Brevet FR2798528A1 — publié le 20010316

Description La présente invention concerne un système d'alimentation en courant électrique consistant en plusieurs accumulateurs d'énergie et en au moins un appareil consomma- teur de courant. Des accumulateurs électrochimiques qui sont char- gés jusqu'à un certain degré, manifestent ce qu'on appelle un phénomène d'autodécharge dans lequel l'énergie électrique em- magasinée se réduit peu à peu, même sans charge électrique extérieure, par des processus parasites se déroulant à l'intérieur de l'accumulateur. Le taux d'autodécharge, c'est- à-dire la perte relative de l'état de charge par unité de temps, dépend aussi bien de l'état de la charge que de la température. En outre l'état de vieillissement de l'accumulateur ainsi que les conditions de fonctionnement précédentes peuvent avoir une influence sur le taux d'autodécharge. En général le taux d'autodécharge augmente de fa- çon drastique quand la température augmente. La dépendance du taux d'autodécharge à la température est conditionnée par la dépendance en température des réactions parasites que l'autodécharge provoque, un doublement du taux de réaction pour une augmentation de la température de 10 pouvant dans la plupart des cas, selon une grossière approximation, être admis. Quand plusieurs réactions parasites d'autodécharge se produisent en même temps, il peut en résulter une dépendance complexe entre la température et l'autodécharge quand les énergies d'activation des différents processus sont nettement différentes. La dépendance entre les taux d'autodécharge et l'état actuel de la charge est par contre en général com- plexe. C'est ainsi qu'il y a des accumulateurs électrochimi- ques dont le taux d'autodécharge présente un maximum à pleine charge, comme par exemple les accumulateurs au NiMH et au Ni/Cd, mais aussi des systèmes dont l'autodécharge augmente dès qu'un état de charge déterminé est sous-dépassé. En plus de l'état de charge et de la température, l'ordre de grandeur des taux d'autodécharge dépend en parti- culier du type de construction et du système électrochimique de l'accumulateur. C'est ainsi que par exemple les systèmes d'accumulateurs alcalins au NiMH et au Ni/Cd présentent 10 à % de pertes de l'état de charge en l'espace d'un mois à la température ambiante, c'est-à-dire des valeurs nettement plus élevées que celles par exemple de l'accumulateur au plomb dans lequel les pertes dans les mêmes conditions peuvent avoir un ordre de grandeur de seulement 3 % par mois. Une modification du mode d'autodécharge avec une durée croissante d'utilisation et un vieillissement croissant de l'accumulateur électrochimique peut, par exemple survenir par modification de la surface intérieure des matières acti- ves, par modification (en particulier par diminution) de ma- tières auxiliaires, par modification des surfaces des substrats, ou même par la constitution de fines terminaisons internes microscopiques. D'autres types d'accumulateurs d'énergie, tels que par exemple des condensateurs, présentent aussi un com- portement analogue à celui de l'autodécharge des accumula- teurs électrochimiques. Dans le cas des accumulateurs mécaniques d'énergie, tels que par exemple les volants d'inertie, il se produit également du fait de pertes parasi- tes, un recul de l'énergie qu'ils ont emmagasinée à la longue dans l'accumulateur. Le taux de ces pertes est, dans le cas des volants d'inertie, supérieur de plusieurs ordres de gran- deur à celui des accumulateurs électrochimiques. L'autodécharge des accumulateurs est très gênante dans le cas de temps d'accumulation assez longs. Elle conduit à une perte d'énergie et elle réduit la durée d'utilisation du système alimenté en énergie électrique par ces accumula- teurs. Dans certains cas on peut même en arriver à avoir une complète défaillance du système quand celui-ci doit être re- mis en fonctionnement après un temps de stockage. L'invention a en conséquence pour objet de main- tenir aussi petites que possibles les pertes d'un système en énergie emmagasinée. Le problème est résolu par un système d'alimen- tation en courant électrique consistant en plusieurs accumu- lateurs d'énergie et en au moins un appareil consommateur de courant, caractérisé en ce que dans les temps de non utilisa- tion du système, on reporte de l'énergie entre les accumula- teurs d'énergie d'une manière telle que la perte globale du système en énergie accumulée, du fait de processus parasites, soit minimisée. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, * au moins l'un des accumulateurs d'énergie est un accumula- teur électrochimique, * le système est disposé dans un véhicule, * on mesure le contenu actuel en énergie d'au moins l'un des différents accumulateurs et on transfère la mesure à une unité centrale de calcul, * on mesure la température actuelle d'au moins l'un des ac- cumulateurs électrochimiques et on la transfère à une uni- té centrale de calcul, * le système contient une unité centrale de calcul dans laquelle a lieu, en fonction du type de construction des différents systèmes d'accumulation et de leur contenu ac- tuel en énergie, ainsi le cas échéant que de leur tempéra- ture actuelle et d'autres grandeurs ayant une influence, une décision quant au transfert d'énergie d'un système à l'autre, * le système contient un transformateur d'intensité ou de tension pour le passage de l'énergie électrique d'un accu- mulateur à l'autre, * l'unité centrale de calcul délivre un signal pour transfé- rer de l'énergie d'un accumulateur à l'autre, seulement avec un retard de temps prédéfini après la fin de l'amenée ou du départ de l'énergie à partir de l'un des accumula- teurs, ou après la fin de l'utilisation du ou des compo- sants alimentés par les accumulateurs d'énergie, * l'unité centrale de calcul déclenche un signal pour faire passer de l'énergie d'un système d'accumulation à l'autre, seulement quand des valeurs de seuil prédéfinies de la température et/ou du contenu en énergie des accumulateurs, sont dépassées ou sous-dépassées. Dans le cas d'un véhicule automobile on connaît bien le phénomène selon lequel, après un temps d'arrêt assez long, l'état de la charge de la batterie de démarrage n'est plus suffisant, pour délivrer en quantité suffisante la puis- sance nécessaire au démarrage du moteur à combustion interne. Si toutefois un tel véhicule possède plus d'un système d'accumulation d'énergie, il en résulte, selon l'invention, un degré de liberté pour réduire les pertes en énergie électrique lors du stockage. En particulier l'objet de l'invention est un système se composant de plusieurs accu- mulateurs d'énergie qui sont disposés dans un véhicule et qui se différencient par leurs propriétés d'autodécharge. Grâce au report, selon l'invention, de l'énergie accumulée par un accumulateur vers l'autre, on peut réduire ainsi la perte d'énergie de l'ensemble du système. Selon l'invention, en fonction de paramètres tels que l'état de la charge, la température, le type de construc- tion, le vieillissement, l'histoire antérieure du fonctionne- ment, etc.. des différents accumulateurs, (en particulier des accumulateurs électrochimiques, mais en aucun cas obligatoi- rement ceux-ci) on transfère l'énergie des accumulateurs ayant des taux d'autodécharge assez élevés, vers ceux qui ont un taux d'autodécharge plus bas, pour réduire ainsi les per- tes de tout le système. Dans ce cas, on doit faire la balance entre l'avantage de cette mesure conduisant à réduire les pertes lors de l'accumulation d'énergie, et l'inconvénient d'avoir des pertes d'énergie lors du report de l'énergie d'un accumu- lateur vers l'autre. Si par exemple on relie deux accumula- teurs électrochimiques dans un système, il se produit alors des pertes lors du transfert de l'énergie de l'un vers l'autre, aussi bien lors des processus de décharge que lors des processus de charge, et la transformation de l'énergie au moyen par exemple d'un transformateur de courant conti- nu/continu ne peut se dérouler sans pertes. Il est en conséquence avantageux, en connaissant le mode d'autodécharge, l'état de la charge et la température et le cas échéant d'autres grandeurs caractéristiques de l'accumulateur d'énergie, ainsi qu'en prenant en considéra- tion les conditions de fonctionnement récurrentes et le cas échéant les conditions de fonctionnement à prévoir à l'avenir, de prendre une décision au sujet du transfert de l'énergie, ainsi qu'au sujet de l'instant et du taux du transfert. En particulier dans le cas de brèves interrup- tions du fonctionnement (par comparaison avec les taux d'autodécharge) on renoncera à l'utilisation, de même que dans le cas d'états ayant des taux d'autodécharge absolus très bas (par exemple aux basses températures). En outre dans le cas des accumulateurs électrochimiques, on choisit en gé- néral un taux de passage lent, parce qu'alors l'accumulateur aussi bien chargé que déchargé fonctionne aussi près que pos- sible de sa tension de repos et peut maintenir ainsi petites les pertes internes du passage. En plus de l'autodécharge réversible, qui en fait représente une perte d'énergie actuellement emmagasinée pou- vant toutefois être à nouveau compensée par une charge renou- velée, on connaît aussi des processus présentant des inconvénients qui se produisent lors de temps d'arrêt assez longs des accumulateurs et qui entraînent avec eux une dété- rioration des propriétés de l'accumulateur soit complètement irréversible soit ne permettant pas toutefois un retour à des conditions normales de fonctionnement. On trouve dans le premier groupe, des pertes de capacité d'accumulation telles que par exemple pour les accu- mulateurs à ions lithium lors de leur stockage à des tempéra- tures élevées, et dans le deuxième groupe, ce qu'on appelle une sulfatation dans le cas des accumulateurs au plomb en partie déchargée, et ce qu'on appelle l'effet de mémoire dans le cas des accumulateurs alcalins. Lors de ces apparitions, l'amplitude des dommages est aussi fonction de l'état de la charge et de la tempéra- ture, de telle sorte que l'on peut réaliser un état par re- port, selon l'invention, de l'énergie emmagasinée entre deux ou plusieurs accumulateurs d'énergie, état qui s'accompagne pour le système tout entier des plus faibles inconvénients. On construit un système d'alimentation en courant électrique selon l'invention, fondamentalement comme repré- senté à la figure unique annexée dans laquelle on a représen- té de façon schématique un réseau de bord à deux batteries pour un véhicule. On a désigné dans ce cas par Bl et par B2 deux batteries, par Ul et U2 les consommateurs d'électricité qui leurs sont associés, et par Gl et G2 les générateurs d'énergie associés aux batteries Bl et B2. Il va de soi qu'il peut y avoir aussi, dans des configurations concrètes, seule- ment un générateur d'énergie ou au contraire plus de deux gé- nérateurs d'énergie. Un appareil de commande St servant d'unité cen- trale de calcul reçoit, via des lignes particulières Tl et T2, des informations sur la température des batteries et, via des lignes SOC1 et SOC2, des informations sur l'état de charge des batteries. En outre l'appareil de commande St re- çoit, via la ligne B, des informations sur l'état du fonc- tionnement (en marche, hors service, etc..). Dans l'appareil de command, on décide si, quand, et de quelle manière, on fait passer l'énergie d'une batterie à une autre batterie via le transformateur de courant continu/continu. Il est avantageux de faire déclencher, par l'unité centrale de calcul, le signal servant à faire passer de l'énergie d'un accumulateur vers l'autre, seulement avec un décalage prédéfini dans le temps après la fin de l'arrivée ou du départ d'énergie de l'un des accumulateurs, ou après la fin de l'utilisation du ou des composant(s) alimentés par les accumulateurs d'énergie. Le temps de retard est fonction respectivement de l'accumulateur d'énergie considéré; dans le cas d'un conden- sateur ce temps peut être faible et atteindre par exemple en- viron 1 minute seulement. De façon appropriée, on déclenche le signal de passage de l'énergie d'un système d'accumulation à un autre dans le cas seulement o il y a un dépassement ou un sous- dépassement de valeurs de seuil prédéfinies des températures ou du contenu en énergie des accumulateurs, ou encore de com- binaison de ces grandeurs. Par exemple il n'y a pas de trans- fert d'énergie lors de valeurs trop basses de la température pour lesquelles la capacité de délivrance de courant des ac- cumulateurs est très faible, ou quand le contenu en énergie d'un accumulateur est devenu trop faible. Fondamentalement, le report d'énergie d'un accu- mulateur vers l'autre a lieu sous la condition préalable quel'on va diminuer par ce moyen un endommagement irréversi- ble de l'un des accumulateurs ou un endommagement ne pouvant pas être inversé dans d'autres conditions de fonctionnement. Exemple 1 On considère un véhicule automobile possédant un réseau de bord électrique avec deux accumulateurs électrochi- miques, une batterie au Ni/MH et un accumulateur au plomb d'une capacité électrique d'accumulation de respectivement 500 Wh. Après la fin de la marche, on suppose que l'état de charge de l'accumulateur au Ni/MH est de 80 % (correspondant à 400 Wh), et que celui de l'accumulateur au plomb est de % (correspondant à 150 Wh). Au total on a donc emmagasiné 550 Wh, c'est-à-dire utilisé 55 % de la capacité totale d'accumulation des deux accumulateurs. Dans le cas d'une interruption de fonctionnement supposée de 6 semaines, l'état de charge de l'accumulateur au Ni/MH se serait réduit par exemple que d'environ 30 % à 50 %, ce qui correspond à une perte de 150 Wh. L'accumulateur au plomb aurait perdu dans le même temps seulement environ 5 % (par rapport à sa capacité nominale), ce qui correspond à une perte de 25 Wh. Si l'on fait passer alors de l'énergie élec- trique de l'accumulateur au Ni/MH vers l'accumulateur au plomb, l'état de charge du premier baisse et celui du second augmente. Du fait que la réaction d'autodécharge est forte- ment dépendante de l'état de charge de l'accumulateur au NiMH, on réduit dans ce cas nettement la perte globale du système. Si l'état de charge de l'accumulateur au Ni/MH a baissé de 250 Wh à 150 Wh, et si en même temps celui de l'accumulateur au plomb a augmenté de 150 Wh à 100 Wh, la perte du premier baisse en 6 semaines d'environ 5 %, corres- pondant à 25 Wh, tandis que la perte de l'autre reste à peu près inchangée à 25 Wh. De cette façon la perte en énergie de tout le système diminue de 175 Wh à 50 Wh. L'économie ainsi réalisée de 125 Wh atteint presque 1/4 de la quantité d'énergie de 550 Wh qui se trouvait au total initialement dans les deux accumulateurs. Comme un tel véhicule équipé de deux batteries à bord dispose habituellement de capteurs de température et de détecteurs de l'état de charge des batte- ries, et comme il y a aussi des transformateurs de tension qui peuvent effectuer un transfert d'énergie d'un système vers l'autre, la réalisation de la présente invention ne né- cessite seulement qu'une unité de commande qui exploite les valeurs de mesure de ces capteurs et qui décide si, et dans quelle proportion, ainsi qu'à quel moment et avec quel taux, il y a lieu de transférer de l'énergie d'un accumulateur vers l'autre. Le gain en réduction des pertes est en général suf- fisant pour faire plus que compenser les pertes électriques et électrochimiques qui se produisent lors du transfert d'énergie électrique d'un système vers l'autre. Exemple 2 Lors de la combinaison d'accumulateurs électro- chimiques avec des accumulateurs qui ont des taux d'autodécharge très élevés tels que des accumulateurs (élec- tro)-mécaniques (par exemple des volants d'inertie), ou aussi avec des supercondensateurs, on transfère déjà après un court temps d'attente, l'énergie emmagasinée dans ces derniers, dans l'accumulateur électrochimique. Si un volant d'inertie au bout d'une heure devait avoir perdu déjà environ 90 % de l'énergie qu'il avait emmagasinée, il est alors raisonnable, du point de vue énergétique, de transférer déjà au bout de quelques minutes l'énergie qu'il a emmagasinée, dans l'accumulateur électrochimique, s'il n'y a pas d'indication que le système doit être remis en service à bref délai. Si un tel système est monté dans un véhicule au- tomobile, on déclenche par exemple ce processus, dès que l'on parque le véhicule et que le conducteur l'a quitté et fermé. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Système d'alimentation en courant électrique consistant en plusieurs accumulateurs d'énergie (B1, B2) et en au moins un appareil consommateur de courant (V1, V2), caractérisé en ce qu' au moins l'un des accumulateurs d'énergie (B1, B2) est un ac- cumulateur électrochimique et dans les temps de non utilisation du système, on reporte de l'énergie entre les accumulateurs d'énergie minimisant la perte globale du système en énergie accumulée, du fait de processus parasites. 2 ) Système d'alimentation en courant électrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu' il est installé dans un véhicule. 3 ) Système d'alimentation en courant électrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu' il contient une unité centrale de calcul (St) qui décide du transfert d'énergie d'un système à l'autre, en fonction du type de construction des différents systèmes d'accumulation et de leur contenu actuel en énergie, ainsi que le cas échéant en fonction de leur température actuelle et d'autres grandeurs ayant une influence. 4 ) Système d'alimentation en courant électrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu' il contient un transformateur d'intensité ou de tension pour le passage de l'énergie électrique d'un accumulateur à l'autre. 5 ) Procédé de mise en oeuvre d'un système d'alimentation en courant électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on mesure le contenu actuel en énergie d'au moins l'un des différents accumulateurs (B1, B2) et on transfère la mesure à une unité centrale de calcul (St). 6 ) Procédé de mise en oeuvre d'un système d'alimentation en courant électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on mesure la température actuelle d'au moins l'un des accumu- lateurs électrochimiques (B1, B2) et on la transfère à une unité centrale de calcul (St). 7 ) Procédé de mise en oeuvre d'un système d'alimentation en courant électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'unité centrale de calcul (St) délivre un signal pour trans- férer de l'énergie d'un accumulateur à l'autre, seulement avec un retard de temps prédéfini après la fin de l'amenée ou du départ de l'énergie à partir de l'un des accumulateurs, ou après la fin de l'utilisation du ou des composants alimentés par les accumulateurs d'énergie. 8 ) Procédé de mise en oeuvre d'un système d'alimentation en courant électrique, selon la revendications 3, caractérisé en ce que l'unité centrale de calcul (St) déclenche un signal pour faire passer de l'énergie d'un système d'accumulation à l'autre, seulement quand des valeurs de seuil prédéfinies de la température et/ou du contenu en énergie des accumulateurs, sont dépassées ou sous-dépassées.