Brevet FR2778507A1 — publié le 19991112

La présente invention concerne un circuit de surveillance et de sécurité qui, associé à une batterie, permet de prolonger l'usage de celle-ci en cas de défaillance d'un ou de plusieurs de ses éléments. Domalne technique Le marché des batteries connait une forte croissance et rend leur bon fonctionnement de plus en plus important: - I'emploi s'étend dans de nombreux domaines, micro- ordinateurs portables, téléphones portables... en plus de l'utilisation automobile. - I'extension de l'usage, par exemple dans l'automobile, accroit la criticité. Une panne de batterie empèche l'emploi de l'ensemble des équipements alimentés. Le véhicule le mieux équipé sera encore plus sensible à la panne: le véhicule doté d'un système de localisation par satellite ne sera pas mieux localisé qu'un autre véhicule. La batterie apparait ainsi comme le talon d'Achille des voitures les plus modernes. Le passage prévu de l'alimentation des voitures de 12 à 36 volts, en multipliant par trois le nombre d'éléments de batterie, va rendre encore plus critique la fiabilité des batteries, le risque de défaillance étant lui aussi multiplié par trois. Etat de la technique Différents systèmes de sécurité ont été étudiés pour pallier les déficiences de batteries, en particulier dans les usages requérant une haute fiabilité, telles les applications spatiales. Le brevet US - 4 061 955 de la NASA décrit un dispositif basé sur des relais et nécessitant une source d'alimentation externe. De nombreux autres dispositifs, tel celui décrit dans le brevet 2 735 605 de l'Agence Spatiale Européenne, font appel à des dispositifs mécaniques ou thermiques, afin d'éviter l'emploi de dispositifs électroniques, jugés peu fiables. Toutefois les dégradations des batteries, particulièrement quand elles sont au repos, ne s'accompagnent pas toujours d'effets thermiques, mettant ainsi en défaut les systèmes basés sur un échauffement. Le circuit objet de la présente invention permet de continuer à utiliser une batterie dont un élément est défaillant Une application typique est la batterie de voiture: le véhicule équipé du circuit de sécurité pourra, en cas de défaillance, démarrer, éclairer et rouler, en prévenant l'usager de l'état de la batterie, pour une éventuelle intervention. PrIncIpe de fonctionnement Le circuit objet de la présente invention vise à permettre l'usage d'une batterie comportant des éléments défaillants. Les origines des défaillances de batteries sont diverses chimiques (sulfatation) ou parfois mécaniques. En général, surtout si la batterie a eu une durée de vie importante, la dégradation touche l'ensemble des éléments. Cependant, surtout si la batterie a fait l'objet d'une utilisation régulière, r'indépendance des éléments, par construction de la batterie, fait que la dégradation touchera d'abord un élément. L'objet du dispositif de sécurité -2- est d'éviter la panne en permettant un usage, même restreint, de la batterie, quand le processus de dégradation n'est pas encore généralisé à toute la batterie. Le dispositif pallie également les conséquences de la panne brutale d'un élément. Le dispositif de sécurité s'adapte donc à tous les usages de batteries, continus ou discontinus. s Le circuit objet de la présente invention effectue une surveillance de chacun des éléments constituant la batterie et, en cas de défaillance constatée, l'élément est court-circuité. D'autres solutions sont possibles, basées sur des redondances ou des substitutions d'éléments. Ces solutions sont complexes et dans le cas d'utilisation de transistors de puissance (dont les résistances à l'état passant ne sont pas tout à fait négligeables), la puissance maximum disponible est plus diminuée que dans le cas du court-circuit de l'élément défectueux. La mise hors circuit d'un élément diminue la tension disponible, mais la plupart des équipements électriques assurent encore un fonctionnement, même dégradé, sous une tension réduite et la panne totale est ainsi évitée. Le circuit objet de la présente invention mesure la tension aux bornes des éléments pour assurer leur surveillance. Un élément de batterie défaillant voit sa tension tomber à une valeur faible, de quelques centaines de millivolts. La résistance interne se dégrade fortement et peut atteindre des valeurs cent ou mille fois plus élevées qu'en fonctionnement normal. C'est surtout cette augmentation de la résistance interne qui rend inutilisable la batterie, en s'opposant au passage du courant que peuvent encore délivrer les éléments corrects. Le choix fait pour la détection de panne est simplement une mesure de tension. Dans l'exemple d'une batterie au plomb, dans le pire cas de débit, de température et en fin de décharge, la tension peut descendre vers 1,7 V. La valeur retenue en deçà de laquelle l'élément est déclaré défaillant est de 1 V, ce qui assure une marge importante entre le bon fonctionnement et la défaillance. Le circuit objet de l'invention présente l'avantage d'un fonctionnement autonome, le brevet déjà cité de la NASA, requiert une source de tension extérieure, ce qui alourdit l'ensemble et repose le problème en cas de la défaillance de cette source extérieure. Dans ce but d'autonomie, les éléments de batterie sont regroupés en sous-ensembles, avec une ou des défaillances autorisées dans un ou plusieurs sous-ensembles, à condition qu'au moins un sous- ensemble conserve tous ses éléments indemnes. Chaque sous-ensemble alimente un convertisseur continu-continu qui délivre une tension de sortie isolée de la tension de batterie. Les tensions de tous les convertisseurs sont ensuite réunies, sans interaction entre convertisseurs, pour délivrer les tensions nécessaires au fonctionnement des différents circuits: comparateurs de surveillance, interrupteurs et leurs commandes, et surveillance. La puissance de chaque convertisseur continu-continu permet d'alimenter la totalité des circuits. De la sorte, il suffit qu'un seul convertisseur fonctionne, donc qu'un seul sous-ensemble n'ait pas d'élément de batterie défaillant, pour que l'ensemble du circuit de sécurité fonctionne correctement. Plus le nombre de sous-ensembles est élevé, plus la sécurité de fonctionnement de la batterie est élevée, en autorisant plus de défaillances d'éléments. La complexité et donc le coût, croissent peu avec le nombre de sous-ensembles, puisque seulement un convertisseur est ajouté pour -3chaque nouveau sous-ensemble. Par contre, comme la tension de batterie diminue à chaque élément en panne, I'augmentation du nombre de sous-ensembles a des limites. Pour une batterie de 12 V en 6 éléments, le choix de 2 sous-ensembles parait optimum. Par contre, pour une batterie de 36 V en 18 éléments, le choix peut se faire entre 4 et 6 sous-ensembles Le circuit objet de l'invention réalise le court-circuit des éléments défaillants en utilisant des transistors de puissance de type MOS, montés en parallèle sur chacun des éléments de batterie. Les transistors disponibles sont compatibles de l'utilisation requise, même la plus contraignante: capacité de supporter des courants de pointe élevés (démarrage de moteurs à explosion), résistances à l'état passant voisines des résistances internes des batteries. La taille du transistor est adaptée au courant maximum à conduire. L'interrupteur électromécanique n'est pas retenu pour des motifs d'encombrement, de fiabilité, de temps de réponse et à cause de la puissance nécessaire à sa mise en oeuvre, qui rend difficile l'autonomie de la sécurité. L'emploi d'un transistor de puissance (de type MOS) permet d'obtenir la fonction d'interrupteur avec les avantages de fiabilité, de temps de réponse et d'une faible puissance de commande compatible de l'alimentation autonome basée sur la batterie elle-même. Le temps de réponse est une caractéristique essentielle. Lors de la mise en utilisation de la batterie, I'établissement d'un courant important dans les équipements utilisateurs, se fait avec un temps de montée non négligeable. L'éventuelle détection de panne et la mise en court-circuit de l'élément défectueux se font avant l'établissement d'un courant important, évitant les problèmes d'échauffement et rendant "transparente" I'utilisation du circuit de sécurité. Le circuit objet de l'invention avertit l'utilisateur des défaillances des éléments. L'état des circuits de surveillance des éléments est pris en compte et, en cas de défaillance, un circuit délivre un signal d'alerte envoyé à une centrale de surveillance ou simplement à un voyant pour le faire clignoter. La fréquence de ce signal peut être variable et augmenter avec le nombre de défaillances. Le circuit objet de l'invention peut se présenter sous la forme d'un bloc fixé à la batterie surveillée, mais facilement interchangeable. Dans le cas de courants de batterie élevés, le coût des transistors de puissance devient plus important et le circuit de sécurité peut présenter un coût relatif élevé par rapport à la batterie. La conception mécanique du circuit de sécurité sous la forme d'un bloc Interchangeable et la fiabilité des circuits électroniques, par rapport à la durée de vie limitée des batteries, permettent d'envisager de monter le même circuit de sécurité sur plusieurs batteries successives. Le coût relatif s'en trouve ainsi considérablement réduit La figure 1 représente le schéma du circuit de sécurité appliqué à une batterie séparée, uniquement au niveau du circuit de sécurité, en deux sous- ensembles d'éléments. Pour alléger la représentation, tous les éléments de batterie ne sont pas représentés sur le schéma. Les différentes parties du circuit, détaillées dans la description suivante, sont représentées sur ce schéma. La figure 2 montre l'exemple, appliqué à une batterie d'automobile, de l'interchangeabilité mécanique du circuit de sécurité et de la batterie associée. -4- Description détaillée Le circuit objet de la preésente invention peut se décomposer en plusieurs parties: une surveillance de l'état des éléments de la batterie, les mises hors circuit du ou des éléments défaillants, avec leurs commandes associées, un avertissement en cas de défaillance (pour commander un voyant, par exemple) et enfin une alimentation capable de délivrer les tensions nécessaires au fonctionnement de l'ensemble, même en cas de défaillance partielle de la batterie. Surveillance: associé à chaque élément de batterie, un comparateur (référencé "cp" sur la figure 1) mesure la tension de l'élément par rapport à une tension de référence (référencée "réf" sur la figure 1) et si la tension de l'élément devient inférieure à un certain niveau (de 1 V dans le cas d'une batterie au plomb), le comparateur change d'état en sortie. La surveillance de l'état de chaque élément de batterie est constante durant l'utilisation de la batterie. Ceci permet de détecter les défauts, même survenus pendant une période de non fonctionnement de la batterie. Mise hors circuit de l'élément défaillant: un transistor MOS est monté en parallèle sur chacun des éléments de batterie, sa commande est assurée à partir d'un circuit d'adaptation qui traite le signal de sortie du comparateur associé au même élément de batterie. Un circuit intermédiaire de commande entre le comparateur et le transistor de puissance permet l'adaptation des niveaux de tension compatibles de la saturation et du blocage du transistor: I'ensemble est référencé "int + cde" sur la figure 1. Chaque transistor MOS a son drain relié à l'électrode positive de l'élément de batterie, tandis que la source est reliée à l'électrode négative. Pour des courants élevés, la section des conducteurs et le montage mécanique assurent une faible résistance électrique. Le circuit intermédiaire est simplement constitué autour d'un transistor, afin d'adapter le signal de sortie du comparateur aux niveaux de commandes des grilles des transistors MOS. Alors que les circuits attachés à chaque élément de batterie sont strictement identiques, les valeurs des composants de ce circuit de commande sont adaptés aux tensions possibles de l'élément de batterie associé. En effet, dans le cas d'une batterie de 12 V, par exemple, les tensions de source des transistors varient de 0 V pour l'élément relié au pôle négatif de la batterie, à une possibilité de plus de 13 V pour l'élément relié au pôle positif, ce qui conduit à des niveaux de commande des grilles différents. Seule la valeur des composants change, la structure des circuits reste identique. Avertissement: les signaux de sortie des comparateurs utilisés pour la surveillance des éléments sont envoyés à un circuit de type OU délivrant un signal d'alerte qui peut être transmis à une centrale d'alarme ou simplement, après amplification, commander un voyant (référencé "surv" sur la figure 1). Ce signal permet à l'utilisateur d'être averti de la défaillance d'un ou de plusieurs éléments et de décider de la conduite à tenir. Le circuit peut aussi délivrer un signal différent suivant le nombre de défaillances: fréquence basse pour une défaillance, fréquence élevée à partir de deux défaillances. -5- Alimentation: elle doit délivrer les tensions d'alimentation des différents circuits, comparateurs, commande de transistors MOS, circuit de surveillance et également fournir une tension de référence aux comparateurs. Cette alimentation ne peut se brancher directement sur la batterie: en cas de panne sévère, telle une coupure d'élément, la fourniture d'un courant, même faible, n'est plus possible. La batterie est donc séparée en sous-ensembles, deux dans l'exemple de la figure 1. Afin d'éviter les difficultés dues à des niveaux de tension différents, l'isolation est réalisée par un convertisseur continu- continu (référencé "conv DC/DC" sur la figure 1), dans chaque sous- ensemble. Les tensions de sortie de ces convertisseurs sont redressées, filtrées et reliées par des diodes au circuit d'alimentation sécurisée (référencé "Alim sécu" sur la figure 1). Cette alimentation délivre la tension d'alimentation (référencée "AI s" sur la figure 1) nécessaire au fonctionnement de l'ensemble du circuit de sécurité et la tension de référence (référencée "réf" sur la figure 1) pour les comparateurs. Chaque convertisseur est capable de délivrer la puissance nécessaire au fonctionnement de l'ensemble et l'isolation par diode permet la panne d'un sous- ensemble sans altérer la fourniture de tension par l'autre. Le niveau faible de cette puissance autorise l'utilisation d'un circuit intégré pour la fonction convertisseur. Le circuit objet de la présente invention voit sa fiabilité augmentée par l'utilisation de circuits redondants, dans les cas o les exigences de fiabilité sont élevées (applications spatiales ou à maintenance difficile). L'élément le plus critique est le transistor de puissance MOS. Comme ses défaillances produisent essentiellement des circuits ouverts, la simple mise en parallèle de deux transistors est possible. La commande commune de ces deux transistors est possible, en isolant seulement les grilles pour éviter l'effet d'un éventuel court-circuit. La recherche d'une fiabilité plus élevée se fait par le doublement de l'ensemble du circuit de sécurité, toujours avec une mise en parallèle des transistors de puissance. La fiabilité est aussi augmentée par une surveillance de la batterie autour de la valeur nominale, y compris pour les valeurs supérieures à la tension nominale. Ce cas peut survenir lors d'une dégradation d'un élément, en cours d'utilisation. Le passage d'un courant d'utilisation, à travers une résistance interne augmentée, peut provoquer une hausse de la tension aux bornes de l'élément défectueux. Ceci requiert l'emploi de deux comparateurs: un pour détecter une valeur faible (circuit de base) et un deuxième pour détecter une valeur élevée (par exemple 3,5 V pour une batterie au plomb). Le circuit objet de la présente invention peut avoir une conception mécanique basée sur I'interchangeabilité, en séparant bien le circuit de sécurité de la batterie associée. La figure 2. montre l'exemple d'une batterie d'automobile. La batterie elle-même est légèrement modifiée: les liaisons entre éléments, normalement non accessibles, sont ici surmontées d'une borne permettant une connexion électrique aisée et à faible résistance électrique (2 de la figure 2). Les bornes extrêmes sont plus hautes afin d'être seules accessibles après montage. Le circuit de sécurité constitue un bloc (1 de la figure 2) avec des trous non débouchants pour les bornes intermédiaires et débouchants pour les bornes extrêmes de la batterie. Le montage consiste à encastrer le circuit de sécurité (1 de la figure 2) sur la batterie (2 de la figure 2), les bornes -6- traversant les trous prévus à cet effet. Un serrage à vis permet de relier le circuit de sécurité aux différentes bornes, avec une faible résistance électrique. L'ensemble monté laisse seulement apparaître les bornes extrêmes, comme sur une batterie normale, pour permettre la connexion des cosses des fils d'utilisation. -7- REVENDICATIONS 1. Procédé pour la sécurité d' une batterie caractérisé par la mise en court-circuit des éléments défaillants de la batterie et le passage du courant des autres éléments par ce court- circuit (figure 1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par la surveillance distincte de la tension dont chaque élément de batterie fait l'objet, la commande éventuelle du court-circuit, en cas de défaillance d'un élément, étant faite à partir de cette surveillance ("cp" de la figure 1), par un circuit de commande ("int + cde" de la figure 1). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par la délivrance d'une alerte en cas de défaillance ("surv" de la figure 1). 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le regroupement des éléments de batterie en sous- ensembles indépendants, du point de vue sécurité, pour un fonctionnement normal avec une défaillance d'élément de batterie par sous-ensemble. 5. Dispositif pour la mise en ceuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par son autonomie: l'énergie nécessaire au fonctionnement provient des éléments de batterie intacts regroupés en sous-ensembles dont le nombre est lié à la constitution de la batterie et à son usage, le ou les sous-ensembles bons alimentent l'ensemble du circuit à travers des convertisseurs continu-continu ("conv DC/DC" de la figure 1) et un circuit l'alimentation ("Alim sécu" de la figure 1), qui délivre la tension d'alimentation nécessaire au fonctionnement de l'ensemble ("AI s" de la figure 1) et une tension de référence aux comparateurs ("réf" de la figure 1). 6. Dispositif selon les revendications 4 ou 5, caractérisé par un temps de réponse court dû à l'emploi exclusif de composants électroniques. 7. Dispositif selon les revendications 4 à 6, caractérisé par l'emploi de circuits redondants, par mise en parallèle, pour accroître la fiabilité. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé par une interchangeabilité mécanique aisée (figure 2). 9. Procédé suivant la revendication 3 caractérisé en ce que la fréquence du signal d'alerte varie: basse pour une seule défaillance et plus élevée à partir de la deuxième défaillance.