Brevet FR2951552A1 — publié le 20110422

-1- Dispositif de mesure de tension pour batterie et dispositif de contrôle associé L'invention concerne un dispositif de mesure pour des batteries d'accumulateurs 5 électrochimiques, pouvant être utilisées notamment dans le domaine des transports électriques, hybrides et les systèmes embarqués. L'invention concerne en particulier les batteries de type lithium-ion (Li-ion) bien adaptées pour ce genre d'applications, du fait de leur possibilité de stocker une forte énergie avec une faible masse. 10 On appelle batterie d'accumulateurs la mise en série de plusieurs accumulateurs ou d'accumulateurs en parallèles. La charge d'un accumulateur se traduit par une croissance de la tension à ses bornes. On considère un accumulateur chargé lorsque celui-ci a atteint un niveau de tension défini par le processus électrochimique. 15 En outre, les batteries de technologie lithium-ion présentent une tension de seuil minimale en dessous de laquelle les accumulateurs de la batterie peuvent être détériorés ou détruits, ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement de la batterie, par exemple le courant est bloqué et la batterie ne délivre plus aucune énergie. De plus, dans un circuit utilisant plusieurs accumulateurs mis en série, il est 20 fortement probable que le niveau de charge de chaque accumulateur ne soit pas le même. En effet, il est possible qu'un accumulateur soit déchargé avant les autres accumulateurs de la batterie. En conséquence, il faut arrêter la décharge de la batterie lorsque la tension de l'accumulateur le moins chargé descend en dessous de la tension de seuil minimale, 25 même s'il reste de l'énergie dans les autres accumulateurs pour éviter un mauvais fonctionnement de la batterie et la détérioration de l'accumulateur le moins chargé. Il est alors obligatoire de surveiller en détail la tension de chaque accumulateur lors de la décharge pour vérifier qu'aucun accumulateur n'atteigne la tension de seuil minimale. 30 L'invention a donc pour objectif de permettre de surveiller de façon simple la tension de chaque accumulateur de façon à éviter qu'un accumulateur ne descende en BRT0474 (DD11495SG) 2951552 -2- dessous de la tension de seuil minimale afm d'empêcher la détérioration de l'accumulateur et donc le mauvais fonctionnement de la batterie. À cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure de tension pour batterie comprenant un accumulateur, caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure 5 comporte : un générateur de courant alternatif, - au moins une première et au moins une seconde diodes mises en série, telles que ladite première diode soit reliée au pôle positif dudit accumulateur par sa cathode et à la cathode de ladite seconde diode par son anode, et ladite seconde 10 diode soit reliée au pôle négatif dudit accumulateur par son anode et à l'anode de ladite première diode par sa cathode, un condensateur de lecture relié au générateur de courant alternatif et au point milieu entre lesdites première et seconde diodes, et à un moyen de détermination de la tension aux bornes dudit accumulateur à partir de la variation de tension au 15 point milieu. Un tel dispositif de mesure de tension comporte par accumulateur deux diodes et un condensateur, qui sont des composants simples à mettre en oeuvre et permettent donc de réaliser des circuits peu complexes à moindre coût, sans présenter une masse ni un volume trop important, pour surveiller qu'aucun accumulateur de la batterie n'atteigne 20 une tension inférieure à une tension de seuil minimale prédéfinie. Ledit dispositif de mesure peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : - lesdites première et seconde diodes présentent une tension de seuil sensiblement égale à 0,6 V, 25 ledit dispositif de mesure comporte en outre un condensateur d'injection relié au générateur de courant et au point milieu, ledit dispositif de mesure est un dispositif de mesure de tensions pour batterie comportant au moins deux accumulateurs en série, et ledit dispositif comporte un dispositif de mesure pour un des accumulateurs, une première et une seconde diodes 30 en parallèle de chaque accumulateur, une pluralité de condensateurs de liaison BRT0474 (DD11495SG) 2951552 -3- reliant respectivement deux points milieu consécutifs, ladite pluralité de condensateurs de liaison étant montés en série, le moyen de détermination déterminant la tension la plus faible aux bornes des accumulateurs, ledit dispositif de mesure comporte en outre un condensateur d'injection relié au générateur de courant alternatif d'une part et à un point milieu quelconque d'autre part , le moyen de détermination comporte : • une troisième et une quatrième diodes de redressement en série telles que l'anode de la troisième diode de redressement soit reliée à la cathode de la quatrième diode de redressement et audit condensateur de lecture, • un condensateur de filtrage relié d'une part à la cathode de la troisième diode de redressement et à l'anode de la quatrième diode de redressement, • une résistance montée en parallèle du condensateur de filtrage, les troisième et quatrième diodes de redressement sont configurées pour soustraire les tensions de seuil desdites première et seconde diodes du signal de tension traversant lesdites troisième et quatrième diodes de redressement, de manière à ne conserver que l'information de tension relative à l'accumulateur, ledit dispositif de mesure comporte au moins un condensateur de rappel monté en parallèle d'un nombre prédéterminé des condensateurs de liaison, le générateur de courant alternatif est réalisé par un générateur de tension et une résistance montés en série, ledit générateur de tension générant un signal carré de fréquence de 100kHz et d'amplitude de 0 à 10 V. L'invention concerne encore un dispositif de contrôle comprenant un dispositif de mesure selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de comparaison de la tension mesurée dudit accumulateur à une tension de seuil prédéfinie et un dispositif de commande pour arrêter la décharge de la batterie lorsque ladite tension mesurée est inférieure à la tension de seuil prédéfinie. L'invention concerne également une batterie d'accumulateurs intégrant un tel dispositif de contrôle Cette batterie est par exemple une batterie lithium-ion. BRT0474 (DD11495SG) 2951552 -4- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 représente de façon schématique un dispositif de mesure de la tension 5 d'un accumulateur d'une batterie, la figure 2 illustre schématiquement un dispositif de mesure de la tension de deux accumulateurs d'une batterie, et - la figure 3 représente de façon schématique un dispositif de mesure de la tension de plusieurs accumulateurs en série d'une batterie comprenant des condensateurs de 10 rappel. Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références. La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de mesure 1 de tension pour batterie d'accumulateur permettant de mesurer la tension d'un accumulateur Ai, ici Al, de la batterie. 15 Le dispositif de mesure 1 comprend : un générateur de courant alternatif Il, ou en variante un générateur de tension générant par exemple un signal carré de fréquence de 100kHz et d'amplitude de 0 à 10 v et une résistance R' en série (figure 3), une première Dl et une seconde D2 diodes mises en série (figure 1), 20 un condensateur de lecture Cl relié au point milieu N entre les première Dl et seconde D2 diodes, et à un moyen de détermination 3 pour déterminer la tension aux bornes de l'accumulateur Al à partir de la variation de tension au point milieu N. Comme on le constate sur la figure 1, la première diode Dl est reliée au pôle 25 positif + de l'accumulateur Al par sa cathode et à la cathode de la seconde diode D2 par son anode, et la seconde diode D2 est reliée au pôle négatif û de l'accumulateur Al par son anode et à l'anode de la première diode Dl par sa cathode. Lors de l'alternance positive du courant Il, la première diode Dl est passante et la seconde diode D2 est bloquée. Le courant I l traverse alors la première diode Dl. La 30 tension au point milieu N est alors égale à la somme de la tension de l'accumulateur Al BRT0474 (DD 11495 SG) 2951552 -5- sur le pôle positif + avec la tension de seuil de la première diode Dl. Au contraire, lors de l'alternance négative, c'est la seconde diode D2 qui est passante et la première diode Dl qui est bloquée. Le courant traverse alors la seconde diode D2. La tension au point milieu N est alors égale à la somme de la tension sur le 5 pôle négatif - de l'accumulateur Al avec la tension de seuil de la seconde diode D2. En conséquence, la variation de tension au point milieu N est égale à la somme de la tension V1 de l'accumulateur Al avec les tensions de seuil des première Dl et seconde D2 diodes. À titre d'exemple, les première Dl et seconde D2 diodes présentent une tension 10 de seuil de 0,6 V. Pour une tension V1 par exemple de 2,6 V de l'accumulateur Al, la variation de tension au point milieu N est donc égale à 3,8 V. Le signal de tension qui arrive au condensateur de lecture Cl est un signal présentant une amplitude de variation du signal qui correspond à la variation de tension au point milieu N et une composante continue. 15 Le condensateur de lecture Cl permet de supprimer la composante continue de façon à avoir uniquement une information sur l'amplitude de variation du signal. Par ailleurs, dans l'exemple illustré, le moyen de détermination 3 comprend : une troisième D3 et une quatrième D4 diodes de redressement en série telles que l'anode de la troisième diode D3 de redressement soit reliée à la cathode de la 20 quatrième diode D4 de redressement et au condensateur de lecture Cl, un condensateur C2 de filtrage relié d'une part à la cathode de la troisième diode D3 de redressement et à l'anode de la quatrième diode D4 de redressement, et une résistance R montée en parallèle du condensateur C2 de filtrage. Le passage du signal de tension dans les deux diodes D3 et D4 de redressement 25 permet de redresser ce signal pour obtenir un signal de signe constant et permet également de soustraire les tensions de seuil des première Dl et seconde D2 diodes. Le signal est ensuite filtré avec le condensateur de filtrage C2 ce qui permet d'obtenir une tension sensiblement continue. La tension Vs mesurée aux bornes de la résistance R est alors sensiblement égale 30 à la tension V1 aux bornes de l'accumulateur Al . BRT0474 (DD11495SG) 2951552 -6- Un tel dispositif de mesure fait partie d'un dispositif de contrôle de tension pour batterie. La tension Vs peut ensuite être transmise à un comparateur du dispositif de contrôle (non représenté) qui compare la tension Vs mesurée à une tension de seuil 5 prédéfinie, et lorsque la tension Vs mesurée est inférieure à la tension de seuil, un dispositif de commande du dispositif de contrôle arrête la décharge de la batterie par exemple en déconnectant la batterie du système de décharge dans lequel elle est implantée. En outre, pour plus de précision, on peut prévoir un condensateur d'injection Ci 10 relié au point milieu N, et au générateur de courant Il. Les figures 2 et 3 illustrent un second mode de réalisation dans lequel le dispositif de mesure permet de surveiller la tension de chaque accumulateur Ak d'une batterie comprenant plusieurs accumulateurs Ak mis en série. Dans l'exemple de la figure 2, on a représenté deux accumulateurs Al et A2 mis 15 en série. En parallèle de chaque accumulateur Al ,A2, une première et une seconde diodes sont prévues D 11,D21 respectivement D 12,D22. Un condensateur de liaison Cl relie les deux points milieu N, et N2, respectivement entre les deux diodes Dl1,D21, et les deux diodes D 12,D22, et un condensateur de lecture Cl est relié au moyen de détermination 3 20 et au point milieu N, ou indifféremment au point milieu N2 entre les diodes D12 et D22 au lieu du point milieu Ni. On retrouve donc le dispositif de mesure de la figure 1 pour un Aj des accumulateurs, dans l'exemple illustré sur la figure 2 pour l'accumulateur Al. À titre d'exemple, l'accumulateur Al présente une tension V1 inférieure à la tension V2 de l'accumulateur A2. Dans ce cas, lors de l'alternance positive du courant 25 Il, c'est la première diode Dl1 de l'accumulateur Al qui est passante et la seconde diode D21 de l'accumulateur Al qui est bloquée, et le courant Il traverse la première diode D11. Et, lors de l'alternance négative, c'est la seconde diode D21 de l'accumulateur Al qui est passante et la première diode D11 de l'accumulateur Al qui est bloquée, et le courant Il traverse la seconde diode D21. 30 L'amplitude de la tension présente sur les points milieu est identique sur tous les BRT0474 (DD 11495 SG) 2951552 -7- points milieu N1, N2, seule la composante continue du signal est différente. Cette amplitude de tension est égale à la somme de la tension de l'accumulateur Al ayant la tension la plus faible avec les tensions de seuil des première Dl1 et seconde D21 diodes. La mesure de la tension de l'accumulateur Al ayant la plus faible tension se fait 5 donc sur l'un quelconque des points milieu N1,N2 à l'aide du moyen de détermination 3. En outre, en absorbant du courant, l'accumulateur Al ayant la plus faible tension se charge. De ce fait, sa tension augmente jusqu'à atteindre la tension de l'accumulateur A2 qui est plus chargé. On équilibre ainsi les accumulateurs de la batterie. Le dispositif de mesure 1 peut comporter en outre un condensateur Ci d'injection 10 relié au générateur de courant alternatif Il et à point milieu Nk quelconque, ici le point milieu N1 entre les diodes Dl1 et D21 associées à l'accumulateur Al. Dans l'exemple de la figure 3, le dispositif de mesure 1 permet de surveiller la tension de 10 accumulateurs Al( (1 REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de tension pour batterie comprenant un accumulateur (Ai), caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure comporte: - un générateur de courant alternatif (Il), au moins une première (D1;) et au moins une seconde (D2;) diodes mises en série, telles que ladite première diode (Dl,) soit reliée au pôle positif (+) dudit accumulateur (Ai) par sa cathode et à la cathode de ladite seconde diode (D2;) par son anode, et ladite seconde diode (D2;) soit reliée au pôle négatif (-) dudit accumulateur (Ai) par son anode et à l'anode de ladite première diode (Dl,) par sa cathode, - un condensateur de lecture (Cl) relié au générateur de courant alternatif (Il) et au point milieu (N) entre lesdites première (D1;) et seconde (D21) diodes, et à un moyen de détermination (3) de la tension aux bornes dudit accumulateur (Ai) à partir de la variation de tension au point milieu (N). 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première (D l;) et seconde (D2;) diodes présentent une tension de seuil sensiblement égale à 0,6 V. 3. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un condensateur d'injection (Ci) relié au générateur de courant et au point milieu (N). 25 4. Dispositif de mesure de tension pour batterie comportant au moins deux accumulateurs (Ak) en série, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte : un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour un des accumulateurs (Aj), une première (D 1 k) et une seconde (D2k) diodes en parallèle de chaque 30 accumulateur (Ak), BRT0474 (DD 11495 SG) 2951552 -10- une pluralité de condensateurs de liaison (C 1 m) reliant respectivement deux points milieu consécutifs (Nk), ladite pluralité de condensateurs de liaison (Cl.) étant montés en série. 5 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un condensateur d'injection (Ci) relié au générateur de courant alternatif d'une part et à un point milieu (Nk) quelconque d'autre part. 6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que le moyen de détermination (3) comporte : une troisième (D3) et une quatrième (D4) diodes de redressement en série telles que l'anode de la troisième diode de redressement (D3) soit reliée à la cathode de la quatrième diode de redressement (D4) et audit condensateur de lecture (Cl), 15 - un condensateur de filtrage (C2) relié d'une part à la cathode de la troisième diode de redressement (D3) et à l'anode de la quatrième diode de redressement (D4), - une résistance (R) montée en parallèle du condensateur de filtrage (C2). 20 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que les troisième (D3) et quatrième (D4) diodes de redressement sont configurées pour soustraire les tensions de seuil desdites première (Dl, Dl;) et seconde (D2, D2;) diodes du signal de tension traversant lesdites troisième (D3) et quatrième (D4) diodes de redressement. 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un condensateur de rappel (C31,C32,C33) monté en parallèle d'un nombre prédéterminé des condensateurs de liaison (Cl.). BRT0474 (DD11495SG) 2951552 -11- 9.Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de courant alternatif est réalisé par un générateur de tension et une résistance (R') montés en série, ledit générateur de tension générant un signal carré de fréquence de 100kHz et d'amplitude de 5 OàlOV. 10.Dispositif de contrôle comprenant un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de comparaison de la tension mesurée dudit accumulateur (Ai) à 10 une tension de seuil prédéfinie et un dispositif de commande pour arrêter la décharge de la batterie lorsque ladite tension mesurée est inférieure à la tension de seuil prédéfinie. 11.Batterie d'accumulateurs comprenant un dispositif de contrôle selon la 15 revendication 10. 12.Batterie selon la revendication 11, caractérisée en ce que ladite batterie est une batterie lithium-ion. BRT0474 (DD11495SG)