Brevet FR2742601A1 — publié le 19970620

SYSTEME GESTIONNAIRE DE BATTERIE D'ACCUMULATEURS L'invention concerne les batteries d'accumulateurs et, plus particulièrement, pour de telles batteries, un système pour surveiller et gérer leur état sous tous les aspects. Les batteries d'accumulateurs sont utilisées dans de nombreux appareils électriques et électroniques et, notamment, dans les véhicules électriques pour alimenter le ou les moteurs électriques de propulsion ou traction du véhicule. La demande de brevet français publiée sous le NO 2 691 019 décrit un système d'interface entre une batterie d'accumulateurs et des récepteurs consommateurs d'électricité que sont le moteur électrique de propulsion ou traction, le réseau électrique basse tension du véhicule ou des sources d'énergie par l'intermédiaire d'un chargeur de batterie. Cette demande de brevet français précitée ne traite pas de tous les aspects qui sont d'importance pour la batterie tels que - la température de la batterie et son maintien à une température appropriée, - la ventilation de la batterie pour évacuer les gaz de la réaction électrochimique, et pour la maintenir à une température appropriée, - le fonctionnement électrochimique de la batterie et son besoin éventuel en eau, - la puissance débitée, - la surveillance des monoblocs constituant la batterie d'accumulateurs, et - l'isolement électrique de la batterie pour protéger la batterie et l'usager. Le but de la présente invention est donc un système gestionnaire de batterie d'accumulateurs qui permet de contrôler l'ensemble des paramètres de la batterie en fonction de mesures effectuées par des capteurs de courant, de tension, d'isolement électrique et de température de manière à maintenir la batterie dans le meilleur état de fonctionnement possible eu égard aux contraintes de fonctionnement de l'appareil électrique, tel qu'un véhicule électrique, dont elle est la source d'énergie. L'invention concerne un système gestionnaire de batterie d'accumulateurs caractérisé en ce qu'il comprend - un microcontrôleur associé à des mémoires, - au moins un dispositif de contrôle de la recharge de la batterie, - un dispositif de contrôle de la ventilation et du rechauffage de la batterie, - un dispositif de surveillance des monoblocs constituant la batterie, - un dispositif de contrôle de remplissage en eau des monoblocs de la batterie, - des capteurs pour mesurer le courant, la tension, l'isolement électrique et la température de la batterie ainsi que la tension continue d'un réseau électrique basse tension, - un dispositif d'affichage d'informations, - des interfaces d'entrée et de sortie entre le microcontrôleur et le dispositif de contrôle de la recharge de la batterie, le dispositif de contrôle de ventilation et du réchauffage de la batterie, le dispositif de surveillance des tensions des différents monoblocs de la batterie, le dispositif de contrôle du remplissage des monoblocs, le dispositif d'affichage, le réseau électrique basse tension et les capteurs, le microcontrôleur comportant des circuits électroniques et des logiciels appropriés pour traiter les mesures en provenance des capteurs, déterminer l'état de la batterie et mettre en oeuvre des opérations appropriées afin de charger la batterie dans des conditions déterminées, ventiler et/ou réchauffer la batterie, remplir d'eau les monoblocs et afficher des informations relatives à l'état de la batterie et du système. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est un schéma simplifié montrant les éléments électriques principaux d'un véhicule à propulsion ou traction électrique, - la figure 2 est un schéma du système gestionnaire de batterie d'accumulateurs selon l'invention, - la figure 3 est un schéma montrant les fonctions réalisées par le système gestionnaire de batterie d'accumulateurs selon l'invention. Dans les figures, les références identiques désignent les mêmes éléments dans des fonctions identiques. Par ailleurs, lors de la description de la figure 3, il sera fait usage du terme "algorithme" pour réaliser une fonction particulière mais ce terme pourra être remplacé par les termes "logiciel" ou "programme". L'invention sera décrite dans son application à une batterie d'accumulateurs en tant que source d'énergie électrique pour un moteur de véhicule électrique mais il est clair que l'invention est applicable à la surveillance et à la gestion d'une batterie d'accumulateurs pour alimenter un réseau téléphonique, un réseau informatique, ou toute autre installation dont la source d'énergie est électrique. Dans un véhicule électrique 10 (figure 1), une batterie d'accumulateurs 12 alimente un moteur électrique 14 par l'intermédiaire d'un variateur 16 qui reçoit des signaux de commande d'un calculateur 18. La batterie 12 alimente également un réseau électrique 20 dit de servitude à une tension de 12 volts, ce réseau électrique permettant de réaliser un certain nombre de fonctions telles que l'éclairage, le chauffage, la ventilation du véhicule 10, etc. La batterie 12 est rechargée par une source d'énergie 24 extérieure au véhicule 10 par l'intermédiaire d'un dispositif de charge 22 qui est embarqué sur le véhicule 10. Selon l'invention, la batterie d'accumulateurs 12 est surveillée et gérée par un système dont les éléments sont représentés sur le schéma de la figure 2, ce schéma montrant en outre les éléments du véhicule électrique 10 de la figure 1. Les moyens pour apprécier l'état de la batterie 12 comprennent des capteurs 28 qui mesurent le courant I, la tension U et la température T de la batterie. Un quatrième capteur mesure la tension VR du réseau électrique 20, en général VR = 12 volts. Les mesures effectuées par ces capteurs 28 sont transmises à un microcontrôleur 32 par une interface d'entrée 30 qui transforme les valeurs analogiques mesurées en des valeurs numériques qui peuvent être traitées par le microcontrôleur- 32. Ce microcontrôleur 32 comprend essentiellement un microprocesseur associé à des mémoires 34, à un dispositif d'affichage 36 et à une interface de sortie 38. L'interface de sortie 38 transforme les données numériques fournies par le microcontrôleur 32 en des signaux électriques qui sont reconnus par les éléments suivants - le dispositif de contrôle de charge de la batterie 22, - une liaison d'interconnexion 40 avec un calculateur extérieur 60, - une liaison d'interconnexion 42 avec le variateur 16, - une interface 44 de contrôle d'un convertisseur statique continu-continu avec le réseau électrique 20, - une liaison d'interconnexion 46 avec le calculateur 18 du véhicule électrique 10, - un dispositif de contrôle 48 d'un connecteur avec une borne de charge rapide 56, - un dispositif 50 de contrôle de la ventilation et du chauffage de la batterie 12, - un dispositif de contrôle du remplissage 52 en eau de la batterie 12, et - un dispositif de contrôle 54 d'un contacteur principal sur le circuit électrique de la batterie 12. L'interface d'entrée 30 du microcontrôleur 32 reçoit des signaux autres que ceux en provenance des capteurs 28 tels que des signaux dits de service 62 en provenance du dispositif de charge 22 indiquant une charge en cours, du dispositif de remplissage indiquant un besoin en électrolyte ou un niveau suffisant après remplissage et des monoblocs d'accumulateurs 64 indiquant les tensions des monoblocs. Sur cette figure 3, les rectangles aux angles vifs indiquent des fonctions internes au système selon l'invention tandis que le rectangle 422 aux angles arrondis indiquent des actions externes au système. Enfin, les cercles indiquent des paramétrages des blocs fonctionnels associés. Les deux premiers chiffres des références à quatre chiffres indiquent l'élément du schéma de la figure 2 auquel il correspond. Les flèches sur les connexions indiquent le sens du flux des informations. Un bloc fonctionnel 3002 réalise la mise en forme sous forme numérique des variables analogiques d'entrée que sont le courant de batterie I, la tension de batterie U, la température de batterie T et la tension VR du réseau électrique 20 dit de servitude. Ces valeurs numériques sont transmises en tout ou partie à divers autres blocs fonctionnels 36, 40, 46, 414, 406, 408, 400, 404, 410 et 412 qui seront décrits ci-après. Ainsi les valeurs de I, U et T sont transmises au dispositif d'affichage 36 pour présentation au pilote du véhicule. Elles sont également transmises à un bloc fonctionnel 406 appelé "jauge" qui réalise un premier algorithme ou logiciel 3204 permettant d'effectuer un bilan des charges électriques emmagasinées et restituées par la batterie à partir des valeurs de I, U et T et un deuxième algorithme ou logiciel 3206 permettant de recaler le bilan des charges électriques à partir de certains états spécifiques de la batterie. Les paramètres de ces deux logiciels 3204 et 3206 sont entrés par un dispositif de paramétrage PJ. La jauge 406 fournit un état de charge de la batterie 12 en Ampères-heure et en pourcentage de sa capacité réelle ainsi qu'une valeur "d'autonomie énergétique" en pourcentage de l'énergie totale disponible dans la batterie pleinement chargée. Ces différentes valeurs sont transmises au dispositif d'affichage 36 et à d'autres blocs fonctionnels 40, 46, 400, 408, 410 et 412. Un- bloc fonctionnel 408 réalise la gestion des conditions de fonctionnement aux limites de la batterie pour indiquer l'arrivée en fin d'autonomie à l'aide d'un troisième algorithme ou logiciel 3212 et la surcharge à l'aide d'un quatrième algorithme ou logiciel 3214. L'algorithme 3212 est paramétré par un dispositif de paramétrage PA. L'information de fin d'autonomie est transmise au bloc fonctionnel 406 pour le recalage et à un bloc fonctionnel 416 pour la gestion générale des états et modes d'utilisation de la batterie. L'algorithme 3214 est paramétré par un dispositif de paramétrage PS. L'information de surcharge est transmise au bloc fonctionnel de gestion générale 416 et à un bloc fonctionnel de remplissage de la batterie 402. Les troisième et quatrième algorithmes 3212 et 3214 dépendent du type de batterie qui est utilisé. Un bloc fonctionnel 402 réalise la gestion du remplissage en eau de la batterie par un cinquième algorithme ou logiciel 3222 qui détermine les consignes de remplissage, ces consignes étant transmises au dispositif de remplissage 52 par une interface 3802. Par ailleurs, une information est transmise à un dispositif 420 dit de "réveil du système". Un bloc fonctionnel 404 réalise la ventilation et le chauffage de la batterie à l'aide d'un sixième algorithme ou logiciel de gestion 3224 qui élabore les consignes appliquées au dispositif de ventilation/chauffage 50 par 1 l'intermédiaire d'une interface 3804. Un bloc fonctionnel 410 réalise la charge de la batterie à l'aide d'un septième algorithme ou logiciel de gestion 3244 qui élabore une valeur de consigne pour le chargeur embarqué 22 suivant une courbe déterminée. Les paramètres de cet algorithme 3244 sont entrés par un dispositif de paramétrage PC. Cette valeur de consigne est transmise au chargeur 22 par l'intermédiaire d'une interface 3806. Cette interface 3806 fournit également un signal qui déclenche le réveil du système 420. Un bloc fonctionnel 412 réalise la recharge rapide de la batterie à l'aide d'un huitième algorithme ou logiciel 3226 qui élabore une valeur de consigne de charge suivant une courbe déterminée. Les paramètres de cet algorithme 3226 sont entrés par un dispositif de paramétrage PB. Cette valeur de consigne est transmise à la borne de recharge rapide 56 par l'intermédiaire d'une interface 3808 et d'un connecteur 48. Cette interface 3808 fournit également un signal qui déclenche le réveil du système 420. Un bloc fonctionnel 400 réalise la gestion du réseau électrique 20 à l'aide d'un neuvième algorithme ou logiciel 3220 qui élabore des signaux de commande du convertisseur statique 44. Ces signaux de commande sont appliqués au convertisseur 44 par l'intermédiaire d'une interface 3814 pour le mettre en service ou hors service selon l'état de la batterie du réseau électrique. Un bloc fonctionnel 418 réalise la gestion du contacteur principal 54 de la batterie à l'aide d'un dixième algorithme ou logiciel 3228 qui élabore une autorisation de fermeture ou une demande d'ouverture du contacteur. Ces informations sont transmises au contacteur 54 par l'intermédiaire d'une interface 3810. Par ailleurs, il fournit au bloc fonctionnel 416 d'état de batterie, une information instantanée indiquant l'état ouvert ou fermé du contacteur principal 54. Un bloc fonctionnel 418 détecte tout défaut d'isolement de la batterie en vérifiant en permanence la résistance de fuite de la batterie par rapport à la masse du véhicule. Cette information est transmise au bloc fonctionnel 416 d'état de batterie. Un bloc fonctionnel 414 réalise la surveillance des différents monoblocs de la batterie en prenant en compte les valeurs de I, U, T et de l'état de charge de la batterie ainsi que les tensions mesurées aux bornes des monoblocs par l'intermédiaire d'une interface 3004. A cet effet, il met en oeuvre un onzième algorithme ou logiciel de gestion 3230 dont les paramètres sont entrés par l'intermédiaire d'un dispositif de paramétrage PM, paramètres qui dépendent du type de batterie. Les résultats fournis par l'algorithme de gestion 3230 sont transmises au bloc fonctionnel 416 d'états de la batterie. Le bloc fonctionnel 416 de gestion générale définit les différents états de la batterie et les modes d'utilisation. Les états de la batterie sont définis par un douzième algorithme ou logiciel 3234 et peuvent être - normal, - monobloc défectueux, - isolement défectueux, - autonomie restante inférieure à un seuil, - autonomie restante nulle, - remplissage en eau nécessaire, - batterie pleinement chargée, - température de batterie hors limites autorisées. Les modes d'utilisation instantanées sont détectés par un treizième algorithme ou logiciel 3236 et peuvent être - batterie déconnectée, - batterie connectée et prête à la décharge, - batterie en recharge sur chargeur embarqué, - batterie en recharge sur borne de recharge rapide, - batterie en cours de remplissage. Le bloc fonctionnel 420 de réveil du système est actif dès que la batterie est susceptible d'être sollicitée pour la recharge, la décharge ou le remplissage et, à cet effet, reçoit donc des informations des organes réclamant des actions sur la batterie tels que - le chargeur embarqué 22, - la borne de recharge rapide, - le système de remplissage, - l'utilisation du véhicule par un bloc fonctionnel 422. Le bloc fonctionnel 422 fournit un signal de réveil du système au bloc fonctionnel 420 dès la rotation de la clé de contact du véhicule ou la mise en route d'un composant électrique tel que l'allumage de l'éclairage du véhicule. D'une manière générale, le schéma de la figure 3 indique toutes les fonctions qui sont réalisées par le microcontrôleur ainsi que les interconnexions entre elles pour obtenir une surveillance continue de la batterie et une gestion de ces états et modes. REVENDICATIONS 1. Système gestionnaire de batterie (12) d'accumulateurs caractérisé en ce qu'il comprend - un microcontrôleur (32) associé à des mémoires (34), - au moins un dispositif de contrôle de la recharge de la batterie (22, 48), - un dispositif de contrôle de la ventilation et du chauffage de la batterie, - un dispositif de surveillance des tensions des monoblocs constituant la batterie, - un dispositif de contrôle du remplissage (52) des monoblocs de la batterie, - des capteurs (28) pour mesurer le courant (I), la tension (U), l'isolement électrique et la température (T) de la batterie ainsi que la tension continue (VR) d'un réseau électrique basse tension (20), - un dispositif d'affichage d'informations (36), - des interfaces d'entrée (30) et de sortie (38) entre le microcontrôleur (32) et le dispositif de contrôle de recharge de la batterie (22), le dispositif de contrôle de la ventilation et du chauffage de la batterie (50), le dispositif de surveillance des tensions des monoblocs de la batterie, le dispositif de contrôle de remplissage (52) des monoblocs de la batterie, le dispositif d'affichage (36), le réseau électrique basse tension (20) et les capteurs (28), le microcontrôleur (32) comportant des circuits électroniques de microprocesseur et des logiciels appropriés pour traiter les mesures en provenance des capteurs (28), déterminer les états et modes d'utilisation de la batterie et mettre en oeuvre des opérations appropriées afin de charger la batterie dans des conditions déterminées, ventiler et/ou réchauffer la batterie, remplir d'eau les monoblocs et afficher des informations relatives à l'état de la batterie et du système. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un premier logiciel de bilan de charges (3204) qui calcule le bilan des charges électriques emmagasinées pendant la charge et restituées pendant la décharge à partir des valeurs mesurées du courant (I), de la tension (U) et de la température (T) et un deuxième logiciel de recalage (3206) du bilan de charges calculé par le premier logiciel à partir de certains états spécifiques de la batterie, de manière à fournir au moins une indication représentative de l'état de charge de la batterie. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un troisième logiciel (3212) qui détermine l'état de fin d'autonomie de la batterie et un quatrième logiciel (3214) qui détermine l'état de surcharge de la batterie, à partir des informations de type de batterie, d'état de charge de la batterie, du courant (I), de la tension (U) et de la température (T) de la batterie. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un cinquième logiciel (3222) qui détermine et gère le besoin en eau de la batterie. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un sixième logiciel (3224) qui détermine et gère les besoins en ventilation et chauffage de la batterie. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes 2 à 5, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un septième logiciel (3244) pour gérer la charge normale de la batterie. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes 2 à 6 caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un huitième logiciel (3226) pour gérer la charge rapide de la batterie. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes 2 à 7, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un neuvième logiciel (3220) pour contrôler le convertisseur statique (44) du réseau électrique de servitude. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes 2 à 8, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un dixième logiciel (3228) pour autoriser la fermeture ou l'ouverture d'un contacteur (54) disposé sur le circuit de charge de la batterie. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes 2 à 9, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un onzième logiciel (3230) pour déterminer l'état des différents monoblocs de la batterie. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes 2 à 5, caractérisé en ce que le microcontrôleur met en oeuvre un douzième logiciel (3234) qui détermine les différents états de la batterie et un treizième logiciel (3236) qui détermine les différents modes d'utilisation de la batterie.