Brevet FR2611088A1 — publié le 19880819

- 1 - DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA CHARGE DE BATTERIES RECHARGEABLES L'invention concerne un dispositif pour le con- trôle de la charge de batteries rechargeables comprenant des moyens électriques de fourniture du courant de charge à la batterie, un premier capteur de température sensible & la tem- pérature de la batterie, un second capteur de température sen- sible & la température ambiante et un dispositif d'arrêt de charge en fin de charge contrôlé par les premier et second capteurs. A la fin du processus de charge des batteries rechargeables notamment les batteries nickel-cadmium, il y a apparition d'une très forte élévation de pression et d'un ac- croissement de température. Si la charge n'est pas arrêtée en temps utile il peut s'ensuivre une détérioration rapide des batteries par surpression et/ou par excès de température. Cet- te élévation de température devient en fin de charge très ra- pide lorsque la charge avoisine 100% de sa capacité. Il est donc nécessaire de stopper la charge lorsque celle-ci avoisine cette valeur maximale. Une méthode envisageable est de suivre la tempé- rature de la batterie. Un dispositif de charge qui a effectué cette opération est connu du document FR 2 467 501 dans lequel les capteurs de température, qui sont des diodes ou des ther- mistances, interviennent selon différentes lois de compensa- tion dans un circuit électronique qui agit sur le dispositif d'arrêt de charge. Or les capteurs de température qui sont utilisés dans ce document sont des composants discrets ayant un encom- brement non négligeable. Ils doivent être disposés dans un support mécanique ce qui fait que leur contact thermique est de mauvaise qualité. Ceci est également vrai dans le cas o 26 1 1088 -2- ces composants sont utilisés d'une manière isolée. D'autre part, les batteries et les chargeurs de batteries sont d'un usage très répandu et ces produits doivent avoir des prix de revient très bon marché. Ceci n'est pas tout & fait le cas des composants discrets cités et de leurs sup- ports. Le problème technique posé est donc de réaliser un dis- positif de charge de batteries ayant des capteurs de tempéra- ture qui permettent un très bon contact thermique avec 1'élé- ment dont on veut déterminer la température, et qui soient d'un coût très faible. La solution & ce problème technique consiste en ce que le premier et le second capteur de tempéra- ture sont déposés sur une feuille mince souple isolante ther- miquement et électriquement, la feuille mince étant disposée autour de la batterie rechargeable afin que le premier capteur détermine la température de la batterie et que le second cap- teur détermine la température ambiante, le dispositif d'arrêt de charge arrêtant la charge de la batterie lorsque l'écart entre les températures déterminées par les deux capteurs a atteint une valeur prédéterminée. Les capteurs peuvent être des résistances séri- graphiées. Elles peuvent être disposées selon un montage en pont de Wheatstone. Le montage du dispositif est fait de telle sorte que le premier capteur soit en contact avec la batterie et le second capteur soit en contact avec un élément du dispositif de charge afin de déterminer la température ambiante. Selon un premier mode de réalisation les deux capteurs sont sérigraphies sur la même face de la feuille min- ce. La feuille mince souple peut être repliée sur elle-même. Dans ce dernier cas chaque capteur peut être isolé de la sour- ce thermique qui ne la concerne pas par deux fois l'épaisseur de la feuille mince. Selon un second mode de réalisation les deux cap- teurs peuvent être sérigraphiés chacun sur une des faces de la feuille mince. Dans ce cas chaque capteur est isolé de la 261 1088 - 3 - source thermique qui ne concerne pas par une simple épaisseur de la feuille mince. La sérigraphie est alors faite en deux opérations. Lorsqu'ils sont montés en pont de Vheatstone, les deux capteurs forment un système différentiel qui peut être utilisé de différentes façons pour déterminer la fin de charge d'une batterie nickel-cadmium selon les caractéristiques ther- miques du boîtier et le comportement de la batterie pour une vitesse de charge donnée. Le type de circuit électronique uti- lisé va dépendre de l'utilisation qui est faite de la mesure de l'écart de température. Dans une première méthode correspondant & un mon- tage électronique simple, on arrête la charge quand la tempé- rature de la batterie dépasse celle de la température ambiante d'une valeur dT donnée. Cette valeur dT est déterminée selon le type de montage thermomécanique (container, boîtier,...) selon le type de batterie, la vitesse de charge... L'invention sera mieux comprise à l'aide des fi- gures suivantes données à titre d'exemple non limitatif, qui représentent: Figure 1 des courbes d'élévation de la tempéra- ture et de la tension d'une batterie nickel-cadmium en fonc- tion du pourcentage de charge. Figure 2: une disposition des capteurs déposés sur le support souple selon l'invention dans un premier mode de réalisation. Figure 3 une autre disposition selon un second mode de réalisation. Figure 4 une autre disposition selon un troi- sième mode de réalisation. Figure 5: un schéma électrique de principe du dispositif de charge de batteries rechargeables selon l'inven- tion. Figure 6: un schéma d'implantation des deux cap- teurs selon un pont de Wheatstone. - 4 - Figure 7: un schéma électrique analogue à celui de la figure 5 avec le schéma d'implantation de la figure 6. Sur la figure 1 sont représentées deux courbes 11, 12 de l'élévation de température d'une batterie respecti- vexent pour des courants de charge de 0,3 C et 1 C, o C re- présente le courant de charge d'une batterie égal à la capaci- té nominale en ampère-heure de la batterie. La courbe 11 indi- que que l'élévation de température reste faible et sensible- ment constante tant que la charge de la batterie n'avoisine pas les 100% de charge. A partir d'environ 100% de charge, l'accroissement de température devient plus important puis la courbe présente un point d'inflexion pour croître moins rapi- dement ensuite. Cet accroissement de température vient du fait que lorsque le processus d'oxydation de l'hydroxyde de nickel est terminé et que la charge est complète, le courant de char- ge est utilisé uniquement pour générer de l'oxygène sur l'é- lectrode positive. Par ailleurs il existe une réaction élec- trochimique à la cathode qui permet de recombiner en tout ou partie de l'oxygène émis à l'anode et ceci avec dégagement de chaleur. La. courbe 12 représente les mêmes mécanismes mais compte tenu du courant de charge beaucoup plus élevé, 1 C, l'élévation de température se produit beaucoup plus rapide- ment. Dans ce cas, le point d'inflexion est déplacé et sa po- sition dépend des caractéristiques dimensionnelles et thermi- ques de la batterie et de son environnement. Aux élévations de températures élevées, une détérioration de la batterie peut apparaître. La courbe 13 représente les variations de la ten- sion à la batterie au cours de la charge. Il apparaît que les variations de température sont beaucoup plus significatives lorsque la charge est aux environs de 100%. Ces courbes 11, 12 d'élévation de température sont représentées pour une tempéra- ture ambiante de 25C. Elles restent sensiblement analogues lorsque la température ambiante est quelconque comprise entre une température basse et une température élevée dans les con- ditions habituelles d'utilisation. Les capteurs de température - 5 - selon l'invention vont donc permettre d'adapter la charge de la batterie à des températures ambiantes différentes en opé- rant en mode différentiel. La figure 2 représente la disposition des cap- teurs 21, 22 de la feuille mince souple 23 par rapport à la batterie 24 et au container de batterie 25. Les épaisseurs des capteurs 21, 22 et de la feuille mince souple 23 sont volon- tairement exagérées sur la figure. La feuille mince souple peut être constituée de kaptons, de polyester, de mylar ou d'autres polymères. Les capteurs 21, 22 sont des résistances sérigraphiées sur la même face de la feuille mince souple. Le diamètre de la batterie 24 et celui du container 25 sont dé- terminés de sorte que la feuille mince souple revêtue de son capteur 21 s'insère à frottements doux dans l'espace entre la batterie 24 et le container 25. Ainsi le capteur 21 est mis en contact thermique avec la batterie 24. L'autre extrémité de la feuille mince souple 23 porte, sur la même face, le second capteur 22. Elle sort de l'espace pour que le capteur 22 soit appliqué sur la paroi externe du container 25 àl'aide du boî- tier non représenté sur la figure du dispositif de charge. La figure 3 représente une autre disposition des éléments. La différence avec la disposition de la figure 2 consiste à disposer le capteur 22 sur la seconde face de la feuille mince souple 23. Le capteur 22 est ainsi en contact thermique avec le boîtier du dispositif de charge. La figure 4 représente une autre disposition des éléments. Dans ce cas les deux capteurs 21, 22 sont sérigra- phiés sur la même face de la feuille mince souple 23. Comme précédemment le capteur 21 est en contact avec la batterie 24, mais ici le capteur 22 est en contact avec la face interne du container 25. Ainsi l'espace situé entre le container 25 et la batterie 24 est déterminé afin que la feuille mince souple puisse s'y insérer en étant repliée sur elle-méme. La pliure 26 peut rester accessible pour faciliter le montage et le dé- montage des éléments. Par analogie avec les représentations - 6 - des figures 2 et 3 le capteur 22 disposé sur la feuille re- pliée peut être situé à l'extérieur du container et déterminer soit la température du container soit la température du boî- tier du dispositif de charge. os05 Les figures 2 et 4 indiquent une solution o les deux capteurs sont disposés sur la méme face de la feuil-. le mince souple. Ceci présente un avantage pour réaliser la sérigraphie. Dans le cas de la figure 3, o les capteurs sont déposés sur des faces différentes, il peut être nécessaire selon le dessin des connexions de prévoir par exemple des trous pour passer les connexions à travers la feuille mince souple. La feuille mince souple étant isolante thermiquement et électriquement, chaque capteur se trouve ainsi isolé ther- miquement de l'élément dont il n'a pas à déterminer la tempé- rature. Les figures 2, 3 et 4 sont représentées avec une batterie et un container à section circulaire, mais une sec- tion autre convient également. La figure 5 représente un schéma électrique du dispositif de charge de batteries selon l'invention. Les deux capteurs sont par exemple formés chacun d'une résistance qui varie avec la température. Chaque résistance, reliée à une alimentation électrique, est réunie à un amplificateur opéra- tionnel 51 qui délivre un signal d'écart de température qui est introduit dans un comparateur 52. La seconde entrée du comparateur est reliée au point commun d'un pont diviseur ré- sistif 53, 54. Le comparateur 52 excite le bobinage 55 d'un relais 56 dont le contacteur 57 agit sur les moyens électri- ques de fourniture de courant de charge 58 qui alimentent la batterie 24. Le pont diviseur résistif 53, 54 détermine une tension électrique représentative de la valeur prédéterminée & laquelle on veut modifier le courant de charge. Cette va- leur prédéterminée est déterminée à l'aide, par exemple, des courbes d'élévation de température telles les courbes 11, 12 de la figure 1. Selon les dimensions, les capacités calorifi- -7- ques, les échanges thermiques à la fois de la batterie 24, du container 25 ainsi que du boîtier du dispositif de charge, les équilibres thermiques avec le milieu environnant seront spéci- fiques à chaque dispositif. Pour cela, pour différents cou- rants de charge, on trace différentes courbes d'élévation de température de la batterie dans son container et dans son boî- tier. Selon les souhaits de l'utilisateur une charge plus ou moins rapide sera recherchée, ce qui déterminera le courant de charge désiré. L'élévation de température pour une charge de 100% peut alors-être déterminée sur ces courbes et constituer l'écart de température recherché pour déterminer le pont divi- seur résistif 53, 54 de la figure 5. Cet écart est par exemple de 12 pour un courant de 1 C sur la figure 1. L'écart par rapport à la température ambiante ainsi déterminée constitue par exemple la valeur prédéterminée. Préférentiellement l'invention utilise des cap- teurs 21, 22 formés chacun de deux résistances dont les va- leurs varient de façon appréciable avec la température, l'en- semble étant monté sous la forme d'un pont-de Wheatstone. La figure 6 représente un capteur 21 formé des résistances R1 et R3 et un capteur 22 formé des résistances R2 et R4. Ces résis- tances sont disposées en série en boucle selon l'ordre R1, R2, R3, R4. Le pont de Wheastone ainsi obtenu est alimenté selon une diagonale et délivre un signal de déséquilibre e selon l'autre diagonale. Il est possible de disposer un potentiomè- tre R5 pour tenir compte des petites variations de résistances dues à la réalisation ou au vieillissement et équilibrer ain- si le pont en l'absence d'effet thermique. Les quatre résis- tances R1, R2, R3, R4 sont disposées sur la feuille mince sou- ple 23. Si Rt et R3 sont les résistances en contact avec la batterie et R2 et R4 les résistances en contact avec la température ambiante, on a un signal e égal &: e = Y (dR1 + dR3 _ dR2 _ dR4) 4 R1 R3 R2 R4 26 1 1088 -8- o v est l'alimentation du pont de Wheatstone. Un équilibrage du pont peut être réalisé au début de la mesure. Les résistan- ces varient en fonction de la température. Par simplification on peut considérer que ces variations relatives sont linéaires de la forme dR/R = aT. Si par ailleurs les résistances R1 et R3 d'une part, et R2 et R4 d'autre part, varient de la même façon on a: e = Y (2aT1 - 2aT2) soit e = Y a (T1 - T2). Cette équation indique que le capteur est un capteur différen- tiel qui délivre un signal dépendant de l'écart entre la tem- pérature de la batterie et la température ambiante. L'évolu- tion du signal en fonction du temps de charge dépend des ca- ractéristiques thermiques du boîtier, de la vitesse de char- ge,... Toutes choses égales par ailleurs, la détermination d'une fin de charge sera beaucoup moins influencée par la tem- pérature ambiante avec une mesure de température différentiel- le. Le schéma de la figure 6 peut être utilisé dans le schéma de la figure 5 pour obtenir celui de la figure 7. La tension de déséquilibre du pont est introduite dans un ampli- ficateur 59 qui délivre un signal au comparateur 52. Au lieu du potentiomètre R5 de la figure 6 il est possible sur la fi- gure 7 d'introduire un signal de compensation 60 sur l'ampli- ficateur 59. Les autres éléments sont identiques à ceux de la figure 5. L'invention vient d'être décrite en utilisant une valeur prédéterminée choisie à partir de courbes d'élévation de température de la batterie préalablement établie en lui donnant une valeur fixe. Il est également possible d'utiliser la mesure de l'écart de température que permet l'invention se- lon un autre critère. Ainsi, il est constaté sur les courbes de la figure 1 que la courbe de l'élévation de température -9 - présente un point d'inflexion lorsque la charge est voisine de %. Il est donc possible d'exploiter l'écart de température déterminé par l'invention en déterminant ce point d'inflexion et en arrètant la charge de la batterie quand ce point d'in- flexion est atteint. Ceci peut être par exemple effectué à l'aide d'un microprocesseur qui détermine en temps réel dans des conditions d'utilisation réelle l'écart de température re- présenté sur la figure 1 et détermine les variations de cet écart à des temps régulièrement espacés. Lorsque le dispositif de charge contient deux batteries, il est possible de disposer la résistance R1 sur une batterie et la résistance R3 sur l'autre batterie, afin que le dispositif de contrôle de charge se déclenche sur la batterie qui chauffe le plus vite. D'autre part, l'intervention du dispositif d'ar- rêt de charge peut s'opérer par tout ou rien ou par une réduc- tion progressive du courant de charge. Un microprocesseur peut permettre de rendre automatique les différentes réductions de courant de charge et délivrer la tension de compensation des- tinée à compenser des variations des signaux dues au vieillis- sement des résistances. - 10 - REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le contrôle de la charge de bat- teries rechargeables comprenant des moyens électriques de fourniture de courant de charge & la batterie, un premier cap- teur de température sensible à ia température de la batterie, un second capteur de température sensible à la température am- biante et un dispositif d'arrêt de charge en fin de charge contrôlé par les premier et second capteurs, caractérisé en ce que le premier et le second capteurs de température sont déposés sur une feuille mince souple isolante thermiquement et électriquement, la feuille mince étant disposée autour de la batterie rechargeable afin que le premier capteur détermine la température de la batterie et que le second capteur déter- mine la température ambiante, le dispositif d'arrêt de charge arrêtant la charge de la batterie lorsque l'écart entre les températures déterminées par les deux capteurs a atteint une valeur prédéterminée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs sont constitués de résistances sérigra- phiées. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les capteurs sont réalisés selon un montage en pont de Wheatstone. 4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier capteur est en contact avec la batterie et le second capteur est en contact avec un élé- ment du dispositif de charge afin de déterminer la température ambiante. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux capteurs sont situés chacun sur une des fa- ces de la feuille mince souple. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux capteurs sont montés sur la même face de la feuille mince souple. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé - 11 - en ce que la feuille mince souple est repliée sur elle-même. 8. Dispositif selon une des-revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'élément du dispositif est le container de la batterie.