Brevet FR2890175A1 — publié le 20070302

L'invention concerne les mesures de tensions des éléments ou des groupes d'éléments des batteries en cours de fonctionnement. La mesure des tensions aux bornes des éléments ou groupes d'éléments, c'est-à-dire des tensions fournies par chacun des groupes, d'une batterie au cours de son fonctionnement, est nécessaire pour assurer une gestion et une surveillance correctes de l'énergie électrique disponible à la sortie de la lo batterie des véhicules automobiles ainsi que leur capacité à répondre à des sollicitations importantes de charge ou de décharge, particulièrement lorsqu'il s'agit de véhicules hybrides ou totalement électriques puisque dans ce cas, la batterie est une source principale de locomotion, sinon la seule source. Comme les mesures des tensions fournies par les groupes doivent être effectuées en cours de fonctionnement, il n'est pas possible d'isoler les groupes et par conséquent chaque mesure doit être effectuée sur chaque groupe relativement à une tension de référence qui est la tension de sortie du groupe qui le précède, différente pour chaque groupe, de sorte qu'à l'extrême, la tension fournie par le dernier groupe est mesurée relativement à une tension de référence égale environ, pour un véhicule électrique, à quinze à vingt-cinq fois sa valeur. Pour un groupe donné, la mesure est effectuée par un amplificateur 25 opérationnel monté de façon à soustraire sa tension de référence de sa tension de sortie et obtenir ainsi la tension qu'il fournit. Pour traiter l'ensemble des mesures et par exemple effectuer des calculs pour donner l'état de charge, ou de santé, de la batterie (disponibilité prévisionnelle) en utilisant conjointement d'autres paramètres (courant, température, ...), en un mot pour gérer la batterie, il est nécessaire de rapporter par des circuits d'adaptation toutes les mesures à une référence commune. 2890175 2 Mais comme la qualité, donc le coût, d'un amplificateur dépend de l'ensemble de ses erreurs, dont l'une est fonction de la tension de mode commun, c'est-à-dire de la demi somme de ses entrées, il importe de limiter au maximum les autres erreurs, notamment celles qu'entraîneraient des circuits d'adaptation complexes et, surtout, de pouvoir s'affranchir de cette erreur de mode commun. Le document US 6 313 637 propose une solution consistant à numériser les mesures immédiatement en sortie des amplificateurs, à limiter les erreurs des Io amplificateurs, puis à transmettre les données numériques par photo couplage à un microprocesseur pour traitement. Mais ce procédé reste coûteux, car il nécessite autant de convertisseurs analogiques numériques (CAN) que de groupes d'éléments. is Le document US 6 184 656 propose quant à lui un système dans lequel les mesures sont transmises à un organe central par radio, ce qui impose un émetteur radio sur chaque groupe. Cette solution est également très coûteuse. La demanderesse propose quant à elle une solution bien plus légère ne 20 nécessitant ni CAN ni moyens radio. Ainsi, l'invention concerne tout d'abord un procédé de mesure de tensions différentielles captées aux bornes d'une pluralité de groupes d'éléments de batterie montés en série, chaque groupe ayant une tension de référence, une tension de sortie et une tension différentielle égale à la différence entre les tensions de référence et de sortie, procédé caractérisé par le fait que, voulant disposer de sa tension différentielle par rapport à un potentiel de référence différent de sa tension de référence, la tension différentielle d'un groupe est transformée en un signal périodique, de fréquence proportionnelle à la tension mesurée, pouvant être directement traité par des moyens de traitement centralisé, le signal, avant traitement, étant envoyé sur un moyen d'isolation galvanique. Avantageusement, la tension différentielle d'un groupe est transformée en un 2890175 3 train de signaux pouvant être directement traité comme un train de signaux logiques. De préférence, les signaux sont traités cycliquement dans le temps, chaque 5 cycle correspondant à la transmission d'au moins une mesure. De préférence encore, selon un premier mode de fonctionnement, les signaux sont assimilables à des impulsions binaires dont la fréquence est représentative de la mesure. Dans ce cas, il suffit de compter les impulsions pendant une durée prédéterminée dans le cycle. Selon un second mode de fonctionnement, les signaux sont assimilables à des 15 impulsions modulées en largeur, la modulation déterminant un rapport cyclique représentatif de la mesure. Dans ce cas, il suffit de compter les tops d'une horloge intervenant pendant une impulsion ou, ce qui revient au même, pendant un cycle. Avantageusement toujours, on peut multiplexer les trains de signaux en fonction des groupes surveillés sur un même compteur et une même horloge. La réalisation du dispositif mettant en uvre le procédé de l'invention est 25 alors particulièrement économique. Ainsi, l'invention concerne également un dispositif de mesure de tensions différentielles aux bornes d'une pluralité de groupes d'éléments de batterie en série, comportant aux bornes de chaque groupe, un ensemble de conversion tension-fréquence délivrant un signal périodique, sous forme d'impulsions binaires dont la fréquence f est représentative de la mesure de tension différentielle, et qui est transmis à des moyens de traitement centralisé des mesures à travers des moyens d'isolation galvanique. io 2890175 4 L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante du procédé et du dispositif de mesure de tensions différentielles selon l'invention, en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente un schéma électrique mettant en oeuvre le premier 5 mode de fonctionnement du procédé de mesure et de transmission d'une mesure de tension différentielle selon l'invention; - la figure 2 représente un schéma électrique mettant en oeuvre le second mode de fonctionnement du procédé de mesure et de transmission d'une mesure de tension différentielle selon l'invention; et io - la figure 3 est un chronogramme des principaux trains de signaux correspondant aux fonctionnements des premier et second modes de fonctionnement selon l'invention. En référence à la figure 1, une batterie 1 de véhicule automobile comporte une pluralité de groupes 2 en série comportant un certain nombre d'éléments de batterie d'environ 1,25 volts. Sur la figure 1, on n'a figuré qu'un groupe 2 comportant un seul élément 2 par souci de clarté. Chaque groupe 2 délivre une tension différentielle DV captée par un amplificateur opérationnel 11 dont la sortie commande un moyen de conversion tension fréquence 12. L'ensemble 3, comprenant l'amplificateur 11 et le convertisseur 12, peut être remplacé par un circuit oscillateur à quartz 3 commandé par tension VCXO ( Voltage Controlled Crystal Oscillator ) bien connu. L'ensemble 3 délivre, en référence à la figure 3, un train ininterrompu de signaux F3 sous forme d'impulsions binaires dont la fréquence f est représentative de la mesure DV. Ce train de signaux F3 est transmis à des moyens 5 de traitement centralisé des mesures de tension différentielle des groupes 2 à travers des moyens 4 d'isolation galvanique, photocoupleur ou autres moyens inductifs, dont la bande passante doit être suffisante pour laisser passer le signal vers les moyens de traitement 5, et un interrupteur 6 de multiplexage. 2890175 5 Il y a autant d'ensembles 3, de moyens d'isolation 4 et d'interrupteurs 6 que de groupes 2. Ainsi, par multiplexage, les moyens de traitement 5 scrutent cycliquement tous les groupes 2 en commandant cycliquement les interrupteurs 6. Ici, les moyens de traitement centralisé 5 comportent un microprocesseur 8, une horloge 9 et un compteur 10. io Cadencé par l'horloge 9, le microprocesseur 8 commande l'interrupteur 6 pendant le cycle F6 de durée to et, dans ce cycle F6 de la scrutation, l'horloge 9 détermine une phase F9 de durée t durant laquelle il doit recevoir un train de signaux représentatifs de la mesure DV correspondant au groupe 2. Pendant cette phase F9, le compteur 10 effectue le comptage du nombre n d'impulsions F3 et en transmet le résultat au microprocesseur 8, lequel en déduit la fréquence f, égale à n / t, donc la mesure DV, qui est une fonction prédéterminée de f qui est mise en oeuvre dans le microprocesseur 8. La durée t de la phase F9 doit être plus petite que la moitié de la durée to des cycles F6, de façon à ce que le multiplexage et le comptage puissent être asynchrones. Le début du comptage F10 est alors synchronisé sur le premier front montant de la phase F9 présent dans le cycle F6. Dans ce premier mode de fonctionnement, on notera que les signaux F3 représentatifs de la mesure DV le sont par leur fréquence f. Sur la figure 2, on retrouve la même structure du dispositif décrit précédemment et représenté sur la figure 1, les mêmes références correspondant aux mêmes moyens ou éléments. L'ensemble 3 est remplacé par l'ensemble 13 comportant un amplificateur opérationnel 20 monté en intégrateur, une bascule à seuil 18, une résistance 16, et une horloge 17. L'ensemble réalise une modulation d'impulsion en 2890175 6 largeur MIL, plus connue sous l'appellation PWM ( Pulse Width Modulation ) de la façon expliquée ci-dessous. L'intégrateur 20 est connecté aux bornes du groupe 2 au début d d'un cycle s pendant un temps tl au cours duquel il se charge. Puis il est connecté à la résistance 16 et à l'entrée de la bascule 18 pendant un temps t2, résistance dans laquelle il se décharge. Ce processus de durée tl + t2 est répété cycliquement de façon ininterrompue et est cadencé par l'horloge 17. io En sortie de la bascule 18, on obtient un train de signaux F13 qui est une modulation d'impulsions en largeur t3 dont le rapport cyclique t3 / t2 est représentatif de la mesure DV. Les temps t 1 et t2 étant prédéterminés dans l'horloge 17, t3 est représentative de DV, qui est une fonction prédéterminée de t3 mise en oeuvre dans le microprocesseur 8. La durée totale tl + t2 doit être inférieure à la moitié de la durée to du cycle F6 pour qu'il y ait au moins une phase F13 comprise entièrement dans le cycle F6. Dans ce second mode de fonctionnement les rôles de l'horloge 19 et des signaux transmis F13 sont inverses de ceux remplis par l'horloge 9 et les signaux F3 du premier mode de fonctionnement. Ici l'horloge 19 délivre des tops d'horloge F19 destinés à être comptés par le compteur 14 et les impulsions F13 définissent les temps t3 de comptage correspondants. Pour cela, le compteur 14 diffère du compteur 10 en ce qu'il comporte en entrée une porte ET (non représentée) pour hacher les impulsions F13 par les tops F19 et ne compter ces tops que pendant les durées t3 de la phase de comptage F14 de durée tl + t2, phase F14 qui est synchronisée par le premier front montant du train de signaux F13 présent dans le cycle F6. Par suite, le compteur 14 mesure la durée t3. Dans ce second mode de fonctionnement, on notera que les signaux F13 représentatifs de la mesure DV le sont par leur durée t3. 2890175 7 REVENDICATIONS 1. - Procédé de mesure de tensions différentielles captées aux bornes d'une pluralité de groupes (2) d'éléments de batterie montés en série, chaque groupe ayant une tension de référence, une tension de sortie et une tension différentielle égale à la différence entre les tensions de référence et de sortie, procédé caractérisé par le fait que, voulant disposer de sa tension de référence, la tension différentielle d'un groupe est transformée en un signal périodique, de fréquence proportionnelle à la tension mesurée, pouvant être directement io traité par des moyens de traitement centralisé (5; 15), le signal, avant traitement, étant envoyé sur un moyen d'isolation galvanique (4). 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, dans lequel la tension différentielle d'un groupe est transformée en un train de signaux pouvant être 15 directement traité. 3. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les signaux sont traités cycliquement (F6) dans le temps, chaque cycle (F6) correspondant à la transmission d'au moins une mesure (DV). 4. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les signaux (F3) sont assimilables à des impulsions binaires dont la fréquence (f) est représentative de la mesure (DV). 5. - Procédé selon la revendication 4, dans lequel on compte (10) les impulsions pendant une durée prédéterminée (t) dans le cycle (F6). 6. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les signaux (F13) sont assimilables à des impulsions modulées en largeur. 7. - Procédé selon la revendication 6 dans lequel on compte (14) les tops d'une horloge (19) intervenant pendant une impulsion. 8. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on multiplexe 2890175 8 les trains de signaux (F3, F13) en fonction des groupes (2). 9. Dispositif de mesure de tensions différentielles aux bornes d'une pluralité de groupes (2) d'éléments de batterie en série, comportant, aux bornes de chaque groupe, un ensemble (3) de conversion tension-fréquence délivrant un signal périodique, sous forme d'impulsions binaires dont la fréquence f est représentative de la mesure de tension différentielle, et qui est transmis à des moyens (5) de traitement centralisé des mesures à travers des moyens d'isolation galvanique (4). io 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel l'ensemble de conversion tension-fréquence (3) comporte un amplificateur opérationnel (11). 11. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel l'ensemble de conversion tension-fréquence comporte un oscillateur à quartz commandé par tension (3). 12. Dispositif de mesure de tensions différentielles aux bornes d'une pluralité de groupes (2) d'éléments de batterie en série, comportant, aux bornes de chaque groupe, un ensemble (13) de conversion de la tension en signaux sous forme d'impulsions modulées en largeur, dont le rapport cyclique est représentatif de la mesure de tension différentielle, et qui sont transmis à des moyens (15) de traitement centralisé des mesures à travers des moyens d'isolation galvanique (4). 13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel les moyens de traitement centralisé (5; 15) commandent une pluralité d'interrupteurs de multiplexage (6) pour la scrutation cyclique des groupes d'éléments (2).