Brevet FR2753838A1 — publié le 19980327

PROCEDE ET SYSTEME DE CHARGE D'UNE BATTERIE DE MODULES ACCUMULATEURS La présente invention concerne un procédé et un système pour charger une batterie de modules accumulateurs. La présente invention concerne notamment mais non exclusivement le domaine des véhicules automobiles à moteur de traction électrique. La figure 1 est le schéma électrique d'une batterie de modules accumulateurs 1 d'un véhicule électrique et son système de charge 2. Afin de présenter une forte capacité énergétique nécessaire à la traction du véhicule, la batterie comprend un grand nombre de modules accumulateurs, ici vingt modules M1 à M20 agencés en série. Les modules sont par exemple d'une tension nominale de 12 V et d'une capacité de 60 Ah (Ampères Heure), la batterie délivrant ainsi sur ses bornes B+ et B une tension nominale Unom de 240 V. Le système de charge 2 de la batterie, généralement embarqué dans le véhicule, est alimenté par une source de tension alternative Va et comprend essentiellement un chargeur 3 piloté par un séquenceur programmé 4. Des capteurs 5, 6, 7 sont prévus pour détecter respectivement le courant de charge I, la tension U et la température T de la batterie, les sorties des capteurs étant envoyées sur des entrées du séquenceur 4. En pratique, l'efficacité du système de charge 2 réside dans la programmation du séquenceur 4. Chaque type de batterie exige en effet un profil de charge spécifique qui doit être respecté rigoureusement afin de ne pas endommager la batterie et garantir sa durée de vie. Le profil de charge d'une batterie se décompose ainsi de façon classique en une succession de phases à courant, tension, ou puissance constante. Notamment, pour une certaine technologie de batteries, il est classique de prévoir une phase initiale de charge réalisée à courant ou puissance constante. Une telle phase initiale de charge peut s'étendre dans ce cas jusqu'à l'instant où la tension U de la batterie, à une valeur basse en début de charge, atteint une valeur de commutation Uc généralement supérieure à la tension nominale Unom. Des travaux conduits par la demanderesse ont montré que le fait d'accélérer la phase initiale de charge, c'est-à-dire de réaliser cette phase avec un courant de charge au moins deux fois supérieur à celui délivré par un chargeur embarqué classique, améliore le rendement de charge et la durée de vie d'une batterie ainsi que le comportement thermique et par conséquent la disponibilité du véhicule (le rendement de charge étant le rapport entre la quantité d'électricité réelle accumulée par la batterie et la quantité d'électricité Q qui lui est fournie). Toutefois, on doit disposer, à cet effet, d'une puissance de charge élevée. Par exemple, la fourniture d'un courant de charge de 40 A à la batterie de tension nominale de 240 V précédemment décrite représente une puissance de charge considérable de 12000 W (la tension de commutation Uc étant supérieure à la tension nominale Unom) . S'il est possible techniquement de délivrer une telle puissance à partir d'un chargeur de forte puissance à poste fixe, il n'en est pas de même avec un chargeur embarqué, qui doit être léger, peu encombrant et d'un coût de revient réduit. De plus, il est souhaitable qu'un chargeur embarqué puisse être alimenté à partir d'une prise du réseau électrique domestique du type le plus répandu, par exemple une prise de 220V/16A. Or, une telle prise électrique ne peut délivrer une puissance supérieure à 3500 W. Ainsi, les procédés et les systèmes de charge classiques ne permettent pas de charger une batterie d'accumulateurs de forte capacité avec un fort courant à partir d'une prise électrique domestique. La présente invention vise, notamment, à pallier cet inconvénient. Notamment, un objectif de la présente invention est de charger une batterie de modules accumulateurs avec un courant de grande intensité tout en conservant une puissance de charge raisonnable et compatible avec une prise électrique domestique. Un autre objectif de la présente invention est de prévoir un système de charge de moyenne puissance pouvant délivrer un fort courant tout en présentant un coût de revient et un encombrement comparable à ceux d'un système de charge embarqué classique. Ces objectifs, ainsi que d'autres, sont atteints grâce à un procédé pour charger une batterie de modules accumulateurs, comprenant les opérations consistant à définir dans la batterie des groupes de modules accumulateurs, et décomposer au moins une phase d'un cycle de charge de la batterie en une pluralité de microcycles successifs et récurrents de charge partielle de chacun des groupes de modules accumulateurs. De préférence, on définit des groupes de modules accumulateurs de même tension. Les modules accumulateurs constituant une batterie étant généralement choisis de même tension, cela signifie que les groupes d'accumulateurs comprennent le même nombre de modules accumulateurs. Selon un mode de réalisation, on prévoit une première phase de charge à puissance ou courant constant, décomposée en une pluralité de microcycles de charge partielle, et une deuxième phase de charge à tension constante. Avantageusement, la première phase de charge est réalisée avec un fort courant, conformément à l'un des objectifs de la présente invention. Selon un mode de réalisation, tout ou partie de la deuxième phase de charge est décomposé en une pluralité de microcycles successifs et récurrents de charge partielle de chacun des groupes de modules accumulateurs. Selon un mode de réalisation, il est en outre prévu une troisième phase de charge à faible courant réalisée collectivement sur l'ensemble des modules de la batterie. La présente invention concerne également un système de charge d'une batterie de modules accumulateurs, comprenant un chargeur de batterie, des moyens interrupteurs agencés pour délimiter dans la batterie des groupes de modules accumulateurs pouvant être connectés individuellement au chargeur, et des moyens de commande des moyens interrupteurs, agencés pour, au cours d'au moins une phase de charge de la batterie, connecter successivement et de façon récurrente chacun des groupes accumulateurs au chargeur de batterie. Selon un mode de réalisation, le système peut comprendre en outre un deuxième chargeur de faible puissance connecté aux bornes de la batterie. La présente invention concerne également un véhicule automobile électrique comprenant une batterie de modules accumulateurs et un système de charge selon l'invention. Ces objectifs, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante du procédé de charge selon l'invention et de divers exemples de réalisation de systèmes de charge selon l'invention, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - la figure 1 précédemment décrite représente une batterie d'accumulateurs de type série et un système de charge classique de cette batterie, - la figure 2 représente un système de charge selon l'invention appliqué à la batterie de la figure 1, - les figures 3A à 3G sont des courbes de divers signaux électriques illustrant le fonctionnement du système de charge de la figure 2, - la figure 4 représente un système de charge selon l'invention appliqué à une batterie de type sérieparallèle, - la figure 5 est une courbe de courant et de tension illustrant un exemple de profil de charge selon l'invention, - la figure 6 représente une variante de réalisation du système de charge de la figure 2, permettant notamment la mise en oeuvre du profil de charge de la figure 5, et - la figure 7 représente une variante de réalisation du système de charge de la figure 4, permettant notamment la mise en oeuvre du profil de charge de la figure 5. La figure 2 représente un système de charge 10 selon l'invention appliqué à la batterie déjà décrite au préambule, comprenant vingt modules accumulateurs M1 à M20 en série. Le système de charge 10 comprend de façon classique un chargeur 11 pouvant être connecté sur une prise électrique domestique du type 220V/16A ou 220 V/32A, un séquenceur programmé 12, et des capteurs 13, 14, 15 pour détecter, respectivement, le courant I délivré par le chargeur 11, la tension de charge V et la température T de la batterie. Selon l'invention, le système de charge 10 comprend en outre huit interrupteurs S1 à 58 pilotés par des signaux C1 à C8 délivrés par le séquenceur 12. Les interrupteurs S1 à S8 sont agencés de manière à délimiter dans la batterie des groupes de modules accumulateurs pouvant être connectés individuellement au chargeur 11. Ici, les huit interrupteurs font apparaître quatre groupes G1, G2, G3, G4 de cinq modules chacun, représentés en traits pointillés sur la figure 2. Le groupe G1 comprend les modules M1 à M5 et ses bornes positive et négative peuvent être connectées aux bornes positive et négative du chargeur 11 grâce aux interrupteurs S1 et S2 quand ces interrupteurs sont fermés et les autres interrupteurs S3 à S8 ouverts. De la même manière, le groupe G2 comprend les modules M6 à M10 et peut être connecté au chargeur 11 grâce aux interrupteurs S3 et S4. Le groupe G3 comprend les modules M11 à M15 et peut être connecté au chargeur 11 grâce aux interrupteurs S5 et S6. Enfin, le groupe G4 comprend les modules M16 à M20 et peut être connecté au chargeur 11 au moyen des interrupteurs S7 et S8. Selon le procédé de l'invention, au moins une phase d'un cycle de charge de la batterie est décomposée en une pluralité de microcycles mcl, mc2, mc3, mc4 de charge partielle de chacun des groupes G1 à G4, les microcycles se succédant et se répétant jusqu'à ce que la phase de charge considérée soit terminée. Comme illustré sur la figure 3A, le séquencement dans le temps des microcycles peut par exemple être le suivant : mcl, mc2, mc3, mc4, mcl, mc2, mc3, mc4, etc.. La durée Tm des microcycles est de préférence choisie relativement courte devant la durée totale de la phase de charge, par exemple de l'ordre de la dizaine de secondes. L'intervalle de temps séparant les microcycles n'est pas représenté à l'échelle sur la figure 3A et peut être réduit au minimum nécessaire à la commutation des interrupteurs S1 à S8. Pour fixer les idées, la figure 3B représente la distribution de la tension de charge V délivrée par le chargeur 1 sur les groupes G1 à G4 au cours des microcycles mcl à mc4 (dans une approximation simplificatrice, on suppose que la tension de charge V est constante et identique pour tous les groupes de modules) . La figure 3C représente la tension Vs8 aux bornes de l'interrupteur S8, c'est-à-dire la différence de tension apparaissant entre la borne négative de la batterie et la borne négative du chargeur 11. La figure 3D représente les signaux C1, C2, la figure 3E les signaux C3, C4, la figure 3F les signaux C5, C6, et la figure 3G les signaux C7, C8. Un interrupteur étant par convention fermé quand son signal de commande est à 1, on voit que les interrupteurs S1, S2 sont fermés pendant les microcycles mcl, les interrupteurs S3, S4 fermés pendant les microcycles mc2, etc. Un premier avantage du procédé de l'invention est que la puissance de charge appliquée à la batterie est partagée par un nombre restreint de modules, de sorte qu'il devient possible, pour une puissance de charge donnée, de distribuer un courant de charge plus élevé. Par exemple, quand les modules M1 à M20 sont de 12V/60Ah chacun, les groupes G1 à G4 selon l'invention présentent une tension nominale de 60 V et peuvent être chargés avec un courant voisin de 40 A sous une puissance de charge de 3000 W compatible avec le réseau électrique domestique. Selon l'art antérieur, la fourniture d'un tel courant à une batterie d'une tension nominale de 240 V nécessiterait une puissance de charge de l'ordre de 12000 W, comme indiqué au préambule, et une puissance de charge de 3000 W ne permettait de distribuer qu'un courant voisin de 10 A. En résumé, si le nombre n représente le nombre de groupes de modules (n étant ici égal à 4), l'intensité pouvant être délivrée grâce au procédé de l'invention est égale à n fois l'intensité pouvant être délivrée par un procédé de charge classique. De plus, la demanderesse a constaté que le procédé de charge selon l'invention permet de prolonger la durée de vie d'une batterie. Cet avantage, indépendant de celui résultant de l'application d'un courant de charge élevé, provient du fait que chaque module, après avoir subi un microcycle de charge, bénéficie d'une période de repos Tr d'une durée égale à Tr = (n-l)Tm Une telle période de repos permet une "relaxation" de l'électrolyte des accumulateurs de chaque module et l'élimination de phénomènes électrochimiques nuisibles aux accumulateurs apparaissant au cours de cycles de charge ininterrompus. Enfin, il peut être noté que le temps de charge total d'une batterie par le procédé de l'invention n'est pas plus long qu'avec un procédé de charge classique, l'augmentation du courant de charge compensant la division du temps de charge de chaque groupe en microcycles suivis de la période de repos Tr. Compte tenu de ces divers avantages, il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que le champ d'application de la présente invention est étendu et dépasse l'objectif initialement décrit au préambule. En particulier, une phase de charge réalisée avec un courant de moyenne intensité mais décomposée en microcycles de charge partielle selon le procédé de l'invention préserve mieux une batterie qu'une phase de charge ininterrompue selon l'art antérieur, réalisée avec le même courant. Le fait de réaliser une telle phase de charge avec un fort courant, conformément à un autre aspect de la présente invention, permet de prolonger plus encore la durée de vie de la batterie. Bien entendu, l'application de la présente invention n'est pas seulement réservée à la batterie de type série précédemment décrite. A titre d'exemple, la figure 4 représente un système de charge 20 selon l'invention prévu pour une batterie de type sérieparallèle. Dans cette batterie, les modules M1 à M20 sont agencés en deux branches parallèles, la première branche comprenant les modules M1 à M10 en série et la deuxième branche les modules Mil à M20 en série. On retrouve dans le système de charge 20 les groupes G1 à G4 définis par les interrupteurs S1, S2, S3, S5, S6, 57, les interrupteurs 54 et S8 étant remplacés par un interrupteur commun 548 permettant de connecter les bornes négatives des groupes G2 et G4 à la borne négative du chargeur 11. Un interrupteur S9 de type électromécanique est en outre disposé entre la branche Ml-M10 et la branche Mll-M20. Cet interrupteur est maintenu ouvert pendant les périodes de charge pour éviter qu'un éventuel déséquilibre de tension entre les deux branches ne conduise à l'apparition d'un courant qui tendrait à rétablir cet équilibre. On remarquera que les système s de charge qui viennent d'être décrits permettent aussi bien de réaliser des phases de charge décomposées en microcycles que des phases de charge globale de la batterie. Pour réaliser des phases de charge globale, il convient de fermer les interrupteurs Si et S8 dans le cas du schéma de la figure 1 ou de fermer les interrupteurs S1, S5, S9 et S48 dans le cas du schéma de la figure 4. La figure 5 est un diagramme en fonction du temps du courant de charge I et de la tension U d'une batterie, illustrant un exemple de cycle de charge complet selon l'invention. Le cycle de charge comprend tout d'abord une phase PI de puissance élevée réalisée dans cet exemple avec un courant constant selon le procédé de l'invention, par exemple un courant de 50 A si la batterie comprend des modules de 12V/60Ah. La phase PI est arrêtée à un instant tl, par exemple lorsque la tension U de la batterie atteint la valeur de commutation Uc évoquée au préambule et généralement supérieure à sa tension nominale Unom. Elle est suivie d'une phase PU à tension constante où l'on impose à la batterie une tension de charge égale à Uc et au cours de laquelle le courant de charge I décroît. Au lieu de poursuivre la phase PU jusqu'à l'annulation du courant de charge I, le cycle de charge peut être avantageusement parachevé à compter d'un instant t2, comme illustré sur la figure 5, par une troisième phase Pi de faible puissance, ou phase de surcharge, réalisée avec un courant de charge constant de faible valeur ic faisant croître la tension U de la batterie au delà de la valeur de commutation Uc. La mise en oeuvre pratique d'un tel cycle de charge PI-PU-Pi au moyen des systèmes de charge représentés sur les figures 2 et 4 implique la prévision d'un chargeur 11 capable de fonctionner dans les domaines de puissance très différents. Toutefois, en pratique, il s'avère qu'un tel chargeur est complexe et coûteux à réaliser. Pour pallier cet inconvénient, la présente invention propose de réaliser le cycle de charge PI-PU-Pi au moyen de deux chargeurs distincts, un chargeur de moyenne puissance pour la phase PI et l'autre de faible puissance pour la phase Pi. Ainsi, les figures 6 et 7 représentent respectivement des variantes de réalisation 10' et 20' des systèmes de charge représentés en figures 2 et 4, dans lesquelles le chargeur 11 est relayé au moins pendant la phase Pi par un chargeur de faible puissance 16. Le chargeur 11 est par exemple un chargeur de 3000 W dimensionné pour délivrer un courant de charge de 40 A sous une tension pouvant atteindre 72 V, et le chargeur 16 un chargeur de 400 W dimensionné pour délivrer un courant ic de 1 A sous une tension croissante pouvant atteindre une valeur limite de l'ordre de 320 V. Le chargeur 16 est directement connecté aux bornes B+, B de la batterie et est piloté, comme le chargeur 11, par le séquenceur 12. Outre les paramètres I, V, T précédemment décrits, le séquenceur 12 peut contrôler grâce à des capteurs 17 et 18 la tension U de la batterie et le courant I' délivré par le générateur de faible puissance 16. Par ailleurs, sur la figure 6, les interrupteurs S2 à S6 de la figure 2 prennent la forme de thyristors T2 à T6 déclenchés par les signaux C2 à C6 et les interrupteurs S1 et S8 sont remplacés dans un souci d'économie par des diodes D1 et D8. Sur la figure 7, les interrupteurs S2, S3 et S6, S7 de la figure 4 prennent également la forme de thyristors T2, T3 et T6, T7 et les interrupteurs S1, S5 et S48 sont remplacés par des diodes D1, D5 et D48. En ce qui concerne la réalisation de la phase PU, deux variantes de fonctionnement sont envisageables. La première variante consiste à réaliser entièrement la phase PU au moyen du chargeur de puissance 11. La deuxième variante consiste à réaliser une première partie de la phase PU au moyen du chargeur 11, tant que la puissance consommée par la batterie est élevée, puis basculer sur le chargeur faible puissance 16 quand la puissance demandée par la batterie devient compatible avec ce chargeur. La partie ou la totalité de la phase PU réalisée par le chargeur 11 peut de façon optionnelle être décomposée en microcycles selon l'invention, initialement prévus pour la phase PI en raison du fort courant qu'elle nécessite. L'homme de l'art notera que le procédé de l'invention peut être avantageusement appliqué à tout type de batterie (plomb, nickel/cadmium, nickel/hydrures métalliques, sodium/chlorure de nickel, lithium,...) quels que soient l'agencement des modules (série, sérieparallèle, parallèle) et leur tension nominale. Ainsi, dans ce qui précède, on a défini dans une batterie de vingt modules accumulateurs quatre groupes de cinq modules chacun. On aurait pu définir cinq groupes de quatre modules (en prévoyant deux interrupteurs supplémentaires), ou dix groupes de deux modules, etc. Parmi tous les arrangements possibles, on définira de préférence des arrangements de modules faisant apparaître des groupes de même tension, c'est-à-dire comportant le même nombre de modules. Dans un souci de simplicité, on n'a pas décrit dans ce qui précède diverses caractéristiques de mise en oeuvre de la présente invention qui sont à la portée de l'homme de l'art. En particulier, la phase initiale de charge PI se termine pour un groupe de modules lorsque le critère d'arrêt de cette phase est atteint. Ce critère d'arrêt peut être choisi collectif (par exemple le fait que la tension U de batterie atteigne la valeur de commutation Uc) ou individuel (par exemple le fait que la tension de chaque groupe de modules atteigne sa valeur propre de commutation Ugc). Si un groupe de modules atteint le critère d'arrêt individuel avant la fin du microcycle de charge qui lui est appliqué, deux solutions peuvent être prévues : l'une où le séquenceur 12 commute le courant de charge sur le groupe de modules suivant dans l'ordre cyclique choisi, l'autre où le séquenceur commute le courant de charge sur le groupe de modules suivant qui n'a pas encore atteint le critère d'arrêt lors des microcycles précédents. La deuxième solution nécessite que le système de charge soit plus "intelligent" et mémorise l'état de charge de chaque groupe à la fin de chaque microcycle. Un séquenceur 12 à microprocesseur peut alors être prévu. L'homme de l'art notera également qu'en pratique, la durée de charge effective de chaque groupe de modules au cours de la phase PI peut varier sensiblement. Une telle dispersion du rendement énergétique de charge peut avoir diverses causes et être prise en compte au moment de la programmation du séquenceur 12 par la prévision d'un sous-programme de charge destiné aux groupes retardataires et assurant une action corrective. Une telle action corrective peut par exemple consister à réaliser une précharge d'homogénéisation pour les groupes de modules qui ont montré au cours des cycles précédents une profondeur de décharge plus élevée que la moyenne, afin de les ramener au niveau de charge des autres groupes. L'homme de l'art pourra également envisager, comme autre action corrective, de charger chacun des groupes de modules par des microcycles personnalisés ayant par exemple des durées différentes où des courants de charge I différents. En ce qui concerne l'enchaînement des phases PI et PU dans le cas où le critère d'arrêt de la phase PI est appliqué individuellement, l'homme de l'art pourra programmer le séquenceur 12 selon deux méthodes différentes. La première consiste à attendre que tous les groupes de modules aient atteint le critère d'arrêt de la phase PI avant d'engager la phase PU. La deuxième consiste à appliquer le profil de charge PI-PU à chaque groupe sans tenir compte des autres groupes, un groupe pouvant ainsi se trouver dans la phase PU alors que l'autre est encore dans la phase PI. La présente invention est ainsi susceptible de nombreuses variantes et modes de réalisation à la portée de l'homme de l'art. Bien entendu, la présente invention est également susceptible de s'appliquer à tout système accumulateur autre qu'une batterie de véhicule à moteur de traction électrique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour charger une batterie (1) de modules accumulateurs (M1-M20), comprenant les opérations consistant à - définir dans la batterie des groupes de modules accumulateurs (G1-G4), - décomposer au moins une phase (PI) d'un cycle de charge (PI-PU-pi) de la batterie en une pluralité de microcycles (mcl-mc4) successifs et récurrents de charge partielle de chacun des groupes de modules accumulateurs. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on définit des groupes (G1-G4) de modules accumulateurs de même tension. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant successivement une première phase de charge (PI) à puissance ou courant constant, décomposée en une pluralité de microcycles (mcl-mc4) de charge partielle, et une deuxième phase de charge (PU) à tension constante (Unom). 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la première phase de charge (PI) est réalisée avec un fort courant. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel tout ou partie de la deuxième phase de charge (PU) est décomposé en une pluralité de microcycles successifs et récurrents de charge partielle de chacun des groupes de modules accumulateurs. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, comprenant une troisième phase de charge (Pi) à faible courant réalisée collectivement sur l'ensemble des modules (M1-M20) de la batterie. 7. Système de charge (10, 10', 20, 20') d'une batterie (1) de modules accumulateurs, comprenant un chargeur de batterie (11), caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des moyens interrupteurs (Sl-S9, T2-T6, D1, D8, D48) agencés pour délimiter dans la batterie des groupes de modules accumulateurs (G1-G4) pouvant être connectés individuellement au chargeur (11), et - des moyens de commande (12) des moyens interrupteurs, agencés pour, au cours d'au moins une phase de charge (PI, PU) de la batterie, connecter successivement et de façon récurrente chacun des groupes accumulateurs au chargeur de batterie (11). 8. Système de charge (10', 20') selon la revendication 7, comprenant en outre un deuxième chargeur (16) de faible puissance connecté aux bornes (B+, B-) de la batterie. 9. Système de charge selon l'une des revendications 7 et 8, dans lequel les moyens interrupteurs comprennent des diodes (D1, D5, D8, D48). 10. Véhicule automobile électrique comprenant une batterie de modules accumulateurs et un système de charge selon l'une des revendications 7 à 9.