

Chaque accumulateur Ay de la matrice est connecté électriquement par une liaison dimensionnée pour les courants de charge et décharge avec l'accumulateur Ai+y.

Le module de batterie 1 comporte en outre des liaisons électriques secondaires munies de résistances Rt entre tous les accumulateurs Ay.

Plus précisément, le module de batterie comprend une pluralité de résistances Rt respectivement reliées électriquement au point intermédiaire entre deux accumulateurs Ay, Ai+ij de deux étages d'accumulateurs adjacents Et _; , Et _i+ i et un troisième nombre prédéfini de nœuds de connexion NC _; respectivement connectés à un ensemble de n résistances Rt connectées aux points intermédiaires des accumulateurs Ay, A _i+ ij de deux étages d'accumulateurs adjacents Et _; , Et _i+ i.

Plus précisément, le module de batterie 1 comprend au moins une rangée de n résistances Rt connectées aux accumulateurs Ay, A _i+ ij de deux étages d'accumulateurs adjacents Et _; , Et _i+ i.

Dans l'exemple illustré, le module de batterie 1 comporte le nombre prédéfini p de rangées de résistances Rt. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1, ce troisième nombre prédéfini p_ vérifiant la relation (1) :

(1) p=m - l où m est le nombre d'étages d'accumulateurs Et _; . Chaque rangée de résistances Rt comprend n résistances Rt, soit le même nombre que d'accumulateurs Aij dans un étage d'accumulateurs Et _; .

Les résistances Rt d'une rangée de résistances sont respectivement reliées électriquement d'une part entre un premier accumulateur A et un deuxième accumulateur A _i+ i _j en série d'une branche Br, et d'autre part à nœud de connexion dit commun NG (i=l ..m-l) à l'ensemble des n résistances Rt de la rangée de résistances.

Ainsi, l'ensemble des accumulateurs Aij d'un étage Et _; ont une borne connectée à un nœud de connexion commun NG par l'intermédiaire des résistances Rt.

L'autre borne des accumulateurs Ay peut être connectée à un autre nœud de connexion commun NC; par l'intermédiaire d'autres résistances Rt respectives. Lorsqu'il s'agit des étages d'accumulateurs extrêmes Eti et Et _m , l'autre borne des accumulateurs Aij (j=l ..n) et A _mj - (j=l ..n) peut être connectée à un pôle P ou N du module de batterie 1.

Ainsi dans l'exemple illustré sur la figure 2, les résistances Rt de la première rangée de résistances connectent les bornes négatives des accumulateurs Ai j du premier étage Eti au nœud de connexion commun NG et d'autre part connectent les bornes positives des accumulateurs A _2j du deuxième étage Et ₂ à ce nœud de connexion commun NG.

Plus généralement les résistances Rt de la rangée de résistances d'ordre i, connectent les bornes négatives des accumulateurs Ay de l'étage Et; au nœud de connexion commun NG et d'autre part connectent les bornes positives des accumulateurs A _i+ i j du deuxième étage Et _i+ i à ce nœud de connexion commun NG.

En outre, le dispositif de contrôle de charge est aussi connecté à l'ensemble des nœuds de connexion communs NG.

Selon le mode de réalisation illustré, le circuit d'équilibrage 2 est connecté aux nœuds de connexion communs NG. Durant une phase de charge ou de décharge, le courant principal dans une branche traverse l'ensemble des accumulateurs connectés en série dans cette branche. Durant un tel fonctionnement, si l'ensemble des accumulateurs A sont similaires et présentent un même état de charge ou de décharge, aucun courant transversal ne circule à travers les résistances Rt.

Le dimensionnement des résistances Rt est défini par un compromis entre différents paramètres sur lesquels on veut agir, tels que :

- le courant continu maximum accepté dans une branche Br,,

- le temps de décharge d'un étage Et; comprenant un accumulateur Ay en défaut,

- le courant d'équilibrage Ieq (cf figure 4) correspondant au courant échangé par un étage Et _; avec le circuit d'équilibrage 2,

- le temps d'équilibrage des accumulateurs d'une même branche Br,, ceci pouvant être fonction du mode de recharge lent ou rapide,

- une détection de fin de charge plus aisée, ceci est d'autant plus aisé que le nombre d'accumulateurs A en parallèle est faible.

Le dimensionnement doit donc se faire en fonction de l'architecture du module et des accumulateurs utilisés.

Cette solution peut être réalisée avec des résistances Rt de valeur importante (plusieurs ohms voire plusieurs dizaines d'ohms) de façon à limiter le courant d'équilibrage entre accumulateurs et donc réchauffement d'un accumulateur en cas de court-circuit tout en ayant un temps d'équilibrage compatible avec l'application.

À titre d'exemple illustratif, la plage de valeurs des résistances Rt peut être de l'ordre de 10Ω à lkH Les résistances Rt peuvent par exemple être choisies avec une valeur de l'ordre de 50Ω.

Par ailleurs, la tension mesurée au nœud commun NC; correspond à la tension moyenne des accumulateurs Aj.

À cet effet, le dispositif de contrôle de charge peut comporter un dispositif de mesure de tension moyenne 5 des étages d'accumulateurs Et _; (cf figure 3). Ce dispositif de mesure de tension moyenne 5 est relié électriquement aux nœuds communs NC; auxquels sont connectés respectivement les étages d'accumulateurs Et _; par l'intermédiaire des résistances Rt ainsi qu'aux bornes P et N du module de batterie 1.

L'invention se distingue de l'état de l'art par la mesure de la tension moyenne d'un étage donné alors que classiquement dans l'art antérieur la mesure de la tension de tous les accumulateurs est exigée. Pour cela, dans l'art antérieur, la mise en parallèle des accumulateurs par liaison de fort courant ou par des fusibles entraînent que tous les accumulateurs de l'étage donné ont la même tension.

En outre, une telle structure permet, en particulier pour les modules de batterie de type LiFeP04 de savoir si les tensions des accumulateurs A sont correctes et de déterminer aisément une zone du module de batterie 1 défaillante.

Pour rappel, la tension de plateau est par exemple de l'ordre de 3,3V. Si la tension moyenne mesurée est de l'ordre de cette tension plateau additionnée à un seuil donné, par exemple est de l'ordre de 3,4V, les accumulateurs sont considérés comme présentant respectivement une tension minimum égale à cette tension de plateau de 3,3V. En effet, par construction, la dispersion des accumulateurs selon la technologie LiFeP04 est faible, notamment de l'ordre de 10 %, ainsi lorsque la tension moyenne mesurée est de l'ordre de 3,4V, les accumulateurs de cet étage ont tous une tension au minimum de l'ordre de 3,3V.

La tension moyenne Umoy renseigne sur les tensions des accumulateurs de l'étage donné à lOOmV près dans l'exemple décrit. Une stratégie d'équilibrage des accumulateurs sera décrite par la suite plus en détail.

De plus, si un accumulateur est en défaut, une tension moyenne va chuter tandis que les autres tensions moyennes vont augmenter. En mesurant la tension moyenne Umoy de chaque étage Et _; , le circuit d'équilibrage 2 peut ainsi détecter une défaillance, en constatant par exemple qu'un étage se décharge ou se charge différemment des autres étages. Du fait qu'un accumulateur en court-circuit reste connecté en parallèle des autres accumulateurs de l'étage, on peut détecter que les autres accumulateurs se déchargent progressivement dans celui-ci. Ceci permet de détecter rapidement qu'un accumulateur est en défaut. Le fonctionnement en cas de dysfonctionnement d'un accumulateur Ay sera détaillé par la suite.

Circuit d'équilibrage

Le circuit d'équilibrage de charge 2 est connecté électriquement à chacun des étages Eti à Et _m , comme décrit précédemment par les nœuds communs NC; et sont également reliés aux bornes N et P du module de batterie 1.

Le circuit d'équilibrage 2 est configuré pour mettre en œuvre un équilibrage de charge des accumulateurs j de ces étages Et _; , en fonction du suivi de leur état de charge. Une stratégie d'équilibrage sera décrite plus en détail par la suite.

Le circuit d'équilibrage 2 comprend un nombre prédéfini de résistances d'équilibrage Req.

Plus précisément, le circuit d'équilibrage 2 comprend selon un premier mode de réalisation illustré sur les figures 5 et 6a, une première résistance d'équilibrage Req en série avec un interrupteur 4 pour chaque étage d'accumulateurs Et;.

La valeur des premières résistances d'équilibrage Req est choisie en fonction notamment de la performance des accumulateurs utilisés, du temps d'équilibrage souhaité, et de la dissipation pouvant être admise dans la résistance, le support électronique, et plus généralement le module de batterie.

Ces premières résistances d'équilibrage Req peuvent avoir une valeur de l'ordre de lOohms.

Les premières résistances Req et interrupteurs 4 associés en série disposés en position extrême peuvent être connectés d'une part à une borne P ou N du module de batterie 1 et d'autre part à nœud de connexion commun NC;.

Le courant d'équilibrage Ieq est défini par les premières résistances d'équilibrage Req mais également les résistances Rt qui lorsque les interrupteurs 4 sont fermés se retrouvent en série avec les premières résistances d'équilibrage Req. Pour les étages intermédiaires Et ₂ à Et _m _i la résistance équivalente du circuit correspond à une première résistance d'équilibrage Req additionnée à deux fois une résistance Rt divisée par le nombre n de résistances Rt, selon la relation (2) :

(2) Résistance équivalente pour un étage intermédiaire =

En effet, en cas de fermeture de l'interrupteur 4 associé à un étage intermédiaire le courant passerait par toutes les résistances Rt connectées à des premières bornes des accumulateurs de cet étage, par la première résistance d'équilibrage Req, puis de nouveau par les résistances Rt connectées aux deuxièmes bornes des accumulateurs de cet étage.

Pour les étages extrêmes Eti et Et _m la résistance équivalente correspond à une première résistance d'équilibrage Req additionnée à une résistance Rt divisée par le nombre n de résistances Rt, selon la relation (3) :

Req+—

(3) Résistance équivalente pour un étage extrême = ⁿ .

La résistance équivalente est donc plus faible pour les étages extrêmes Eti et Et _m , et le courant est donc plus fort.

Dans ce cas, pour obtenir des courants d'équilibrage Ieq équivalents, on peut, selon un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 6b, prévoir dans le circuit d'équilibrage 2, deux deuxièmes résistances d'équilibrage Req' pour les étages extrêmes Eti et Et _m , les deuxièmes résistances d'équilibrage Req' étant selon la relation (4) égales à une première résistance Req additionnée à une résistance Rt divisée par le nombre n de résistances Rt :

Req '=Req+—

(4)

Ainsi, selon le deuxième mode de réalisation visible sur la figure 6b, le circuit d'équilibrage 2 comprend une première résistance d'équilibrage Req en série avec un interrupteur 4 pour chaque étage intermédiaire d'accumulateurs Et ₂ à Et _m _i, et pour les étages extrêmes Eti et Et _m une deuxième résistance d'équilibrage Req' également en série avec un interrupteur 4. On peut par ailleurs prévoir une variante de réalisation permettant de supprimer au moins certaines des résistances d'équilibrage, en particulier les premières résistances d'équilibrage Req du mode de réalisation illustré sur la figure 6b, car les résistances Rt peuvent faire office de résistance d'équilibrage, tel qu'illustré sur la figure 7a.

Ceci a pour avantage de répartir la puissance à dissiper dans l'équilibrage dans n résistances au lieu d'une seule. Ceci peut contribuer à réduire le coût complet de la solution en utilisant des résistances CMS (pour composant monté en surface). Cette solution est également adéquate pour des équilibrages nécessitant des puissances importantes.

En particulier selon le mode de réalisation de la figure 7a, le circuit d'équilibrage

2 comprend deux résistances d'équilibrage aux étages extrêmes Eti et Et _m respectivement en série avec un interrupteur 4, et pour chaque étage intermédiaire d'accumulateurs Et ₂ à Et _m _i, un interrupteur 4 intermédiaire. Les interrupteurs 4 intermédiaires sont respectivement reliés à un nœud commun NC; connecté aux accumulateurs d'un étage intermédiaire Et;.

Dans ce cas, pour obtenir des courants d'équilibrage Ieq équivalents, la valeur des premières résistances d'équilibrage associées aux étages intermédiaires étant nulle, on peut prévoir dans le circuit d'équilibrage 2, que les deux résistances d'équilibrage

EL

soient de l'ordre de ⁿ pour les étages extrêmes Eti et Et _m

Enfin, selon une autre variante illustrée sur la fîgure7b, les deux résistances d'équilibrage associées aux étages d'extrémité Eti et Et _m de la variante de la figure 7a ont également été supprimées et n résistances Rt sont réparties d'une part en connexion avec les bornes des accumulateurs Aij et A _mj - des étages extrêmes Eti, Et _m et d'autre part avec un pôle P ou N du module de batterie 1.

Selon l'exemple illustré, n résistances Rt sont connectées aux bornes des accumulateurs Ay du premier étage Eti et au pôle P, et n autres résistances Rt sont connectées aux bornes des accumulateurs A _mj - du dernier étage Et _m et au pôle N.

Avec un tel agencement, chaque accumulateur Aj est connecté à une résistance Rt à chacune de ses bornes. Les résistances Rt supplémentaires connectées au pôle P sont reliées à un nœud commun NCo et les résistances supplémentaires Rt connectées au pôle N sont reliées à un nœud commun Nc _m . Dans ce cas le troisième nombre prédéfini vérifie la relation suivante (5) :

(5) p = m+l .

Le fait de venir placer les résistances Rt, au plus près des accumulateurs Aj permet d'avoir une source de chaleur pouvant servir à réchauffer ceux-ci en cas d'utilisation du module de batterie par temps froid. Cette fonction peut servir à réchauffer le module de batterie ou à le maintenir en température pour optimiser ses performances.

Les résistances Rt permettent de maintenir en température les accumulateurs Ay ou les réchauffer par temps froid par exemple par un transfert de chaleur aux deux bornes des accumulateurs Aj.

Par ailleurs, selon cette variante tous les étages d'accumulateurs Eti à Et _m sont identiques.

Stratégie d'équilibrage

Une stratégie d'équilibrage selon l'invention consiste à attendre que la tension moyenne Umoy d'un étage Et; atteigne une tension de fin de plateau, par exemple de l'ordre de 3,3V plus un seuil choisi pour une batterie d'accumulateurs 1 selon la technologie LiFeP04. Pour cela, le dispositif de mesure 5 peut mesurer la tension moyenne Umoy d'un étage Eti.

Lorsque cette tension de fin de plateau, par exemple 3,3V, additionnée à un seuil de déclenchement de l'équilibrage choisi, est atteinte, un signal de commande d'arrêt de charge provenant par exemple du dispositif de mesure 5 est transmis au chargeur 3 pour arrêter la charge du module de batterie 1 et commander l'équilibrage entre les étages Eti à Et _m . Dans ce cas le dispositif de mesure de tension moyenne 5 est apte à piloter le chargeur 3.

Pour rappel la tension mesurée au nœud commun NC; représente la tension moyenne Umoy des accumulateurs j (j=l ..n) de l'étage Et _; donné. Pour les accumulateurs selon la technologie LiFeP04, le plateau correspondant à une charge entre 10% et 90% est de l'ordre de 3,3V. S'il apparaît un déséquilibre, ce sera donc entre cette tension plateau de 3,3V et la tension de fin de charge généralement de l'ordre de 3,6V.

L'écart maximum est donc de l'ordre de 0,3V. Cet écart maximum est divisé par le nombre n de branches Br, du module de batterie 1 et devient 0,3V/n.

Cette valeur de 0,3V/n peut être le point de départ pour une solution préférée de l'équilibrage pour définir le seuil de déclenchement d'équilibrage à additionner à la tension de plateau de 3,3V pour arrêter la charge et commencer l'équilibrage. Selon l'exemple décrit, on choisit d'arrêter la charge dès que la tension moyenne mesurée atteint 3,3V+0,3V/n, par exemple 3,36V pour un module de batterie 1 comprenant cinq branches Br, .

On compare les tensions moyennes Umoy des étages d'accumulateurs Et _; entre elles, de façon à déterminer au moins un étage d'accumulateurs Et; de tension moyenne plus faible que la tension moyenne des autres étages d'accumulateurs.

Les interrupteurs 4 du circuit d'équilibrage 2 associés aux étages de plus haute tension, c'est-à-dire de tension moyenne plus élevée que l'étage d'accumulateur déterminé de tension moyenne plus faible, sont fermés.

Les accumulateurs du ou des étages d'accumulateurs de tension moyenne plus élevée se déchargent dans le circuit d'équilibrage 2, par exemple à travers une résistance

EL

d'équilibrage Req ou Req' ou ⁿ .

La décharge des accumulateurs de l'étage en cours d'équilibrage est représentée par le courant d'équilibrage leq circulant des étages d'accumulateurs vers le circuit d'équilibrage 2 pour se décharger par exemple dans les résistances d'équilibrage Req ou

EL

Req' ou ⁿ .

Le courant d'équilibrage dans chaque accumulateur j correspond au courant

leq

d'équilibrage leq divisé par le nombre n de branches Br,, soit . Le courant d'équilibrage dans chaque accumulateur est donc très faible. Dans le cas où le courant d'équilibrage Ieq est de l'ordre de 250mA, le courant d'équilibrage

Ieq

traversant chaque accumulateur A d'un étage Eti est donc de l'ordre de 250mA/n soit de quelques dizaines de mA au plus pour dix accumulateurs j en parallèle.

Un courant transversal Ity circule à travers les résistances Rt.

Cette opération peut être faite pour plusieurs étages en même temps.

Toutefois, avec un circuit d'équilibrage selon la variante représentée sur la figure 7, il est préférable de ne pas fermer deux interrupteurs successifs. En effet, deux interrupteurs fermés en série modifieraient le courant d'équilibrage. Dans ce cas les résistances Rt seraient traversées par un courant double. Pour y remédier, il faut en tenir compte dans le dimensionnement des résistances Rt pour permettre la circulation d'un courant plus élevé.

Une variante est de prévoir un équilibrage par séquencement de deux étages d'accumulateurs successifs.

Lorsque la tension moyenne Umoy des accumulateurs A d'un étage Et; donné ne varie plus au cours du temps, l'étage Et; est équilibré.

L'opération d'équilibrage est répétée jusqu'à ce que les tensions moyennes des étages de plus haute tension atteignent la tension moyenne de l'étage de plus basse tension.

Lorsque l'équilibre est atteint entre les tensions moyennes Umoy des étages d'accumulateurs Et; la charge du module de batterie 1 recommence.

Le seuil choisi, peut être progressivement augmenté pour accélérer l'équilibrage. Ainsi, au fur et à mesure que l'étage s'équilibre la valeur de tension moyenne mesurée peut être remontée vers 3,6V et donc obtenir une charge complète à 100% de l'étage. On peut dans l'exemple décrit avoir un seuil évoluant de la sorte : 3,36V - 3,40V - 3,45V - 3,50V - 3,55V - 3,60V.

L'arrêt de charge final s'effectue à titre d'exemple lorsque tous les étages sont à

3,6V. Un seuil d'arrêt de charge final inférieur à 3,6V peut être choisi, par exemple entre 3,3V et 3,6V

Dysfonctionnement

Le dispositif de mesure de tension 5 pourra déterminer la présence d'un accumulateur défaillant en identifiant un étage aux bornes duquel la tension varie anormalement par rapport aux autres étages, soit lors d'une charge, soit lors d'une décharge.

On peut également identifier un étage contenant un accumulateur défaillant à partir d'une variation importante de sa vitesse de décharge ou de son niveau de tension puisqu'il se décharge progressivement.

En cas de mise en court-circuit accidentel d'un accumulateur A d'une branche Br,, les accumulateurs voisins vont injecter un courant dans l'accumulateur en court- circuit qui sera limité par les résistances Rt. En effet, lorsqu'un accumulateur forme un court-circuit, les autres accumulateurs de l'étage se déchargent dans cet accumulateur, du fait de la forte section des connexions électriques entre eux.

Dans l'exemple des figures 8 et 9, l'accumulateur A ₃ ,3 subit un dysfonctionnement en court-circuit.

Les accumulateurs voisins vont injecter un courant dans l'accumulateur A _3;3 en court-circuit.

Du fait de la présence des résistances Rt, les courants entre les branches sont faibles car limités par les résistances Rt. L'utilisation de résistances Rt permet donc de protéger les accumulateurs j de façon simple et à moindre coût.

Plus précisément, suite à l'apparition du dysfonctionnement, du fait de la présence des résistances Rt, les courants de charge transversaux provenant des accumulateurs voisins sont relativement limités. Dans les branches voisines de l'accumulateur en défaut A ₃ ,3 (représentées en gras sur la figure 8), le courant est limité

Vacc

à une valeur proche de ₂ R (OÙ Vacc est la tension d'un accumulateur, R la valeur

Vacc

d'une résistance Rt). Le courant est limité à ^ dans l'accumulateur A _3;3 en défaut. Ce courant est faible, par exemple inférieur à 100mA, ce qui va contribuer à décharger l'étage Et3 contenant l'accumulateur en défaut A _3;3 de manière très lente.

Ainsi, la surintensité est limitée en amplitude et l'accumulateur A _3;3 en défaut ne dissipe qu'une faible quantité d'énergie issue de ses voisins. Il ne risque pas de surchauffer violemment. Le risque de départ de feu est supprimé ou fortement minimisé.

Par la suite, l'étage en défaut Et3 se décharge lentement et en totalité dans l'accumulateur en court-circuit A _3;3 .

Par ailleurs, on considère que les accumulateurs A présentent respectivement une tension de l'ordre de la tension de plateau, soit 3,3V, en fonctionnement normal. Dans le cas de la mise en défaut de l'accumulateur A _3;3 , la tension moyenne Umoy mesurée de l'étage Et3 va chuter d'une valeur correspondant à la tension de plateau, soit 3,3V, divisée par le nombre n de branches Br,, cinq dans l'exemple des figures 8 et 9,

3,3 V

soit ₅ . Ainsi, dans cet exemple, la tension moyenne Umoy de l'étage Et3 comprenant l'accumulateur A _3;3 en défaut sera de l'ordre de 2,64V (cf figure 9).

Par ailleurs, en fonctionnement normal une branche Br, présente une tension de l'ordre de la tension de plateau 3,3V multipliée par le nombre m d'étages Et;, donc dans l'exemple illustré avec cinq étages Et _; , la tension d'une branche Br, est de l'ordre de 3,3 V x 5 ₅ soit 16,5V.

La branche Br ₃ présentant l'accumulateur A _3;3 en défaut va chuter d'une valeur de l'ordre de la tension de plateau des accumulateurs, ici 3,3V, soit de 16,5V à 13,2V.

La branche Br ₃ ayant sa tension chutant de 16,5V à 13,2V un courant important I circule par les extrémités (cf figure 9). Le courant circulant dans les branches transverses contribue à recharger les accumulateurs en série avec l'accumulateur en défaut par les connections externes du module de batterie 1 comme montrées dans la figure 9.

Ce courant transitoire vient ainsi répartir la tension de plateau sur les accumulateurs en série avec celui en défaut en les rechargeant.

Cette surtension au niveau des accumulateurs sains en série avec l'accumulateur en défaut dépend du nombre d'accumulateurs en série et peut donc être fortement diminuée si le nombre d'accumulateurs est important, la surtension est de l'ordre de la tension de plateau divisé par le nombre d'accumulateurs sains en série avec l'accumulateur en défaut selon la relation (6) :

_ Uplateau

(6) surtens ⁱ on- _m _ ^ où Uplateau est la tension de plateau, ici 3,3V, et m est le nombre d ' étages Et; .

Ceci va donc contribuer à fortement recharger les accumulateurs sains restants dans la branche Br ₃ . Plus précisément, dans l'exemple des figures 8 et 9 avec cinq étages Et;, il reste quatre accumulateurs sains dans la branche Br ₃ comprenant l'accumulateur en défaut A ₃ ,3. Ces quatre accumulateurs restant se répartissent donc la tension de plateau de l'ordre de 3,3V. Ainsi, chacun des accumulateurs restant augmente

3,3 ^

d'une tension de l'ordre de ₄ , soit 0,825V. Les accumulateurs sains restant présentent donc une tension de l'ordre de 4,125V. Ceci est possible avec des accumulateurs de technologie LiFeP04 qui acceptent une large plage de tension avant la dégradation de l'électrolyte, celle-ci intervenant seulement au-delà de 4,5 V.

Ainsi, le dispositif de mesure 5 mesure une tension qui a chuté par rapport à la tension de plateau, par exemple ici 2,64V, pour l'étage Et ₃ comprenant l'accumulateur A ₃ ,3 en défaut tandis qu'il mesure une tension moyenne qui a augmenté sur les étages restant par exemple ici 3,465V correspondant à la moyenne de quatre accumulateurs à 3,3V et un accumulateur en série avec l'accumulateur en défaut A _3;3 à 4,125V.

Cette chute de la tension moyenne d'un étage tandis que la tension moyenne des autres étages augmente permet une détection instantanée du court-circuit interne.

Par la suite, les accumulateurs de la branche Br ₃ comprenant l'accumulateur A _3;3 en défaut et présentant une surtension comme expliqué précédemment se déchargent dans les accumulateurs voisins de l'étage concerné. Ainsi, hormis l'étage Et ₃ comprenant l'accumulateur en défaut se déchargeant complètement, les autres étages rejoignent progressivement une tension proche de la tension plateau à 3,3V.

En conclusion, il est aisé de détecter la présence d'un défaut par la mesure des tensions moyennes aux nœuds communs en détectant une variation de la tension moyenne sur le nœud commun. Ceci est d'autant plus facile que le nombre de cellule en parallèle est faible.

Un autre mode de détection peut être d'observer la décharge des accumulateurs en parallèle dans l'accumulateur en défaut.

Le défaut d'un accumulateur donné aura pour conséquence sur l'ensemble du module de batterie 1, une décharge complète de l'étage où est apparu le défaut dans un temps dépendant du nombre de cellules en parallèle et du niveau du courant limité par les résistances Rt. Néanmoins cette décharge suivant le dimensionnement des résistances peut être très lente, notamment de l'ordre de plusieurs heures ce qui a pour effet de pouvoir continuer à utiliser le module de batterie 1.

Il peut même être possible de réaliser plusieurs cycles de charge ou décharge avant soit d'isoler le module de batterie 1 soit d'immobiliser le véhicule pour le réparer.

De plus, il reste possible d'équilibrer si le courant traversant la résistance Rt reliée à l'accumulateur en défaut A _3;3 est inférieur à un courant F provenant du circuit d'équilibrage 2. En référence à la figure 10, le courant de décharge provenant des accumulateurs de l'étage Et3 comprenant l'accumulateur en défaut A3 peut être compensé totalement ou partiellement par le courant F provenant du circuit d'équilibrage 2, selon le dimensionnement des résistances d'équilibrage Req, Req'.

Ceci permet d'éviter que les accumulateurs voisins de l'accumulateur en défaut

A3 ,3 ne se déchargent dans ce dernier.

Batterie

On a représenté sur la figure 11 un module commuté, c'est-à-dire un module de batterie 1 tel que défini précédemment associé à un premier interrupteur de puissance 6 et un deuxième interrupteur de puissance 7.

Le premier interrupteur 6 est agencé en série avec le module de batterie 1.

Le deuxième interrupteur 7 est agencé en dérivation du module de batterie 1.

Les interrupteurs 6 et 7 peuvent être des transistors de type MOSFET, qui peuvent aisément être dimensionnés de façon appropriée à un coût relativement réduit. Le dispositif de contrôle est apte à piloter la fermeture et l'ouverture des interrupteurs 6, 7. Les interrupteurs 6, 7 forment un dispositif d'isolation 8 du module de batterie 1 associé.

En fonctionnement normal du module de batterie 1 , le premier interrupteur 6 est configuré pour être fermé et le deuxième interrupteur 7 est configuré pour être ouvert.

Pour isoler un module de batterie 1, l'ouverture du premier interrupteur 6 est commandée et la fermeture du deuxième interrupteur 7 est commandée.

Par ailleurs, un dispositif de stockage également appelé batterie, par exemple dont la tension nominale est par exemple supérieure à 100V, comprend généralement plusieurs modules de batteries 1 connectés en série comme l'illustre la figure 12.

La batterie présente deux pôles de sortie de puissance + et -.

Chaque module de batterie 1 est tel que défini précédemment avec plusieurs étages d'accumulateurs Et _; en série définissant plusieurs branches Br, en parallèle et est associé à deux interrupteurs de puissance 6, 7.

Dans la configuration illustrée sur la figure 12, les modules de batterie 1 sont tous opérationnels. Par conséquent, leurs premiers interrupteurs 6 associés sont fermés et leurs seconds interrupteurs 7 associés sont ouverts, de sorte que les modules de batterie 1 sont connectés en série.

Dans le cas où un accumulateur est défaillant dans l'un des modules de batterie 1, le dispositif de contrôle peut avantageusement commander de court-circuiter ce module de batterie 1 afin d'assurer la continuité de service du reste de la batterie.

En particulier, dans le cas où l'étage d'accumulateurs Et _; comprenant l'accumulateur en défaut se décharge complètement il est préférable de l'isoler pour pouvoir continuer à se servir du reste de la batterie. Le principe est d'isoler un module de batterie 1 en défaut.

Pour ce faire, en référence à la figure 13, lorsque le dispositif de contrôle détecte un dysfonctionnement tel qu'expliqué précédemment par suivi des tensions moyennes des étages Et;, le premier interrupteur 6 est ouvert et maintenu ouvert afin d'isoler automatiquement le module de batterie 1 en cas de dysfonctionnement. La fermeture du deuxième interrupteur 7 est commandée.

La batterie peut être utilisée de façon dégradée en assurant une continuité. Ainsi, le système de sécurisation tel que décrit précédemment permet d'obtenir des batteries lithium-ion tolérantes à la défaillance en court-circuit ou en circuit ouvert d'un accumulateur, munie de circuits d'équilibrage pour maximiser la durée de vie des accumulateurs Aj, avec l'avantage de minimiser le nombre de circuits d'équilibrage et de surveillance des tensions hautes et basses de tous les accumulateurs.

Pour ce faire, les résistances Rt relie les accumulateurs d'un étage à un nœud de connexion commun NG sur lequel la tension moyenne Umoy de l'étage peut être mesurée.

Concernant l'équilibrage, cette solution va à Γ encontre des préjugés dans le domaine technique de l'équilibrage des batteries car la surveillance se fait par suivi de la tension moyenne au nœud commun et non par mesure de la tension de chaque accumulateur, et de ce fait l'homme du métier considérerait que cette solution ne permet pas de réaliser un équilibrage entre les accumulateurs de façon simple.

La détection d'un accumulateur en défaut peut intervenir instantanément sans devoir attendre la décharge complète de l'étage d'accumulateur comprenant l'accumulateur par détection d'une variation de la tension moyenne au nœud commun, par exemple une chute de la tension moyenne d'une étage tandis que les tensions des autres étages augmentent.

Par ailleurs, les résistances Rt sont des composants simples permettant de limiter le courant à moindre coût pour protéger les accumulateurs en cas de court-circuit notamment.

Un autre avantage est la notion de sécurité de cette solution. En utilisant des résistances Rt de valeurs relativement importantes, le courant continu est limité. En conséquence, l'ouverture de l'évent de l'accumulateur en défaut se fera à faible courant mais également à faible température. Cet évent a pour fonction d'éviter la formation de pression lorsque la batterie monte en température. Ceci contribue donc à ne pas augmenter encore plus la pression au sein de l'accumulateur et donc à une ouverture d' évent moins violente.

Enfin, la répartition des résistances Rt au sein du module de batterie 1 assure une meilleure répartition de chaleur. En particulier, la pluralité de résistances Rt permet de réchauffer ou de maintenir la température des accumulateurs A du module de batterie 1 notamment en cas d'utilisation par temps froid.