Brevet FR2507390A1 — publié le 19821210

La présente invention concerne des dispositifs électrochimiques de stockage d'énergie et, plus particuliè- rement, des batteries secondaires composées d'éléments mul- tiples renfermant un électrolyte commun. La présente invention a pour objet de minimiser l'effet des courants parasites dans les batteries secondai- res comportant une pluralité d'éléments qui sont reliés électriquement en série et un électrolyte commun communi- quant avec les éléments Les courants parasites sont des courants électriques qui circulent dans les trajets conduc- teurs créés par le réseau de connexions électrolytiques re- liant les éléments Dans le cas des batteries comportant un électrolyte en circulation, ces connexions électrolytiques comprennent les conduits d'alimentation des éléments en électrolyte à partir d'un réservoir, ainsi que les conduits renvoyant l'électrolyte au réservoir à partir des éléments. Les conduits agissent en résistance en shunt aux bornes des. éléments de batterie, et leur effet est de créer un courant limité déchargeant les éléments Ce courant de décharge parasite s'oppose au courant de charge lors de la charge de la batterie, et réduit par conséquent la quantité de courant de charge utilisée pour charger les éléments de la batterie Le courant de décharge parasite circulera égale- ment pendant la décharge de la batterie, même lorsque celle- 2 2507390 ci n'est pas reliée à une charge De fait, les courants de décharge parasites ne cesseront de circuler que lorsque la batterie est totalement déchargée, ou lorsque la batte- rie est en circuit ouvert et qu'une ou des espèces d'agents de réaction n'ont pas accès aux électrodes ou qu'il y a un volume insuffisant d'électrolyte dans les conduits pour créer les trajets conducteurs nécessaires Par conséquent, les courants parasites sont considérés comme hautement in- désirables, et beaucoup de tentatives ont été faites pour les réduire ou les éliminer (courants également appelés courants shunt) dans les batteries comportant plusieurs éléments On se reportera à ce sujet au brevet des Etats- Unis d'Amérique N O 4 197 169 ayant pour titre "Shunt Current Elimination and Device" du 8 avril 1980 pour y trouver une discussion des nombreuses et diverses tentati- ves qui ont été faites Cependant, comme cela a été indiqué précédemment, la présente invention n'a pas pour objet de réduire ou d'éliminer les courants parasites en soi, mais plutôt de minimiser leur effet Plus spécifiquement, la présente invention a pour objet de réduire les déséquili- bres entre éléments dans des batteries comportant plusieurs éléments, déséquilibre qui provient du passage de courants parasites lors d'un cycle de charge/décharge. L'expression "déséquilibre entre éléments" concer- ne généralement les différences de performances entre les éléments d'une batterie Il peut y avoir naturellement de nombreuses causes et raisons pour qu'il y ait de telles va- riations de performances entre éléments, par exemple, les tolérances de fabrication ou procédures de montage Comme les causes précédentes et d'autres causes similaires créent des déséquilibres entre éléments qui sont plutôt de nature aléatoire, le déséquilibre entre éléments provenant des courants parasites suit un schéma prédéterminé et l'amplitude de ces déséquilibres est de nature prévisible. En bref, la décharge lente des éléments due au passage de courants parasites n'est pas uniforme, s'agissant de cha- que élément de la batterie Au contraire, le courant de 3. décharge parasite circulant dans un élément dépend de sa position dans la batterie, les éléments situés aux extrémi- tés ayant un courant de décharge parasite plus faible que les éléments situés au centre Par exemple, si la batterie est constituée de 60 éléments reliés électriquement en sé- rie, les éléments extrêmes (n O 1 et 60) auront un courant de décharge parasite inférieur à celui dés éléments cen- traux (n O 30 et 31) Comme cela apparaîtra mieux dans la description détaillée faite ci-après, le courant de dé- charge parasite augmente progressivement en partant des éléments extrêmes jusqu'aux éléments centraux de sorte que les éléments extrêmes (n* 1 et 60) auront le courant de décharge parasite le plus faible et les éléments cen- traux (n O 30 et 31) le courant de décharge parasite le plus élevé. Pendant la charge de la batterie, le courant de décharge parasite s'opposera au courant de charge, et par conséquent réduira la quantité du courant de charge utili- sée à la charge des éléments de la batterie Par conséquent, les éléments centraux de la batterie seront chargés à un taux inférieur à celui des éléments extrêmes Pendant la décharge de la batterie, le courant de décharge parasite aura le même sens que le courant principal de décharge Le courant de décharge parasite s'ajoutera alors au courant de décharge principal, ce qui aura pour effet d'augmenter le courant total de décharge des éléments de la batterie Par conséquent, les éléments centraux de la batterie se déchar- geront à un taux supérieur à celui des éléments extrêmes. Ainsi, lors du cycle de charge/décharge, les éléments qui étaient chargés au taux le plus faible se déchargeront au taux le plus élevé, et les éléments qui étaient chargés au taux le plus élevé se déchargeront au taux le plus faible. Ce déséquilibre provoquera une décharge inégale des élé- ments de la batterie, de sorte que les éléments centraux se déchargeront avant les éléments extrêmes Cela non seu- lement aura pour effet de réduire l'efficacité électrochi- mique pouvant être obtenue pour un seul cycle de charge/dé- 4. charge, mais ce déséquilibre des éléments deviendra plus prononcé lors des cycles ultérieurs à moins que la batte- rie ne soit totalement déchargée à chaque cycle. Par conséquent,un objet principal de la présen- te invention est de minimiser les déséquilibres entre élé- ments dus aux courants parasites pendant un cycle de char- ge/décharge d'une batterie secondaire comportant une plu- ralité d'éléments reliés électriquement en série les uns aux autres et dans laquelle un électrolyte commun est com- muniqué aux éléments. La présente invention prévoit un procédé permet- tant de minimiser les déséquilibres entre éléments, dans lequel la batterie est de fait divisée en deux ensembles d'éléments, avec les éléments de chaque ensemble reliés électriquement en série La batterie est chargée avec les deux ensembles d'éléments reliés électriquement en série, puis déchargée avec les deux ensembles d'éléments de nou- veau reliés électriquement en série au cours d'une séquence inversée Par conséquent, dans l'exemple précédent de bat- terie comportant 60 éléments, celle-ci serait chargée avec les éléments N O 30 et 31 reliés électriquement, et les éléments 1 et 60 reliés aux bornes d'une alimentation ap- propriée en courant continu Puis la batterie serait dé- chargée lors de la séquence inversée, ou les éléments N O 1 et 60 sont reliés électriquement, et les éléments 30 et 31 branchés aux bornes d'une charge appropriée Ainsi, on ver- ra que les éléments qui ont subi les pertes de courant par décharge parasite les plus élevées lors de la charge sup- porteront les augmentations de courant de décharge les plus faibles lors de la décharge De même, les éléments qui ont subi les pertes de courant par décharge parasite les moins élevées pendant la charge supporteront les aug- mentations de courant par décharge, parasite les plus éle- vées pendant la décharge. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est un schéma de modèle de circuit pour élément unique de batterie secondaire dans laquelle circule un électrolyte; La figure 2 est un schéma de modèle de circuit pour batterie secondaire de dix éléments incorporant le modèle d'élément de la figure 1; La figure 3-est un schéma du modèle de batterie de la figure 2, représentant plus particulièrement les tensions à chaque noeud du circuit lors de la charge de la batterie; La figure 4 est un schéma du modèle de batterie de la figure 3, représentant plus particulièrement la cir- culation des courants parasites dans chaque branche du circuit lors de la charge de la batterie; La figure 5 est un graphe représentant l'effet des courants parasites sur les courants de charge et de décharge circulant dans les éléments d'une batterie com- portant soixante éléments; La figure 6 est un schéma de modèle de circuit utilisé pour développer une équation permettant de prédire l'amplitude des courants parasites; La figure 7 est un-schéma d'une batterie compor- tant soixante éléments selon la présente invention; et La figure 8 est un graphe représentant l'effet des courants parasites sur les courants de charge et de décharge circulant dans les éléments de la batterie com- portant soixante éléments de la figure 7. Dans le but de faciliter la compréhension de la nature et des effets des courants parasites sur les bat- teries secondaires lors d'un cycle de charge/décharge, un modèle de circuit pour élément unique et un modèle de cir- cuit pour une batterie comportant dix éléments seront uti- lisés Ces modèles de circuit utilisent des composants standard de circuit, et sont destinés à simuler les tra- jets conducteurs créés par les connexions électrolytiques reliant les éléments, ainsi que les éléments eux-mêmes Ces modèles de circuit peuvent alors être utilisés pour déter- 6. miner le sens et l'amplitude des courants parasites en faisant appel aux techniques classiques d'analyse de cir- cuit On comprendra que ces modèles de circuit ont un caractère général, et peuvent être appliqués à une varié- té de batteries secondaires ayant un électrolyte commun communiquant avec les éléments de la batterie Cependant, ces modèles de circuit ont une application particulière dans le cas des batteries zinc-chlorure, qui forment la ba- se de développement des modèles de circuit. En bref, une batterie zinc-chlorure est une bat- terie secondaire qui comprend une pluralité d'éléments et un électrolyte aqueux commun circulant dans les éléments. Chaque élément comprend en général une paire de substrats d'électrode séparés par un interstice approprié qui est rempli d'une partie de l'électrolyte Les éléments sont typiquement connectés électriquement en parallèle de façon à former des éléments unitaires,puis ces éléments unitai- res sont reliés électriquement en série pour constituer des groupes d'éléments Une batterie zinc-chlorure peut comprendre un ou plusieurs groupes d'éléments en fonction de la capacité de stockage d'énergie souhaitée pour la bat- terie De façon à provoquer la circulation de l'électroly- te dans les éléments, un réservoir d'électrolyte est gé- néralement prévu dans lequel l'électrolyte peut être pom- pé ou fourni d'une autre manière aux éléments, cet élec- trolyte étant ensuite renvoyé au réservoir à partir des éléments De plus, un réseau de tubulures, conduits ou tu- bes sert à répartir uniformément l'électrolyte entre les divers éléments de la batterie et à permettre le renvoi de l'électrolyte au réservoir On trouvera une discussion plus détaillée des batteries zinc-chlorure et de leur fonc- tionnement dans les brevets et publications suivants qui sont supposés ici connus: brevet des Etats-Unis d'Améri- que N O 3 713 888 du 30 janvier 1973 ayant pour titre: "Process For Electrical Energy Using Solid Halogen Hydra- tes"; brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 100 332 du 11 juillet 1978 ayant pour titre: "Comb Type Bipolar Elec- 7. trode Elements and Battery Stacks Thereof"; et publica- tion ayant pour titre " 50 k W-hr Zinc-Chlorine Hydrate Battery", publiée à la suite du 28 ème Symposium sur les sources d'énergie, session sur les systèmes à haute tempé- rature et énergie élevée, juin 1978. En liaison avec la figure 1, on a représenté un schéma d'un modèle de circuit comportant un seul élément pour batterie secondaire dans lequel l'électrolyte est en circulation Le modèle de circuit 10 est constitué d'une source de tension indépendante Vc, d'une résistance électrolytique Ri et d'une résistance électrolytique R La source de tension Vc sert à simuler la tension aux bornes de l'élément, et comprend les diverses pertes de tension internes associées à l'élément Comme l'appréciera l'homme de l'art, l'amplitude de cette tension varie lors du cycle de charge/décharge Par exemple, dans une batterie zinc- chlorure, cette tension aura une valeur typique de 2,18- 2,25 volts pendant la charge de la batterie, de 2,12 volts en circuit ouvert, et de 1,98-1,6 volt lors de la décharge de la batterie La résistance électrolytique Ri sert à si- muler le conduit d'alimentation de l'élément en électroly- te et représente la résistance associée à cette alimenta- tion La résistance électrolytique Ro sert à simuler le conduit de retour de l'électrolyte au réservoir et repré- sente la résistance ainsi associée Contrairement à la tension de l'élément,on suppose que l'amplitude de ces ré- sistances est constante tant pendant la charge que pendant la décharge de la batterie Bien que la résistivité de l'électrolyte varie pendant le cycle, sa valeur moyenne sera la même pendant la charge et la décharge de la batte- rie La résistance électrolytique Ri est reliée au côté positif de la source de tension Vc, et la résistance élec- trolytique R O au côté négatif de cette source de tension. Comme cela apparaîtra dans la description du modèle de circuit de batterie de la figure 2, cette convention assu- re une séparation de toutes les résistances électrolyti- ques par la tension aux bornes d'un élément unitaire Cette 250739 O 8. convention sert également de modèle pour la batterie zinc- chlorure, o le conduit d'alimentation de l'élément en électrolyte se vide typiquement dans une cavité formée dans le substrat d'électrode positive On notera aussi que le modèle 10 de circuit d'élément unique peut être ap- pliqué tant à une paire de substrats d'électrode consti- tuant un seul élément qu'à un élément unité du type décrit pour la batterie zinc-chlorure Cela est principalement dû Bu fait que tous les éléments d'un élément unité sont reliés électriquement en parallèle, et auraient par consé- quent la même tension à leurs bornes. En liaison avec la figure 2, on a représenté un schéma d'unrodèle de circuit 12 pour une batterie compor- tant dix éléments Le modèle de circuit 10 pour un élément de la figure 1 fournit le bloc de construction de base à partir duquel le modèle 12 est bâti Par conséquent, le modèle 12 comprend généralement dix modèles de circuit 10 avec les sources de tension Vc reliées électriquement en série de façon à former un groupe d'éléments 13 Une bor- ne négative A et une borne positive B sont prévues aux ex- trémités du groupe d'éléments 13 de sorte que la batterie peut être reliée à une source appropriée d'énergie élec- trique en courant continu ou à une charge résistive appro- priée La borne négative A s'étend à partir du côté néga- tif d'un élément extrême 14 et la borne positive B du cô- té positif d'un élément extrême 16. Une source de tension indépendante Vch a l'une de ses extrémités reliée à la borne négative A et son au- tre extrémité à la borne positive B, pour charger la batte- rie La source de tension Vch fournit un courant de charge Ich qui circule dans le sens de -la flèche 18 conformément à la convention classique sur les courants Une charge ré- sistive Rdh est également représentée (en pointillé) com- me étant branchée aux bornes du groupe d'éléments 13 de façon à décharger la batterie Lorsqu'on souhaite déchar- ger la batterie, la charge résistive Rdh est branchée aux bornes du groupe d'éléments 13 à la place de la source de 9. tension Vch, comme cela est de pratique courante dans l'art La charge résistive Rdh fermera le circuit et permet- tra la circulation d'un courant de décharge Idh dans le sens de la flèche 20 Il est important de noter que le sens du courant de charge de la batterie est opposé à celui du courant de décharge Comme on l'appréciera plus complète- ment dans la description suivante, ce changement de sens du courant lors du cycle de charge/décharge en combinaison avec les courants parasites créé le déséquilibre entre élé- ments dont il a été précédemment question. Chacune des résistances électrolytiques R du 1- modèle de circuit de batterie 12 est reliée à l'une de ses extrémités à une ligne 22 La ligne 22 représente un dis- tributeur acheminant l'électrolyte à chacun des éléments du groupe 13 Bien que ce distributeur contienne également une résistance électrolytique répartie entre les résistances électrolytiques Ri, l'amplitude de sa résistance est beau- coup plus petite que celle de la résistance électrolytique R et peut etre négligée pour simplifier Chacune des ré- sistances électrolytiques R est reliée à l'une de ses ex- trémités à une ligne 24 La ligne 24 peut représenter un canal d'acheminement électrolytique qui recueille l'élec- trolyte provenant des éléments, ou peut simplement repré- senter un point o l'électrolyte provenant de chacun des éléments est déchargé ou renvoye au réservoir d'électroly- te Une resistance électrolytique Rs représente la résis- tance associée au réservoir d'électrolyte ainsi qu'aux con- duits et à la pompe nécessaires à la circulation de l'électrolyte dans les éléments La résistance électroly- tique Rs est reliée à la ligne 22 à un noeud C et à la li- gne 24 à un noeud D Par conséquent, la résistance électro- lytique Rs simule également la liaison entre les conduits de fourniture d'électrolyte aux éléments à partir du réser- voir et les conduits de retour au réservoir de l'électroly- te provenant des éléments D'après la description précéden- te, des liaisons électrolytiques reliant les éléments, on appréciera que la batterie ainsi simulée fournit au moins 10. un milieu électrolytique commun qui est en communication continue avec les éléments de la batterie pendant sa cir- culation dans ces éléments. En liaison avec les figures 3 et 4, on a repré- senté deux schémas abrégés du modèle de circuit de batte- rie 12 Ces schémas sont utilisés pour illustrer la na- ture, l'amplitude et le sens des courants parasites cir- culant dans le groupe d'éléments 13 On notera d'abord que la résistance électrolytique Rs a été omise Cette modifi- cation a pour but de simplifier l'analyse du circuit né- cessaire au calcul des amplitudes des courants parasites et n'a qu'un effet insignifiant sur les calculs Cette modi- fication permet également de prendre en considération les courants parasites circulant dans les conduits d'alimenta- tion des éléments en électrolyte indépendamment des cou- rants parasites circulant dans les conduits de retour de l'électrolyte au réservoir On observera en second lieu que la source de tension Vch utilisée pour charger la bat- terie et la charge résistive Rdh servant à sa décharge ont été également omises Cette modification a pour but de re- fléter le fait que les courants parasites circulent indé- pendamment des courants de charge ou de décharge Tant que la batterie est au moins partiellement chargée et que les trajets électrolytiques ne sont pas interrompus, par exem- ple par cessation du flux d'électrolyte vers les éléments, les courants parasites circuleront alors dans le groupe d'éléments 13, même lorsque la batterie est en circuit ou- vert. De façon à illustrer le sens et l'amplitude des courants parasites, des valeurs typiques concernant un ty- pe de batterie zinc-chlorure seront employées pour les sources de tension V et les résistances électrolytiques c Ri et R du modèle de circuit de batterie 12 Par consé- quent, on supposera que chacune des résistances électro- lytiques a une valeur de 500 ohms, et que chacune des ré- sistances électrolytiques R O a une valeur de 375 ohms. Pour les sources de tension Vc, on supposera que la bat- * 11. terie est en charge et que la tension aux bornes de chacun de ses éléments est de 2,25 volts. La figure 3 représente particulièrement l'ampli- tude des tensions à chaque noeud du modèle de circuit de batterie 12 Par exemple, la tension à la borne négative ou noeud A est de 0,0 volt, et la tension à la borne posi- tive ou noeud B de 22,5 volts De même, la tension au noeud C est de 12, 375 volts et la tension au noeud D de 0,125 volt Les tensions aux noeuds C et D représentent la moitié de la tension aux bornes de tous les trajets de courants parasites ou branches d'alimentation des éléments en électrolyte ou de retour de l'électrolyte au réservoir. Chacune des résistances Ri et R forme une branche de cou- rant parasite dans le modèle de circuit de batterie 12. Par exemple, l'élément extrême 14 comprend une branche de courant parasite d'entrée 26 fournissant de l'électrolyte à l'élément, et une branche de courant parasite de sortie 28 renvoyant l'électrolyte au réservoir. La figure 4 représente plus particulièrement l'am- plitude des courants parasites circulant dans chacune des branches de courant parasite et dans chacun des éléments du modèle de circuit de batterie 12 Par exemple, le cou- rant circulant dans la branche de courant parasite d'en- trée 26 de-la cellule extrême 14 est de 20,0 milliampè- res, et le courant circulant dans la branche de courant parasite de sortie 28 est de 27,0 milliampères Il est im- portant de noter que le sens des courants-parasites s'in- verse au centre du modèle de circuit de batterie 12 Pour les cinq premiers éléments, en commençant par l'élément extrême 14,les courants parasites sont dirigés vers l'in- térieur, vers le sens des éléments Cela provoque l'ac- cumulation progressive des courants parasites dans les cinq premiers éléments Pour les cinq seconds éléments,en terminant avec l'élément extrême 16,les courants parasi- tes sont dirigés vers l'extérieur des éléments Cela pro- voque une diminution progressive des courants parasites dans les cinq seconds éléments Comme l'appréciera l'hom- 12. me de l'art, cette inversion de courant se produit lorsque l'amplitude de la tension d'élément dans le groupe d'élé- ments augmente, puis dépasse l'amplitude des tensions aux noeuds C et D Comme les tensions aux noeuds C et D se- ront toujours approximativement la moitié de la tension aux bornes du groupe d'éléments, l'inversion des courants para- sites se produira toujours approximativement au centre du groupe d'éléments Ainsi, les courants parasites maximum des éléments se produiront toujours aux éléments centraux, tels que les éléments 30 et 32 du groupe d'éléments 13. De même, les courants parasites minimum des éléments de la batterie se produiront toujours aux éléments extrêmes tels que les éléments 14 et 16 du groupe d'éléments 13. Les courants parasites représentés en figure 4 ont deux effets néfastes sur la batterie ou le groupe d'élé- ments 13 Tout d'abordces courants provoquent une déchar- ge inutile des éléments, et par conséquent peuvent être considérés comme des courants de décharge parasites Comme les courants de décharge parasites circulent simplement dans les trajets électrolytiques au lieu d'être appliqués à une charge utile, ils représentent une perte pour la bat- terie ayant pour effet de diminuer le rendement énergéti- que qui pourrait être obtenu sans cela En second lieu,les courants de décharge parasites dans le groupe d'éléments 13 ne sont pas uniformes Par conséquent, chaque élément sera déchargé à un taux différent, avec les éléments centraux déchargés à un taux supérieur à oelui des éléments extrêmes. Cette variation du courant de décharge parasite dans le groupe d'éléments créé de la manière suivante le déséqui- libre entre éléments dont il a été question précédemment. Pendant la charge de la batterie, le courant de charge Ich (représenté en figure 2) a un sens opposé à celui du cou- rant de décharge parasite, ce qui réduira la quantité de courant de charge utilisée pour la charge des éléments Par exemple, si l'on suppose que le courant de charge Ich est de 1,0 ampère, le courant réellement utilisé pour la char- ge de l'élément extrême 16 sera de 0,98 ampère De même, 13. le courant réellement utilisé pour la charge de l'élément central 32 sera de 0,872 ampère Ainsi, on peut voir que les éléments centraux seront chargés à un taux inférieur à celui des éléments extrêmes, et par conséquent que l'éner- gie qu'ils auront stockée sera inférieure à celle des éléments extrêmes. Lors de la décharge de la batterie, le courant de décharge Idh a le même sens que le courant de décharge pa- rasite Le courant de décharge parasite s'ajoute alors au courant de décharge, ce qui a pour effet d'augmenter la quantité totale de courant utilisée dans la décharge de la batterie Par conséquent, les éléments centraux 30 et 32 du groupe d'élme-nts 13 seront décharges à un taux supérieur à celui des éléments extrêmes 14 et-IG A ce point, on note- ra que le courant de décharge parasite pendant la décharge sera plus petit que pendant la charge, car la tension aux bornes des éléments aura diminué Néanmoins, pendant le cy- cle de charge/décharge, les éléments qui furent charges à un taux plus petit seront déchargés à un taux plus élevé,et les éléments qui furent charges à un taux plus élevé seront déchargés à un taux p Ius petit Ce phénomène est représenté graphiquement en figure 5. La figure 5 est un graphe représentant l'effet des courants de décharge parasites pendant un cycle de - charge/décharge dans une batterie comportant soixante élé- ments reliés électriquement en série La courbe 34 repré- sente la diminution ou réduction du courant utilisé dans la charge des éléments en terme d'écarts en pourcent par rapport au courant de charge extérieur fourni par une sour- ce appropriée d'énergie électrique en courant continu Par exemple, le courant utilisé pour la charge des éléments centraux (n 30 et 31) est approximativement inférieure de 5 % au courant de charge disponible La courbe 36 re- présente l'augmentation du courant utilisé dans la déchar- ge des éléments au-dessus du courant de décharge extérieur circulant dans une charge résistive appropriée Par exem- ple,le courant utilisé dans la décharge des éléments cen- 14. traux est approximativement supérieur de 4 % au courant de décharge circulant dans la charge résistive Cette dif- férence entre l'amplitude de la courbe de charge 34 et celle de la courbe de décharge 36 reflète le fait que l'amplitude des courants de décharge parasites sera infé- rieure pendant la décharge de la batterie que pendant sa charge On doit comprendre que les amplitudes des courbes 34 et 36 ne sont données ici qu'à titre d'illustration et qu'elles dépendront de la construction particulière de la batterie utilisée. La figure 5 montre que non seulement les éléments centraux de la batterie stockent moins d'énergie que les éléments extrêmes, mais que l'énergie stockée dans les élé- ments centraux se dissipera plus rapidement que dans les éléments extrêmes Par conséquent, les éléments centraux se déchargeront avant les éléments extrêmes lors d'un cycle unique de charge/décharge Ce déséquilibre entre éléments empirera progressivement lors des cycles ultérieurs à moins que la batterie ne soit totalement déchargée après chaque cycle Même pour les batteries qui sont capables d'être totalement déchargées sans que des effets néfastes se produisent, la décharge prendra davantage de temps et par conséquent diminuera le rendement énergétique qui pourrait être obtenu sans cela, Un autre aspect du problème des courants parasi- tes est leur relation avec le nombre d'éléments d'une batterie qui sont placés électriquement en série Comme on le verra dans la figure 6, les amplitudes des courants parasites n'augmentent pas linéairement avec le nombre d'éléments d'une batterie Au lieu de cela,les amplitu- des des courants parasites augmentent ou sont générale- ment proportionnelles au nombre d'éléments porté au car- ré Par conséquent, une lourde pénalité est payée lors- qu'il est nécessaire de disposer d'un grand nombre d'élé- ments reliés électriquement en série pour obtenir la ten- sion totale de la batterie nécessaire à certaines appli- cations Un véhicule électrique est un exemple d'une tel- 15. le application o la tension nécessaire à la commande des moteurs électriques est typiquement de l'ordre de 100 volts Ainsi, dans la plupart des batteries pouvant être utilisées en source d'énergie d'un véhicule électrique, il faudrait 40 à 80 éléments ou éléments unités qui seraient reliés électriquement en série. En liaison avec la figure 6, on a représenté un modèle de circuit 38 servant à développer une équation qui permet de prévoir les amplitudes des courants parasi- tes d'une batterie Le modèle de circuit 38 comprend quatre sources de tension indépendantes Vc et cinq résistances électrolytiques R% dont l'une des extrémités est reliée à une ligne 40 Par conséquent, le modèle de circuit 38 repré- sente en général une partie du modèle de circuit de bat- terie 12 de la figure 2 Chaque noeud du modèle de circuit 38 est identifié par un symbole de tension, par exemple V m pour le noeud situé sur la ligne 40, et par V O à V 4 pour les noeuds restants du modèle de circuit De même, le cou- rant parasite circulant dans les éléments est identifié par les symboles de courant 1 à 14 On peut calculer les courants à partir des équations suivantes: Vm Vo( 1) Vl -V V 1 V I 2 R O ( 2) 2 Ro + Ro Vm VO Vm () 2 I 3 = + + m R 2 ( 3) I 3R + R + R O o O V vo v VI V V 2 v V 3 ( 4) 4 = R R R R Ro oo La demi-tension Vm peut être tirée de l'équation suivante: N V 2 c + VO ( 5) o N est le nombre total d'élément reliés électriquement en série Si l'on suppose que la tension VO est égale à zéro volt, l'équation ( 5) devient alors: 16, N Vc C ( 6) Vm = 2 En outre, dans cette hypothèse, les tensions V 1 à V 4 peu- vent être calculées à partir des équations suivantes: V 1 = 1 Vc, V 2 = 2 Vc, V 3 = 3 Vc, et V 4 = 4 V ( 7) En portant les équations ( 6) et ( 7) dans l'équation ( 4), l'expression du courant 14 devient: N.V V V V = 4 c ( 8) I 4 2 R 2 'Q O RO Cette équation peut être généralisée pour déterminer ler courant parasite circulant dans l'un quelconque des élé- ments de la batterie, par exemple le courant traversant l'élément K: N.V Vc 1 K K Ik = K 2 R K * o o K=O Cette équation peut être simplifiée en la modifiant d'abord ( 9) k K = zk Vc % o Ro K=O L'expression équivalente suivante l'équation ( 10): K=K K K=O et l'expression du courant Ik dev: N.V V c K (K ik =: K'2 c c _ k 2 R RO* 2 V K + R K ( 10) 0 ( O est alors portée dans ( 11) Lent: + 1) Vc R- x O ( 12) Une nouvelle simplification de l'équation ( 12) donne: N.V Vc K VK V K -K c c c+ c 3 k = K 2 R 2 R 2 Ro R ( 13) o o N.V V K 2 V K I-K O c + c K 2 c 2 ( 14) k 20-R R Comme la perte maximum par courant parasite se produit au centre de la batterie, l'équation ( 14) peut encore être simplifiée en calculant le courant parasite circulant dans : 2507390 17. l'un des éléments centraux Par conséquent, la valeur pour l'élément K devient: K N K =,N ( 15) En portant l'équation ( 15) dans l'équation ( 14), le courant parasite Ik circulant dans l'élément central K devient: 2 2 N 2V V N 2 V N c c c Ik(max) 4 Ro 8 R 4 ( 16) 8.o O 4 RO N 2 Vc N V Ik(max) = __ 8 R ( 17) o 4 Rc Cependant, lorsque le nombre total N d'éléments reliés électriquement en série est relativement important, par exemple de 40 à 80, l'équation ( 17) permettant de détermi- ner le courant parasite maximum circulant dans la batterie peut être déterminé avec une certaine approximation en supprimant le second terme de l'équation Par conséquent l'équation ( 17) peut être modifiée pour donner: N Vc Ik(max) = 8 R ( 18) Ainsi, on peut voir que l'amplitude du courant parasite est proportionnelle au nombre d'éléments de la batterie porté au carré On peut voir également au moyen d'une ana- lyse similaire que le courant parasite da aux deux trajets électrolytiques d'alimentation des éléments en électroly- te et de retour de l'électrolyte au réservoir peut être calculé de façon approximative à partir de l'équation sui- vante: N 2 V c 1 + 1 + ( 19) Ik(max) = 8 1 R Ri o i En liaison avec la figure 7, on a représenté un schéma d'un circuit 42 de batterie comportant soixante élé- ments selon la présente invention Le circuit de batterie 42 comporte deux ensembles d'éléments ou groupes d'élé- ments 44 et 46, avec les éléments de chaque groupe reliés électriquement en série Le groupe d'éléments 44 comprend 18. une borne négative 48 et une borne positive 50 De même, le groupe d'éléments 46 comprend une borne négative 52 et une borne positive 54 Ces bornes peuvent être de n'im- porte quelle construction appropriée et n'ont seulement qu'à constituer des points de connexion disponibles exté- rieurement, grâce à quoi les groupes d'éléments 44 et 46 peuvent être reliés électriquement de la manière suivante. Relié à la borne négative 48 du groupe d'éléments 44 et à la borne positive 54 du groupe d'éléments 46 se trouve un lo jeu de contacts de relais ou de commutateur K 1 normale- ment ouverts A des fins d'illustration, les bornes 48 et 54 sont destinées à constituer une paire de bornes 56 et 58 auxquelles une source appropriée d'énergie électrique en courant continu peut être reliée de façon à procéder à la charge des groupes d'éléments 44 et 46 Relié à la borne positive 50 du groupe d'éléments 44 et à la borne négati- ve 52 du groupe d'éléments 46 se trouve un jeu de contacts de relais K 2 normalement fermés Relié également aux bor- nes 50 et 52 se trouve un jeu de contacts de relais K 3 nor- malement ouverts en série avec une charge résistive appro- priée 60 servant à la décharge des groupes d'éléments 44 et 46. Le procédé permettant de minimiser les déséquili- bres entre éléments selon la présente invention consiste à faire fonctionner le circuit de batterie 42 de la manière suivante Pendant la charge de la batterie, une source d'énergie électrique en courant continu est branchée aux bornes 56 et 58, et les contacts de relais K 1, K 2 et K 3 sont dans la position représentée en figure 7 C'est-à-dire que les contacts K 1 sont ouverts, les contacts K 2 fermés et les contacts K 3 ouverts Par conséquent, le courant de charge provenant de la source d'énergie traverse le groupe d'éléments 46 en partant de la borne positive 54 jusqu'à la borne négative 52, et traverse le groupe d'éléments 44 à partir de la borne positive 50 jusqu'à la borne négative 48 Pendant la décharge de la batterie, la source d'éner- gie est débranchée des bornes 56 et 58, et les contacts de 19. relais passent à leur position inverse C'est-à-dire que les contacts K 1 sont fermés, les contacts K 2 ouverts, et les contacts K 3 fermés Par conséquent le courant de déchar- ge circule dans le groupe d'éléments 46 entre la borne négative 52 et la borne positive 54, puis traverse le grou- pe d'éléments 44 entre la borne négative 48 et la borne positive 50 Ainsi, on peut-voir que les bornes 50 et 52 des groupes d'éléments 44 et 46 qui étaient reliées élec- triquement pendant la charge de la batterie sont reliées à la charge 60 pendant sa décharge De même, les bornes 48 et 54 des groupes d'éléments 44 et 46 qui étaient reliées aux bornes de la source d'énergie pendant la charge de la batterie sont reliées électriquement ensemble pendant la décharge Par conséquent,, les connexions du groupe d'élé- ments 44 au groupe d'éléments 46 sont inversées lorsque l'on passe de la charge à la décharge Le résultat de cette inversion est que les éléments des groupes 44 et 46 qui étaient-les éléments extrêmes pendant la charge de la bat- terie deviennent des éléments centraux pendant sa décharge. De même,les éléments centraux des groupes 44 et 46 pendant la charge de la batterie deviennent les éléments extrêmes pendant sa décharge Par conséquent, pendant la décharge de la batterie, les groupes 44 et 46 peuvent être considé- rés comme se trouvant dans une séquence inversée. L'effet du procédé précédent permettant de rédui- re les déséquilibres entre éléments est représenté graphi- quement dans la figure 8, qui indique les écarts de courant en pourcentage pendant la charge et la décharge d'une bat- terie comportant soixante éléments Le graphe de la figure 8 peut être rapporté directement au circuit de batterie 42 de la figure 7 en supposant que chacun des groupes d'élé- ments 44 et 46 contient trente éléments reliés électrique- ment en série La courbe 62 représente la diminution du courant servant à la charge des éléments par rapport au courant de charge extérieur fourni par la source d'éner- gie La courbe 62 est la même que la courbe 34 de la figure Par conséquent, on remarquera que le procédé de la pré- 20. sente invention n'a pas d'influence sur les pertes par cou- rant parasite pendant la charge de la batterie La courbe 64 représente l'augmentation du courant utilisé dans la décharge des batteries audessus du courant de décharge extérieur traversant la charge 60 La courbe 64 doit être comparée à la courbe 36 de la figure 5 La courbe 64 re- présente la courbe 36 divisée en deux segments égaux (en- tre les éléments n O 30 et 31), avec les deux segments in- versés Par conséquent,les courbes 62 et 64 montrent que, selon le procédé de la présente invention, les éléments ayant les pertes par courant parasite les plus élevées pendant la charge de la batterie (éléments N O 30 et 31) ont les augmentations par courant parasite les plus fai- bles pendant la décharge de la batterie De même, les éléments ayant les pertes par courant parasite les plus faibles pendant la charge de la batterie (éléments N O 1 et 60) ont les augmentations par courant parasite les plus élevées pendant la décharge de la batterie En liai- son avec le circuit de batterie 42 de la figure 7, les éléments présentant les pertes par courant parasite les plus élevées pendant la charge de la batterie sont les éléments les plus proches de la borne positive 54 du grou- pe d'éléments 46 et les éléments les plus proches de la borne négative 48 du groupe d'éléments 44 De même, les éléments présentant les pertes par courant parasite les plus faibles pendant la charge de la batterie sont les éléments Iés plus proches de la borne positive 50 du grou- pe d'éléments 44 et les éléments les plus proches de la borne négative 52 du groupe d'éléments 46. On remarquera que les courbes représentées dans les figures 5 et 8 sont de nature instantanée et que le déséquilibre entre les élémen*ts sera aussi dans une cer- taine mesure fonction du temps De préférence, les taux de charge et de décharge de la batterie seront tels que les durées de charge et de décharge minimisent le déséquili- bre entre éléments. On notera que le procédé de la présente inven- 21. ti On utilise le fait que les pertes maximum par courant pa- rasite se produisent aux éléments centraux de la batterie. Ainsi,on préfère que la batterie comporte deux ensembles d'éléments qui contiennent un nombre égal d'éléments re- liés électriquement en série Ces deux ensembles d'élé- ments peuvent prendre diverses formes, par exemple avoir la forme des groupes d'éléments 44 et 46 du circuit de bat- terie 42 En variante, chaque ensemble d'éléments peut comprendre une pluralité de groupes d'éléments et les lo groupes d'éléments de chaque ensemble être reliés électri- quement en série ou en parallèle. On notera également que la présente invention s'applique à des batterie secondaires en circuit ouvert ou en attente,par exemple, se trouvant entre les phases de charge et de décharge, Comme indiqué précédemment, tant qu'une batterie est au moins partiellement chargée et qu'il y a suffisamment d'électrolyte dans les conduites pour créer les trajets conducteurs nécessaires et que les deux espèces d'agents réagissants ont accès aux électro- des, des courants parasites circuleront alors Cependant, les courants parasites peuvent être sensiblement réduits en débranchant électriquement les deux ensembles d'élé- ments Ainsi, en figure 7, le groupe d'éléments 44 peut être débranché électriquement du groupe d'éléments 46 par ouverture des contacts de relais K 1, K 2 et K 3 Cela aura pour effet de diviser le nombre d'éléments reliés électri- quement en série dans la batterie de moitié, ce qui se traduira par une réduction importante du courant parasite. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits,elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 22. REVENDICATIONS 1 Procédé permettant de minimiser des déséqui- libres entre éléments dus à des courants parasites dans un dispositif électrochimique secondaire de stockage d'énergie comportant une pluralité d'éléments formés en deux ensem- bles, avec les éléments de chacun des ensembles reliés électriquement en série, et un électrolyte commun communi- quant avec chacun des éléments des ensembles,caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: la charge du dispositif de stockage d'énergie, les ensembles d'éléments étant reliés électriquement en sé- rie; et la décharge du dispositif de stockage d'énergie, les ensembles d'éléments étant de nouveau reliés électrique- ment en série lors d'une séquence inversée. 2 Procédé selon la revendication l,caractérisé en ce que les extrémités des ensembles d'éléments qui étaient reliées ensemble pendant la charge sont branchées aux bor- nes d'une charge pendant la déchargeet les extrémités des ensembles d'éléments qui étaient branchées aux bornes d'une source d'énergie électrique en courant continu pendant la charge sont reliées ensemble pendant la décharge. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments des ensembles d'éléments ayant les pertes par courant parasite les plus élevées pendant la charge ont les augmentations par courant parasite les plus faibles pendant la décharge, et les éléments de l'ensemble d'éléments ayant les pertes par courant parasite les plus faibles pendant la charge ont les augmentations par courant parasite les plus élevées pendant la décharge. 4 Procédé selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que les ensembles d'éléments comprennent chacun un nombre égal d'éléments reliés électriquement en série. Procédé selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que chacun des ensembles d'éléments comprend en ou- tre une pluralité de groupes d'éléments, comprenant chacun une pluralité d'éléments reliés électriquement en série et 23. une borne positive et une borne négative reliées à leurs extrémités opposées. 6 Procédé selon la revendication 5,caractéri- sé en ce que les groupes d'éléments de chacun des ensem- bles d'éléments sont reliés électriquement en série. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les groupes d'éléments de chacun des ensembles d'éléments sont reliés électriquement en parallèle. 8 Procédé selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le dispositif de stockage d'énergie est une batterie secondaire. 9 Procédé selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que l'électrolyte commun de la batterie secondai- re circule dans les éléments. 10 Procédé selon la revendication 9, caractéri- sé en ce que le dispositif de stockage d'énergie est une batterie métal-halogène. 11 Procédé selon la revendication l O,caractéri- sé en ce que la batterie métal-halogène est une batterie zinc-chlorure. 12 Procédé permettant de réduire les déséquili- bres entre éléments dus aux courants parasites dans un dis- positif électrochimique secondaire de stockage d'énergie, comportant au moins un premier et un second groupe d'élé- ments, chacun des groupes d'éléments comportant une plura- lité d'éléments reliés électriquement en série, et une bor- ne positive et une borne négative reliées à leurs extrémi- tés opposées, et un électrolyte commun communiquant avec chacun des éléments des groupes d'éléments, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) la charge du dispositif de stockage d'énergie avec la borne positive du premier groupe d'éléments re- liée à la borne négative du second groupe d'éléments; et (b) la décharge du dispositif de stockage d'éner- gie avec la borne négative du premier groupe d'éléments re- liée à la borne positive du second groupe d'éléments. 13 Procédé selon la revendication 12, caractéri- 24. sé en ce que les éléments des groupes ayant les pertes par courant parasite les plus élevées pendant la charge ont les augmentations par courant parasite les plus faibles pen-. dant la décharge, et les éléments des groupes d'éléments ayant les pertes par courant parasite les plus faibles pen- dant la charge ont lesaugmentations par courant parasite les plus grandes pendant la décharge. 14 Procédé selon la revendication 13, caractéri- sé en ce que les éléments ayant les pertes par courant pa- rasites les plus élevées pendant la charge sont les élé- ments les plus proches de la borne positive du premier groupe d'éléments et les éléments les plus proches de la borne négative du second groupe d'éléments. Procédé selon 1 revendication 14, caractéri- sé en ce que les éléments ayant les pertes par courant pa- rasites les plus faibles pendant la charge sont les élé- ments les plus proches de la borne négative du premier groupe d'éléments et les éléments les plus proches de la borne positive du second groupe d'éléments. 16 Procédé selon la revendication 15,caractéri- sé en ce que chaque groupe d'éléments comprend au moins vingt éléments reliés électriquement en série. 17 Procédé selon la revendication 16, caractéri- sé en ce que chaque groupe d'éléments comprend un nombre égal d'éléments reliés électriquement en série. 18 Procédé selon la revendication 17, caractéri- sé en ce que le dispositif de stockage d'énergie est une batterie métal-halogène. 19 Procédé selon la revendication 18, caracté- 3 Q risé en ce que la batterie métal-halogène est une batterie zincchlorure. Procédé permettant de réduire les déséquili- bres entre éléments dus à des courants parasites dans un dispositifs électrochimique secondaire de stockage d'éner- gie comportant au moins un premier et un second groupe d'éléments, chaque groupe d'éléments comportant une plura- lité d'éléments reliés électriquement en série et une bor- 25. ne positive et'une borne négative reliées à leurs extré- mités opposées, et un électrolyte commun communiquant avec chacun des éléments dans les groupes d'éléments, caractéri- sé en ce qu'il comprend les étapes suivantes (a) le branchement électrique des groupes d'élé- ments en série de façon que la borne extrême positive du premier groupe d'éléments soit reliée à la borne extrême négative du second groupe d'éléments; (b) le branchement d'une source d'énergie élec- trique en courant continu à la borne extrême négative du premier groupe d'éléments et à la borne extrême positive du second groupe d'éléments, et la charge du dispositif de stockage d'énergie; (c) le débranchement de la source d'énergie élec- trique en courant continu après la charge du dispositif de stockage d'énergie; (d) le rebranchement électrique des groupes d'élé- ments en série de façon que la borne extrême négative du premier groupe d'éléments soit reliée à la borne extrême positive-du second groupe d'éléments; et (e) le branchement d'une charge entre la borne ex- trême positive du premier groupe d'éléments et la borne extrême négative du second groupe d'éléments, et la déchar- ge du dispositif de stockage d'énergie. 21 Procédé selon la revendication 20, caracté- risé en ce que les éléments des groupes ayant les pertes par courant parasite les plus élevées pendant la charge ont les augmentations par courant parasite les plus fai- bles pendant la décharge, et les éléments des groupes ayant les pertes par courant parasite les plus faibles pendant la charge ont les augmentations par courant parasi- te les plus élevées pendant la décharge. 22 Procédé selon la revendication 21, caracté- risé en ce que chaque groupe d'éléments comprend un nombre égal d'éléments reliés électriquement en série. 23 Procédé selon la revendication 22, caracté- risé en ce que le dispositif de stockage d'énergie est une 26 2507390 26 - batterie métal-halogène. 24 Procédé selon la revendication 23, caractéri- sé en ce que la batterie métal-halogène est une batterie zinc-chlorure. af