Brevet FR2722031A1 — publié le 19960105

Dispositif régulateur pour batterie d'accumulateurs électriques. L'invention concerne un dispositif régulateur pour batterie d'accumulateurs électriques et en particulier pour batterie 5 dont la tension est fonction de l'état de charge, comme notamment les batteries du type à couple lithium ion. Il est connu que certaines batteries et en particulier celles du type évoqué ci-dessus supportent mal les décharges profondes et les surcharges, il faut donc prendre des10 précautions particulières pour éviter celles-ci en cours d'exploitation, notamment lorsque ces batteries comportent des éléments raccordés en série. En effet, pour diverses raisons connues, les divers éléments constitutifs d'une même batterie ne fonctionnent pas tous15 exactement dans les mêmes conditions et ne vieillissent pas tous de manière identique, il n'est souvent plus suffisant de contrôler le fonctionnement d'une batterie à partir de mesures électriques effectuées en cours d'utilisation au niveau de ses bornes d'extrémité.20 En effet, en particulier dans le cas de batteries comportant des éléments en série, les minimes différences existant initialement entre éléments tendent à se creuser au fur et à mesure de l'exploitation au détriment des éléments les moins performants dont la dégradation entraîne plus ou moins25 rapidement celle des autres éléments. Il est donc connu d'associer des mesures effectuées élément par élément aux mesures déjà effectuées au niveau des bornes d'extrémité pour une batterie, afin de pouvoir agir sur la batterie en cours d'exploitation, tant en cours de charge30 qu'en cours de décharge, en fonction des comportements respectifs des éléments pris individuellement et de celui de l'ensemble que composent ces éléments. Il est également connu d'effectuer les mêmes opérations au niveau de modules identiquement composés d'un même nombre d'éléments dans le35 cas de batteries comportant de grands nombres d'éléments. L'invention propose donc un dispositif régulateur pour f batterie d'accumulateurs électriques, notamment pour batterie dont la tension est fonction de l'état de charge et qui est constituée de "n" modules identiques raccordés en série. 5 Selon une première caractéristique de l'invention, ce dispositif comporte "n-l" modules de régulation respectivement affectés chacun à deux modules de batterie qui sont raccordés en série, chaque module de régulation comportant des moyens régulateurs pour amener la tension aux10 bornes de chacun des deux modules de batterie en série auxquels il est associé à une même valeur par dérivation d'un courant pris aux bornes de celui dont la tension est la plus forte jusqu'à abaissement de cette tension plus forte jusqu'à la valeur présente aux bornes du module dont la15 tension est la plus faible. Selon une seconde caractéristique, le dispositif comporte de plus des moyens pour limiter le courant de charge fourni à la batterie au-delà d'un seuil maximal déterminé d'intensité du courant dérivé par un module de régulation à partir d'un20 des deux modules de batterie en série auquel il est affecté, chaque module de régulation disposant de moyens pour déterminer le franchissement d'un tel seuil et de moyens pour commander en conséquence les moyens de limitation de courant de charge.25 Selon une troisième caractéristique, le dispositif comporte des moyens régulateurs, incorporés dans chaque module de régulation, qui comprennent un montage constitué autour d'un amplificateur opérationnel et de résistances pour comparer les tensions présentes aux bornes des deux modules de30 batterie en série auxquels ce module de régulation est affecté, et des moyens de commutation alternativement commandés, l'un ou l'autre, suivant la polarité de la tension présente en sortie du montage comparateur pour brancher une résistance d'équilibrage aux bornes de celui35 des deux modules de batterie en série aux bornes duquel la tension est la plus forte. Selon une quatrième caractéristique, le dispositif comporte des moyens de limitation de courant de charge constitués par un montage comprenant au moins un transistor de limitation qui est inséré entre une des deux bornes d'extrémité de la 5 batterie prévue pour le raccordement d'une charge et une des deux bornes, prévues pour le raccordement d'un chargeur, qui a même polarité qu'elle, en ce que ce montage est commandé au travers de deux transistors intermédiaires alternativement commandés, l'un ou l'autre, suivant la10 polarité de la tension présente en sortie de l'amplificateur opérationnel du montage comparateur et au delà d'un seuil maximal d'intensité de courant dérivé au moment par celle des résistances d'équilibrage alors alimentée et en ce que chacun des transistors intermédiaires est associé à au moins15 un transistor complémentaire lui permettant d'agir séparément sur le transistor de limitation. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci- dessous.20 La figure 1 présente un schéma montrant une batterie équipée d'un dispositif régulateur selon l'invention. La figure 2 présente un schéma d'une batterie équipée d'une variante de dispositif régulateur selon l'invention. La batterie d'accumulateurs électriques O présentée en25 figure 1 est supposée comporter un nombre entier "n" de modules qui sont raccordés en série entre deux bornes 1 et 2, l'une positive et l'autre négative, auxquelles il est possible de raccorder une charge et/ou un chargeur non représentés. Chaque module est préférablement composé d'un30 seul élément, bien qu'il soit possible de grouper plusieurs éléments en série et/ou en parallèle dans un même module. Les "n" modules, ici à un élément, de la batterie O qui sont au nombre de trois dans l'exemple envisagé, sont ici référencés 3, 4 et 5, ils sont associés à un dispositif de35 régulation 6 selon l'invention. Ce dispositif de régulation est à structure modulaire et comporte "n-l" modules de régulation identiques qui sont associés chacun à un couple de modules de batterie interconnectés, soit deux modules de régulation 7 et 8, identiques, associés l'un aux modules 3, 4 et l'autre aux modules 4, 5, dans l'exemple ici envisagé. Chaque module de régulation réalise ici un équilibrage de l'état de charge entre les deux modules de batterie auxquels il est associé, en assurant un équilibrage permanent en tension à leur niveau. A cet effet, un montage comparateur prend en compte les deux tensions présentes aux bornes des modules de batterie en série auxquels chaque module de10 régulation est associé, telles les tensions aux bornes des modules 3 et 4 dans le cas du module de régulation 7. Ce montage comparateur est par exemple réalisé au moyen d'un amplificateur opérationnel, référencé 9 dans le cas du module régulateur 7, et d'un pont diviseur à résistances,15 égales, référencées 10 et 11 pour ce module 7. La tension présente aux bornes de l'ensemble formé par les modules de batterie 3, 4 est appliqué aux bornes du pont diviseur à résistances 10, 11 dont le point milieu est relié à une borne non-inverseuse de l'amplificateur 9. Ce dernier a par20 ailleurs une borne inverseuse reliée au point commun aux deux modules de batterie 3, 4 évoqués ci-dessus, via une résistance 12. La sortie de l'amplificateur 9 est reliée à un point commun à deux résistances 13, 14 qui sont par ailleurs reliées l'une à la base d'un transistor 15, de type NPN, et l'autre à al base d'un transistor 16, de type PNP. Ces deux transistors sont reliés en série par leurs liaisons émetteur-collecteur respectives aux bornes extrêmes de l'ensemble formé par les deux modules de batterie 3, 4 en série, ils ont leurs collecteurs respectivement reliés, via des résistances 17 ou 18, à la borne 1 positive de la batterie et du module d'extrémité 3 en ce qui concerne le transistor 15 et à la borne négative du module 4 en ce qui concerne le transistor 16.35 De plus un point commun aux émetteurs des transistors 15 et 16 est relié au point commun aux modules 3 et 4, ces deux points étant de ce fait au même potentiel. Tout déséquilibre en tension entre les modules 3, 4 conduit donc à la mise en décharge de celui de ces modules aux bornes duquel est présente la tension la plus élevée, par 5 exemple à la mise en décharge du module 4 via la résistance 18 et le transistor 16, si la tension aux bornes de cet élément 4 est déterminée supérieure à celle présente aux bornes du module 3 par le montage comparateur organisé autour de l'amplificateur 9.10 Afin d'éviter une décharge parasite de l'un de ses modules 3, 4 occasionnée par une erreur de mesure portant sur la différence de tension entre modules qui serait due à la tension de décalage, couramment dite "d'offset", du montage comparateur et/ou à l'imprécision des résistances 10, 11 du15 diviseur, il est prévu un seuil de tension pour le comparateur agencé à cet effet en amplificateur. Un gain est donc fixé au niveau de l'amplificateur 9 par l'intermédiaire de la résistance 12 et d'une résistance de contre- réaction 19 connectée entre la sortie de l'amplificateur 9 et l'entrée inverseuse de ce dernier. La mise en conduction de l'un ou l'autre des transistors 15, 16 ne peut avoir lieu qu'à partir du moment o il existe une différence de tension entre les modules 3 et 4 qui est supérieure à une valeur égale à la tension émetteur-base de celui de ces transistors qui est alors susceptible d'être commandé passant, divisée par le gain de l'amplificateur 9. Le module de régulation 8 qui est ici identique au module de régulation 7 assure donc vis-à-vis des modules 4 et 5, les fonctions réalisées par ce module de régulation 7 vis-à-vis30 des modules 3 et 4. En conséquence la tension et la charge de chacun des modules 3, 4, 5 tendent à s'uniformiser sur les références que fixe celui de ces modules qui présente la tension et donc la charge la plus basse. Le dispositif régulateur 6 est susceptible d'être maintenu opérationnel en35 permanence tant en cours de charge que de décharge, si désiré, étant entendu qu'il peut aussi n'être activé que de manière temporaire par adjonction de moyens de commutation usuels appropriés qui ne sont pas figurés ici. La simple adjonction de modules de régulation supplémentaires au dispositif de régulation 6 proposé ci- 5 dessus pour une batterie à trois modules en série permet d'adapter ce dispositif de régulation à toute batterie comportant un nombre de modules en série plus grand, la présence de tout élément série supplémentaire impliquant l'adjonction d'un module de régulation supplémentaire au10 dispositif qui comporte donc "n-1" modules de régulation pour "n" modules de batterie. Le dispositif de régulation tel qu'évoqué ci-dessus peut toutefois s'avérer insuffisant si le courant de charge qui est susceptible d'être fourni à un élément excède celui qui15 est susceptible d'être dérivé à des fins d'équilibrage par un des transistors 15 ou 16, via la résistance 17 ou 18 associée à lui. En effet, sans précaution particulière, le module de régulation associé à un élément de batterie ne suffit pas à éviter que cet élément soit surchargé lorsqu'il20 a été totalement chargé. Comme le courant de charge fourni à cet élément ne peut qu'être partiellement dérivé, il subsiste un courant en direction du module que ce courant vient inutilement surcharger. Une solution à ce problème est décrite ci-dessous en liaison avec la figure 2.25 Une partie du montage précédent se retrouve sur la figure 2 o est à nouveau montrée une batterie ayant "n" modules qui sont raccordés en série entre deux bornes 1' et 2', l'une positive et l'autre négative, auxquelles il est prévu de raccorder une charge, chaque module correspondant30 préférablement à un seul élément de batterie, comme indiqué plus haut. Comme précédemment, le nombre "n" de modules de batterie présenté en figure 2 est limité à trois modules série qui sont référencés 3', 4', 5' et qui sont associés à un35 dispositif de régulation 6'. Ce dispositif comporte "n-l" modules de régulation identiques représentés ici par deux modules de régulation référencés 7' et 8', il comporte aussi un circuit complémentaire commun 3' qui est prévu pour se raccorder entre la borne négative 2' de la batterie et une borne négative 2" qui est prévue pour servir au raccordement 5 d'un chargeur avec la borne positive 1'. Le module de régulation 7' correspond à un module de régulation 7, ou 8, tel que défini ci-dessus auquel ont été ajoutés des composants complémentaires, il comporte donc un amplificateur opérationnel 9', des résistances 10' à 14',10 17', 18', 19' et deux transistors 15', 16' qui sont agencés et qui ont les mêmes fonctions que les éléments constitutifs 9 à 19 correspondants d'un module de régulation 6. Lorsque la batterie est en cours de charge, via les bornes 1' et 2", par l'intermédiaire d'un chargeur non représenté et que le courant maximum Im qui est susceptible d'être dérivé par l'une ou l'autre des résistances d'équilibrage 17' ou 18' est atteint, la tension en sortie de l'amplificateur 9' devient soit très positive, soit très négative, suivant le module de batterie dont le courant de20 charge est alors dérivé à des fins d'équilibrage. Selon l'invention on dispose un transistor 20' de limitation de courant de charge, ici de type MOS à déplétion et canal P, connecté à la borne négative 2' de la batterie par son drain, à la borne négative 2" de raccordement de chargeur25 par sa source et à la borne positive 1' de la batterie par sa grille, via une résistance de polarisation 30'. Ce transistor 20' permet de réduire progressivement, jusqu'au blocage, le courant de charge de la batterie, lorsque la valeur de courant maximum Im est atteinte au niveau d'une30 des résistances d'équilibrage 17' ou 18' du module de régulation 7' ou d'une des résistances équivalentes, non représentées, de l'un des autres modules de régulation du dispositif 6'. A cet effet, le transistor de limitation 20' a sa grille reliée au drain d'un transistor 21', ici de même35 type avec lequel il est ici associé en un montage amplificateur o ces deux transistors ont leurs sources connectées à la borne 2", et o la grille du transistor 21' est susceptible d'être commandée par chacun des modules de régulation du dispositif 6', comme précisé ci-dessous. Au niveau de chaque module de régulation et en particulier 5 du module 7', la grille du transistor 21' est ici raccordée aux drains respectifs de deux transistors de régulation 22', 23' de type MOS à canal P. Ces transistors sont respectivement actifs chacun pour un module de batterie différent; ils ont leurs sources respectives reliées à la10 borne positive 1' de la batterie et leurs grilles respectives qui sont polarisées par des résistances 24' et ' vis-à-vis de cette borne positive 1'. Deux transistors 26' et 27', complémentaires, ici de type MOS, le premier à canal N et le second à canal P, assurent chacun le contrôle d'un des transistors complémentaires de régulation 22', 23'. Ces transistors 26', 27' sont reliés en série entre la borne positive 1' à laquelle est reliée le module 3' et la borne négative du module 4'. A cet effet, le drain du transistor 26' est relié à la borne 1', via la résistance 24', la source de ce même transistor est reliée à la source du transistor 27' et au point commun aux émetteurs des transistors 15', 16'; le drain du transistor 27' est relié à la borne négative du module 4', via une résistance 28'. La sortie de l'amplificateur 9 agit simultanément sur les25 grilles respectives des transistors 26' et 27' et commande l'un ou l'autre d'entre eux en fonction de la polarité du signal présent au niveau de cette sortie d'amplificateur 9 et donc de celui des modules 3' et 4' pour lequel une réduction de courant de charge est nécessaire.30 Le transistor 26' est relié par son drain à la grille du transistor de régulation 22' qu'il rend passant lorsque lui- même l'est. Le transistor 27', dit intermédiaire, est relié par son drain à la grille d'un transistor de régulation 29', de même35 type que le transistor 26', et à la résistance 28', comme indiqué plus haut. Le transistor 29' est relié par sa source à la borne négative du module 4' et par son drain à la grille du transistor 23' qu'il commande passant lorsqu'il l'est lui-même, c'est-à-dire lorsque le transistor 27' est commandé passant par le signal de sortie de l'amplificateur 5 9. Lorsque le courant dérivé par l'un ou l'autre des transistors 15', 16' atteint la valeur maximale fixée par les résistances d'équilibrage 17', 18' et qu'en conséquence le signal de sortie de l'amplificateur 9 est soit fortement10 positif, soit fortement négatif, il y a mise en conduction soit du transistor 26' soit alternativement du transistor 27'. La mise en conduction du transistor 26' entraîne celle du transistor 22', alors que celle du transistor 27' entraîne celle du transistor 29' et par conséquent celle du15 transistor 23'. Les conductions respectives des transistors 22', 23' permettent chacune de contrôler la conduction du transistor 21' et en conséquence l'action du transistor de limitation 20' jusqu'au blocage du courant de charge, si besoin est.20 La commande du transistor de limitation 20' à l'état bloquant par le transistor 21' est sans effet sur le processus de décharge de la batterie, si cette décharge s'effectue via la borne 2" et dans la mesure o elle est susceptible de s'effectuer via la diode interne 31'25 symbolisée avec des connections en pointillé que comporte ce transistor 20'. De même que précédemment la tension et par conséquent la charge des "n" modules d'une batterie associée à un dispositif de régulation, tel que 6', tendent donc à30 s'uniformiser dans les conditions déjà évoquées plus haut et ce tant en cours de charge que de décharge, si désiré. Les dispositifs régulateurs 6, 6' assurent un équilibrage permanent entre modules de batterie tant en phase charge, qu'en phase de décharge ou repos, leur exploitation de façon35 temporaire n'implique que l'adjonction de moyens appropriés de commutation pour leur mise en et hors service. REVENDICATIONS 1/ Dispositif régulateur pour batterie d'accumulateurs électriques et notamment pour batterie (0) dont la tension est fonction de l'état de charge et qui est constituée de "n" modules identiques raccordés en série entre les bornes d'extrémité (1, 2) de cette batterie, caractérisé en ce qu'il comporte "n-1" modules de régulation (7, 8) respectivement affectés chacun à deux modules de batterie qui sont raccordés en série, chaque module de régulation10 comportant des moyens régulateurs (10 à 19) pour amener la tension aux bornes de chacun des deux modules de batterie en série auxquels il est associé à une même valeur par dérivation d'un courant pris aux bornes de celui dont la tension est la plus forte jusqu'à abaissement de cette15 tension plus forte jusqu'à la valeur présente aux bornes du module dont la tension est la plus faible. 2/ Dispositif régulateur, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens (20', 21')pour limiter le courant de charge fourni à la batterie (0') au-delà d'un seuil maximal déterminé d'intensité du courant dérivé par un module de régulation (7' ou 8') à partir d'un des deux modules de batterie en série auquel il est affecté, chaque module de régulation disposant de moyens (9', 26', 27') pour déterminer le franchissement d'un tel seuil et de moyens (22' et 23', 29') pour commander en conséquence les moyens de limitation de courant de charge (20', 21'). 3/ Dispositif régulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens régulateurs, incorporés dans chaque module de régulation, qui comprennent un montage constitué autour d'un amplificateur opérationnel (9) et de résistances (10, 11) pour comparer les tensions présentes aux bornes des deux modules de batterie en série auxquels ce module de régulation est affecté, et des moyens35 de commutation (15, 16) alternativement commandés, l'un ou l'autre, suivant la polarité de la tension présente en sortie du montage comparateur pour brancher une résistance d'équilibrage (17 ou 18) aux bornes de celui des deux modules de batterie en série aux bornes duquel la tension est la plus forte.5 4/ Dispositif régulateur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de limitation de courant de charge constitués par un montage comprenant au moins un transistor de limitation (20') qui est inséré entre une des deux bornes d'extrémité de la batterie (2') prévue10 pour le raccordement d'une charge et une (2") des deux bornes, prévues pour le raccordement d'un chargeur, qui a même polarité qu'elle, en ce que ce montage est commandé au travers de deux transistors intermédiaires (26', 27') alternativement commandés, l'un ou l'autre, suivant la15 polarité de la tension présente en sortie de l'amplificateur opérationnel (9') du montage comparateur et au delà d'un seuil maximal d'intensité de courant dérivé au moment par celle des résistances d'équilibrage (17' ou 18') alors alimentée et en ce que chacun des transistors intermédiaires20 est associé à au moins un transistor complémentaire (22' ou 23' et 29') lui permettant d'agir séparément sur le transistor de limitation (20'). / Dispositif régulateur, selon au moins l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il assure un équilibrage permanent entre modules de batterie en phase charge, décharge et/ou repos.