Brevet FR2951320A1 — publié le 20110415

L'invention concerne une batterie électrique notamment destinée à la traction d'un véhicule automobile électrique ou hybride, c'est-à-dire comprenant un moteur électrique d'entraînement des roues motrices combiné avec un moteur thermique d'entraînement de ces roues ou éventuellement d'autres roues motrices. En particulier, l'invention s'applique pour un haut degré d'hybridation des véhicules thermiques qui peut aller jusqu'à une électrification complète de la chaîne de traction. Dans ce cas, les batteries ne servent plus uniquement à assister les véhicules dans des phases d'accélération mais également à assurer le déplacement du véhicule de manière autonome sur des distances plus ou moins importantes. La batterie électrique selon l'invention peut également trouver son application dans d'autres domaines techniques, par exemple pour le stockage d'énergie électrique dans d'autres modes de transport, notamment en aéronautique. Par ailleurs, dans des applications stationnaires telles que pour des éoliennes, la sécurisation d'une batterie selon l'invention peut également être utilisée de façon avantageuse. Pour garantir les niveaux de puissance et/ou d'énergie requis pour les applications considérées, il est nécessaire de créer des batteries comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production d'électricité. Les éléments générateurs comprennent classiquement une enveloppe étanche, souple ou rigide, qui est pourvue de deux bornes de connexion dudit élément au circuit de production. Un empilement ou un enroulement de couches électro actives agissant successivement comme cathodes et anodes est disposé dans l'enveloppe, lesdites couches étant mises en contact par l'intermédiaire d'un électrolyte. En particulier, des éléments électrochimiques de type Lithium û ion ou Lithium û polymère peuvent être utilisés pour générer l'énergie électrique requise. 2 Les éléments générateurs peuvent présenter des défauts de fonctionnement, par exemple induits par une usure, une malfaçon ou une utilisation abusive, qui font courir un risque quant au bon fonctionnement de la batterie, notamment relativement à la sécurité d'utilisation et/ou à la production d'électricité attendue. En particulier, des éléments défectueux peuvent subir une succession de réactions chimiques exothermiques pouvant conduire à un emballement thermique qui, combiné à une production de gaz à l'intérieur de l'enveloppe ~o étanche, induit un processus réactionnel divergeant faisant courir le risque d'une explosion de l'élément. Pour sécuriser et maintenir les batteries dans de bonnes conditions opérationnelles, on connaît de l'art antérieur l'utilisation de diodes qui sont 15 agencées pour dériver le courant d'un élément ou d'un groupement d'éléments défaillant, notamment lorsque celui-ci sort d'une plage de tension prédéfinie. Toutefois, cette solution est quasiment impossible à mettre en oeuvre dans le cadre des batteries de forte puissance et de forte énergie qui sont nécessaires 20 à la traction des véhicules automobiles, par exemple nécessitant un tension de fonctionnement de plusieurs centaines de volts (généralement entre 300 et 700V). En effet, l'énergie détournée dans la diode se trouve dissipée sous forme thermique et la production de chaleur associée peut rapidement devenir ingérable lorsque la taille de la batterie augmente. 25 Une variante de réalisation a été proposée dans le cadre du document FR-2 803 123 qui prévoit de décharger un élément de batterie défaillant sur un consommateur d'énergie de sorte, une fois déchargé, à pouvoir le court-circuiter sans risque. Toutefois, un tel consommateur d'énergie conduit à des 30 échauffements significatifs, ainsi qu'à des délais de mise en sécurité de l'élément pouvant être en dehors du besoin de sécurisation. Par ailleurs, cette 3 solution interdit un fonctionnement réversible en ce sens qu'un élément de batterie complètement déchargé devient définitivement inopérationnel. On connaît également des actionneurs notamment pyrotechniques qui permettent de shunter un ou plusieurs éléments de batterie sans dissipation thermique et avec un temps de shuntage rapide, par exemple de l'ordre de la milliseconde. Ainsi, on améliore le caractère transitoire du phénomène redouté de court-circuit de l'élément shunté, ce qui permet d'en limiter les conséquences en termes de sécurité et d'endommagement dudit élément. Bien que le risque de court-circuit puisse être minimisé par une réduction à l'extrême des temps de shuntage, lorsque la taille des batteries augmente et que leur tension de fonctionnement s'accroit, un risque supplémentaire de création d'arcs électriques apparait lors de l'ouverture des circuits électriques. La rapidité des temps de transition des actionneurs pyrotechniques ne permet pas d'éviter ces risques de formation d'arcs électriques. Par ailleurs, ces actionneurs restent coûteux et encombrants pour leur implantation sur chacun des éléments d'une batterie de forte énergie. En outre, ne pouvant fonctionner qu'une seule fois, leur irréversibilité n'autorise pas leur utilisation afin de sécuriser la batterie lors des opérations de maintenance. Par ailleurs, de manière à sécuriser l'utilisation des batteries de forte énergie, des contacteurs de puissance sont généralement branchés en série afin de pouvoir sectionner le circuit de production. En particulier, des sectionneurs pouvant fonctionner manuellement, connus sous le nom de « service-plugs », servent en théorie à sécuriser les opérations de maintenance. Cependant, de tels contacteurs coûtent chers, sont très encombrants et ne sont par conséquent installés qu'aux bornes des batteries. Leur ouverture n'interdit par conséquent pas la présence de haute tension à l'intérieur des batteries, ni même les risques de court-circuit dans les batteries. Toujours s'agissant de la sécurité, il est important de noter l'importance de la capacité de la batterie vis-à-vis de son comportement sécuritaire. En effet, les 4 batteries et éléments sont susceptibles de présenter des courts-circuits internes (défauts du séparateur, apparition de dendrites, présence d'impuretés métalliques...) qui peuvent conduire à des phénomènes d'échauffement localisé au niveau de ces courts-circuits, déclenchant un mécanisme d'emballement thermique de l'élément. Un des facteurs le plus influant s'agissant de la maitrise de ce risque reste la capacité de la batterie. En effet, plus la capacité de l'élément sera importante, plus la densité de courant et l'échauffement local sera important, favorisant ainsi le départ de réactions divergentes. II est par conséquent extrêmement difficile de sécuriser la mise en oeuvre d'éléments. de forte capacité dans une batterie, que ces derniers soient montés en série dans le circuit de production de façon unitaire ou groupés en parallèle dans des cellules. Par ailleurs, pour garantir la durée de vie et optimiser l'autonomie et la fonctionnalité des batteries, il est important que les éléments ou les cellules montés en série soient parfaitement équilibrés électriquement. En effet, des éléments trop déchargés ou trop chargés peuvent être altérés de sorte que leur durée de vie s'en trouve réduite, ou bien, dans un cas extrême, peuvent donner lieu à un risque d'emballement thermique. Pour une température donnée, un élément ayant été complètement déchargé de sa capacité franchit un seuil de tension signifiant que sa capacité est vidée. Pour des raisons de variation dans la qualité des produits, de cinétiques de vieillissement différentes, les capacités intrinsèques des éléments peuvent être plus ou moins dispersées. La décharge de la batterie sera stoppée dès lors que l'élément de plus faible capacité sera vidé, c'est-à-dire qu'il franchira un seuil de tension bas. Ainsi toute l'énergie contenue dans les éléments non complètements vidés ne peut pas être utilisée, causant un préjudice économique. Inversement, lors de la recharge, le processus sera stoppé lorsqu'un des éléments aura franchi le seuil de tension haute. La batterie ne sera alors pas complètement remplie, induisant une perte d'autonomie sur le véhicule à alimenter. Afin de poursuivre la charge de la batterie, l'énergie contenue dans l'élément le plus chargé peut être dissipée dans une résistance afin de ramener sa tension au niveau de celle des autres éléments. Une telle stratégie nécessite du temps pour atteindre le niveau d'équilibrage et dissipe de l'énergie sous forme de chaleur. Cette augmentation de température peut par ailleurs poser des problèmes de fiabilité. L'invention vise à résoudre les problèmes de l'art antérieur en proposant notamment une batterie électrique de forte énergie et de forte puissance dont chaque élément peut être shunté en toute sécurité du circuit de production, et ce sans interruption de la production d'électricité. En outre, le shuntage peut être réalisé de façon sélective et réversible afin d'éviter les risques liés à un élément défectueux, de sécuriser les opérations de maintenance et d'assurer un équilibrage des éléments ou des cellules montés en série tant lors de la charge que lors de la décharge de la batterie. A cet effet, l'invention propose une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production d'électricité, chaque élément étant conditionné dans une enveloppe étanche qui est pourvue de deux bornes de connexion dudit élément au circuit de production, une borne de chaque élément est connectée au circuit de production par l'intermédiaire d'un premier dispositif de commutation électronique de la connexion dudit élément au circuit de production, et chaque élément est équipé d'une boucle de shuntage qui est montée de part et d'autre des bornes dudit élément pour pouvoir le shunter tout en maintenant le circuit de production fermé, ladite boucle de shuntage étant équipée d'un deuxième dispositif de commutation électronique de sa connexion au circuit de production. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures jointes dans lesquelles : la figure 1 illustre le montage d'une cellule dans le circuit de production d'une batterie électrique selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 illustre une variante de réalisation du montage selon la figure 1. En relation avec les figures, on décrit ci-dessous une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments E générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production d'électricité. En particulier, l'électrochimie des éléments E peut être de type Lithium û ion ou Lithium û 10 polymère pour générer l'énergie électrique requise. Chaque élément E est conditionné dans une enveloppe étanche qui est pourvue de deux bornes de connexion 1, 2, respectivement une anode et une cathode, dudit élément au circuit de production. Dans l'enveloppe, est disposé 15 un empilement ou un enroulement de couches électro actives agissant successivement comme cathodes et anodes, lesdites couches étant mises en contact par l'intermédiaire d'un électrolyte. Les couches peuvent être conditionnées dans une enveloppe souple. En variante, elles peuvent être conditionnées dans un container rigide. 20 Selon un mode de réalisation, les éléments E peuvent être montés en série dans le circuit de production. Selon un autre mode de réalisation, la batterie comprend une pluralité de cellules D qui sont montées en série dans le circuit de production, chaque cellule D comprenant au moins deux éléments E montés 25 en parallèle. Sur les figures, la cellule D comprend deux éléments E montés en parallèle, une borne 1 de chaque élément E étant connectée au circuit de production par l'intermédiaire d'un premier dispositif 3 de commutation électronique de la 30 connexion dudit élément au circuit de production. En outre, chaque élément E est équipé d'une boucle de shuntage 4 qui est montée de part et d'autre des bornes 1, 2 dudit élément pour pouvoir le shunter 7 afin que le courant électrique ne traverse plus ledit élément, tout en maintenant le circuit de production fermé de sorte que les autres éléments E connectés au circuit de production puissent continuer à fournir l'électricité requise. Afin de pouvoir shunter un élément E du circuit de production, la boucle de shuntage 4 est équipée d'un deuxième dispositif 5 de commutation électronique de sa connexion au circuit de production. En particulier, les dispositifs 3, 5 de commutation permettent de modifier l'état de connexion de l'élément E ou de la boucle de shuntage 4 au circuit de production, notamment d'ouvrir et de fermer ladite connexion comme dans le cas d'un interrupteur. Les éléments E peuvent également être équipés de séparateurs, d'aérateurs (ventings en anglais) et/ou de coupe-circuits, tels que ceux connus de l'art antérieur, ces dispositifs pouvant, après shuntage, être activés sans risque de claquage diélectrique puisque l'élément E est alors isolé électriquement. La figure 1 montre une cellule D dans laquelle la boucle de shuntage 4 est commune aux éléments E montés en parallèle. En variante, on peut prévoir une boucle de shuntage 4 et donc un deuxième dispositif 5 de commutation pour chacun des éléments E d'une cellule D. La cellule D est représentée en configuration dans laquelle les deux éléments E alimentent le circuit de production en électricité, à savoir dans laquelle les deux premiers dispositifs 3 de commutation sont fermés et le deuxième dispositif 5 de commutation est ouvert pour déconnecter la boucle de shuntage 4. Selon différents modes de réalisation, les dispositifs 3, 5 de commutation comprennent au moins un commutateur choisi parmi les diodes, les commutateurs MOSFET (pour Metal-Oxyd Semiconductor Field Effect Transistor en anglais ou Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde), les transistors bipolaires, les transistors bipolaires à grille isolée IGBT et les thyristors, les premier et deuxième dispositifs 3, 5 de commutation pouvant être de nature identique ou différente. En particulier, comme représenté sur la figure 2 en relation avec les premiers dispositifs 3 de commutation, un dispositif de commutation peut comprendre un couple de commutateurs 6 MOSFET montés en parallèle tête bêche. Ainsi, un commutateur 6 MOSFET étant unidirectionnel, on peut déconnecter l'élément E tout en permettant le passage du courant dans les deux sens, respectivement lors de la charge et lors de la décharge dudit élément. Sur la figure 2, le deuxième dispositif 5 de commutation comprend un commutateur 6 MOSFET et une diode 7 montée en parallèle, ladite diode remplaçant un commutateur 6 MOSFET selon le premier dispositif 3 afin de réduire les coûts. La diode 7 utilisée peut notamment être de type sans commande externe, c'est-à-dire qu'elle est apte à ouvrir la connexion dans la boucle de shuntage 4 au dessus d'une tension seuil, par exemple de l'ordre de 0,6 V. La batterie électrique comprend en outre un système de pilotage réversible des dispositifs 3, 5 de commutation, ledit système permettant le shuntage sélectif des éléments E tout en maintenant le circuit de production fermé. En particulier, le shuntage d'un élément E comprend l'ouverture du deuxième dispositif 5 de commutation puis l'ouverture du premier dispositif 3 de commutation. Selon une réalisation, le shuntage d'un élément E peut s'accompagner du shuntage de tous les autres éléments E de la cellule D, c'est-à-dire l'ouverture de tous les premiers dispositifs 3 de commutation de ladite cellule. L'utilisation de dispositifs 3, 5 de commutation électronique, notamment de commutateurs 6 MOSFET, permet un actionnement extrêmement rapide de l'ouverture / fermeture des connexions, par exemple d'une durée de l'ordre de quelques microsecondes, ce qui rend la mise en court-circuit des éléments E transitoire et extrêmement rapide. 9 Selon une réalisation, le système de pilotage comprend une fonction de shuntage réversible de l'ensemble des éléments E. En particulier, cette fonction peut être activée afin de sécuriser la maintenance de la batterie en supprimant toute source de tension. En outre, cette fonction peut être activée après la détection d'un choc pouvant affecter la batterie. En particulier, pour une batterie destinée à la traction d'un véhicule automobile, le choc détecté peut concerner un accident sur ledit véhicule, en particulier un crash pouvant affecter l'intégrité mécanique de la ~o batterie. Ainsi, on élimine tout risque d'électrocution des personnels de secours par contact avec la haute tension de la batterie, ainsi que les risques d'incendie. Selon une réalisation, la batterie comprend un système de surveillance de l'apparition d'un défaut de fonctionnement d'au moins un élément E, ledit 15 système de surveillance étant apte à actionner le système de pilotage pour shunter au moins un élément E. Ainsi, la sécurisation du fonctionnement de la batterie peut être réalisée en surveillant l'apparition d'un défaut de fonctionnement des éléments E et, en cas 20 de détection du fonctionnement défectueux d'un élément E, en actionnant le shuntage dudit élément défectueux afin que le courant électrique ne traverse plus ledit élément défectueux tout en maintenant le circuit de production fermé. La détection d'un défaut permet d'actionner rapidement le shuntage de 25 l'élément E défectueux, de sorte à isoler électriquement ledit élément défectueux du circuit de production. Ainsi, dès l'apparition d'un défaut, l'élément E défectueux n'est plus sollicité électriquement de sorte notamment à éviter une aggravation dudit défaut pouvant conduire à un événement risqué relativement au fonctionnement de la batterie. En particulier, on évite ainsi tout emballement 30 thermique au sein d'un élément E défectueux. En outre, la production électrique de la batterie n'est alors pas interrompue de sorte notamment à pouvoir satisfaire aux exigences relatives au temps nécessaire pour que le conducteur puisse sortir sans danger de l'espace de circulation. 10 Selon une stratégie de sécurisation, en cas de fonctionnement défectueux d'un élément E d'une cellule D, on actionne le shuntage de tous les éléments E de ladite cellule, de sorte à éviter les risques de sur-décharge des éléments E ou d'inversion sur un des éléments E de la cellule D. Ainsi, lorsqu'un élément E d'une cellule D est défaillant, la batterie est sécurisée en cloisonnant l'énergie contenue dans chacun des éléments E montés en parallèle en cas de court-circuit interne et en évitant la formation d'arcs électriques, claquages diélectriques, pouvant donner lieux à des risques d'emballement thermique lorsqu'ils apparaissent dans la cellule D. Une telle stratégie permet donc de couper les connexions électriques entre éléments E montés en parallèle, ce qui limite le risque d'enclenchement de processus divergeant lorsqu'un court-circuit apparait sur l'un des éléments E d'une cellule D. Selon une réalisation, la batterie comprend un système de surveillance de l'état de charge d'au moins un élément E, ledit dispositif de surveillance étant apte à actionner le système de pilotage pour, en fonction de leur état de charge, shunter au moins un élément E, notamment des éléments E ou des cellules D montés en série. Ainsi, le système de pilotage réversible des dispositifs 3, 5 de commutation peut être mis à profit pour équilibrer la batterie sans perte d'énergie, induisant par voie de conséquence un gain d'autonomie. En effet, cette possibilité de shunter un ou l'ensemble des éléments E peut également être mise à profit pour réaliser un équilibrage électrique de la batterie sans dissiper de l'énergie à travers une résistance. En particulier, les éléments E ou les cellules D montés en série ayant les tensions les plus élevées peuvent être shuntés successivement durant la phase 11 de recharge. Cette stratégie de gestion permet de conserver une tension de fonctionnement de la batterie cohérente à la plage de fonctionnement du chargeur en s'assurant de ne pas shunter simultanément un trop grand nombre d'éléments E ou de cellules D. Ce shuntage d'un élément E ou d'une cellule D peut être réalisé pendant la charge des autres éléments E ou cellules D de batterie et permet de conserver de faibles durées d'équilibrage. De la même manière, les éléments E ou les cellules D les plus faibles peuvent être avantageusement shuntés pendant la décharge de manière à solliciter davantage les éléments E ou les cellules D contenant plus d'énergie, afin de les faire converger tous à 0% de SOC (State Of Charge en anglais ou état de charge) en fin de décharge. Cette gestion permet donc d'augmenter l'énergie utilisée dans la batterie sans créer de pertes par des effets de dissipation thermique. Par ailleurs, le système de pilotage réversible des dispositifs 3, 5 de commutation peut être mis à profit pour adapter la tension de la batterie en branchant plus ou moins d'éléments E au circuit de production. La batterie proposée par l'invention permet une réelle sécurisation de son fonctionnement, notamment en relation avec des batteries Li-ion de forte énergie, que se soit dans des configurations d'utilisations quotidiennes de type maintenance, ou bien dans le cas de dysfonctionnements. En particulier, la sécurisation peut être réversible et le shuntage sélectif permet, durant la charge, de réaliser des équilibrages sans dissipation thermique et sans nécessiter d'avoir atteint l'état de charge maximal d'un élément E ou d'une cellule D avant d'être déclenché. L'invention permet également de compenser les différences de capacité entre éléments E lors de phases d'utilisation, sans dissiper d'énergie et en maximisant la quantité d'énergie disponible dans la batterie. En outre, en cas de shuntage, le courant ne peut plus circuler entre les éléments E, ce qui 12 contribue à sécuriser l'utilisation d'éléments E de forte capacité, l'énergie impliquée dans l'événement redouté est alors confinée à l'énergie contenue dans un seul élément E, évitant d'aggraver les risques d'emballement thermique. Par ailleurs, la batterie selon l'invention permet de sécuriser les descentes de pentes en charge pleine, le shuntage d'un ou plusieurs éléments E pouvant intervenir en complément des limitations logicielles pour éviter la surcharge d'un élément E en cas de régénération non contrôlée. Elle permet également de sécuriser les véhicules électriques et hybrides en cas de crash en ce sens que le shuntage de tous les éléments E de batterie à la réception d'une information « crash » permet de supprimer la haute tension même à l'intérieur de la batterie, ce qui limite fortement le risque d'incendie du véhicule endommagé ainsi que le risque d'électrocution.15 REVENDICATIONS1. Batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments (E) générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production d'électricité, chaque élément (E) étant conditionné dans une enveloppe étanche qui est pourvue de deux bornes (1, 2) de connexion dudit élément au circuit de production, ladite batterie étant caractérisée qu'une borne (1) de chaque élément (E) est connectée au circuit de production par l'intermédiaire d'un premier dispositif (3) de commutation électronique de la connexion dudit élément au circuit de production, et en ce que chaque élément (E) est équipé d'une boucle de shuntage (4) qui est montée de part et d'autre des bornes (1, 2) dudit élément pour pouvoir le shunter tout en maintenant le circuit de production fermé, ladite boucle de shuntage étant équipée d'un deuxième dispositif (5) de commutation électronique de sa connexion au circuit de production. 2. Batterie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments (E) sont montés en série dans le circuit de production. 3. Batterie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de cellules (D) qui sont montées en série dans le circuit de production, chaque cellule (D) comprenant au moins deux éléments (E) montés en parallèle. 25 4. Batterie électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une cellule (D) comprend une boucle de shuntage (4) qui est commune aux éléments (E) montés en parallèle. 30 5. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les dispositifs (3, 5) de commutation comprennent au moins un commutateur choisi parmi les diodes (7), les commutateurs (6)20 14 MOSFET, les transistors bipolaires, les transistors bipolaires à grille isolée IGBT et les thyristors. 6. Batterie électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un dispositif (3) de commutation comprend un couple de commutateurs (6) MOSFET montés en parallèle tête bêche. 7. Batterie électrique selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le deuxième dispositif (5) de commutation comprend un commutateur (6) MOSFET et une diode (7) monté en parallèle. 8. Batterie électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que la diode (7) est apte à ouvrir la connexion dans la boucle de shuntage (4) au dessus d'une tension seuil. 9. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un système de pilotage réversible des dispositifs (3, 5) de commutation, ledit système permettant le shuntage sélectif des éléments (E) tout en maintenant le circuit de production fermé. 20 10. Batterie électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le système de pilotage comprend une fonction de shuntage réversible de l'ensemble des éléments (E). 25 11. Batterie électrique selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un système de surveillance de l'apparition d'un défaut de fonctionnement d'au moins un élément (E), ledit système de surveillance étant apte à actionner le système de pilotage pour shunter au moins un élément (E). 30 12. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un système de surveillance de l'état de charge d'au moins un élément (E), ledit dispositif de surveillance étant1515 apte à actionner le système de pilotage pour, en fonction de leur état de charge, shunter au moins un élément (E). L