Brevet FR2977403A1 — publié le 20130104

CIRCUIT DE DECONNEXION POUR BATTERIE La présente invention se rapporte à un circuit de déconnexion pour batterie dans des applications de forte puissance. Un accumulateur électrochimique est un dispositif de production d'électricité dans lequel de l'énergie chimique est convertie en énergie électrique. L'énergie chimique est constituée par des composés électrochimiquement actifs déposés sur au moins une face d'électrodes disposées dans l'accumulateur. L'énergie électrique est produite par des réactions électrochimiques au cours d'une décharge de l'accumulateur. Les électrodes, disposées dans un conteneur, sont connectées électriquement à des bornes de sortie de courant qui assurent une continuité électrique entre les électrodes et un consommateur électrique auquel l'accumulateur est associé. Afin d'augmenter la puissance délivrée, il est connu d'associer plusieurs accumulateurs étanches entre eux pour former une batterie. La batterie comporte alors une ou plusieurs branches parallèles d'accumulateurs reliés en série. La batterie peut être destinée à fournir de l'énergie électrique à une application extérieure opérant à forte puissance, par exemple une automobile, une station de télécommunication, ou autre. Un circuit de charge est donc généralement prévu auquel la batterie peut être branchée pour recharger les accumulateurs. La gestion de la charge et de la décharge de la batterie peut alors être organisée et contrôlée pour équilibrer la charge et la décharge des différents accumulateurs les uns par rapport aux autres. Un circuit de contrôle, plus ou moins évolué selon les applications, est généralement prévu pour être associé à la batterie. Par exemple la demande FR-A-2 926 934 présente un système électronique pour batterie. Le système électronique contrôle la charge des accumulateurs afin d'éviter toute surcharge, et garantit la disponibilité en puissance électrique lorsque la batterie est sollicitée en décharge. Un circuit de contrôle pour batterie peut comprendre un ou plusieurs interrupteurs de sécurité destinés à interrompre le passage du courant lors d'un fonctionnement anormal. Dans les applications de forte puissance, pour des batteries présentant une forte capacité, supérieure à 25-30Ah et/ou opérant à des courants supérieurs à 40A, l'interrupteur de sécurité peut être un contacteur électro-mécanique associé à un fusible. Typiquement le temps de réaction à l'ouverture du contacteur électromécanique est de l'ordre de 10 ms à 30 ms. Lors d'un court-circuit, ou d'une surcharge, le contacteur électro-mécanique n'est pas assez rapide pour déconnecter la batterie. A cause des faibles constantes électriques de la batterie et des câbles externes à la batterie, l'amplitude du courant traversant le contacteur électromécanique peut R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc devenir incompatible avec la tenue en surcharge des contacts de puissance du contacteur électromécanique. Le courant peut atteindre une valeur d'environ 7000 A à 10000 A avec un temps d'établissement de l'ordre de 1 ms à 5 ms, ce qui entraînera une dégradation et/ou un collage des contacts de puissance du contacteur électromécanique. Par le terme « collage » on entend un début de fusion de la matière des contacteurs. De tels niveaux de courant peuvent être également dommageables pour la batterie si leur durée est supérieure à une seconde. Le fusible est associé au contacteur électromécanique pour assurer le rôle d'interrupteur de sécurité avant que le courant n'atteigne des valeurs inacceptables. Mais l'actionnement du fusible entraîne une indisponibilité de la batterie. Une maintenance doit être alors réalisée comprenant par exemple, le démontage, des tests, et le remplacement du fusible. De plus dans les applications où la batterie a un rôle de secours en cas de coupure du secteur, le contacteur électromécanique n'assure pas une disponibilité de la puissance sans interruption lors du basculement du mode charge terminée (contacteur ouvert) vers le mode décharge. En effet le temps de commutation du contacteur implique que la puissance n'est pas disponible immédiatement. Cette indisponibilité temporaire de la puissance est désignée par le terme micro-coupure. Il faut donc associer une diode en parallèle au contacteur, la diode assurant une disponibilité immédiate du courant. Il faut également intégrer un second contacteur pour assurer la fonction de coupure en cas de court circuit car la diode parallèle laisse circuler du courant. Par ailleurs, des relais statiques, tels que des contacteurs de type silicium, sont connus pour des applications de faible puissance, par exemple pour des batteries opérant à des courants inférieurs à 40A. Le relais statique permet d'éviter l'inconvénient des micro-coupures. En particulier un contacteur de type MOSFET comprend une diode intégrée, qui est liée à la structure de type MOSFET. Pour assurer la coupure en cas de court circuit, deux contacteurs de type MOSFET sont intégrés en série. Un tel système de déconnexion est par exemple installé sur les batteries de type Intensiuml® commercialisées par la demanderesse. Le système de déconnexion des batteries Intensiuml® comprend des contacteurs de type MOSFET bidirectionnels permettant l'interruption du passage du courant quel que soit son sens de passage. Le temps de réaction d'un contacteur de type MOSFET est typiquement compris entre 10 µs et 150 µs. Les batteries Intensiuml® ne comprennent pas de fusible, notamment parce qu'elles sont destinées à des applications Télécom et peuvent être placées dans des lieux difficiles d'accès. Cependant, le système de déconnexion des batteries Intensiuml® assurant la protection de batteries de capacité de l'ordre de 5 Ah n'est pas adapté aux applications de grande capacité (supérieure à 25 Ah). La valeur du R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc courant de court-circuit est de 900 A maximum et les contacteurs de type MOSFET le supportent sans dommage. Le système de déconnexion des batteries Intensiuml® ne comprend pas non plus de protection contre les énergies transitoires apparaissant lors de la coupure du courant et qui sont fonction de la longueur de câble à l'extérieur de la batterie. La protection des contacteurs de type MOSFET et la gestion des énergies transitoires deviennent nécessaires lorsque le système de déconnexion est destiné à une utilisation avec des courants forts. En effet, et de manière connue en soi, lorsque le système de déconnexion interrompt le passage du courant, la charge inductive liée au câblage extérieur à la batterie induit une énergie de x LI2. Pour des forts courants (supérieurs à 1000 A), la longueur de câblage L devient primordiale. On peut envisager l'utilisation d'une diode de roue libre pour protéger des contacteurs de type MOSFET. Une diode de roue libre permet de protéger les contacteurs, lors de leurs ouvertures, des charges inductives liées aux longueurs de câblage extérieur, c'est-à-dire de l'énergie provoquée par les charges inductives lors de l'interruption du passage du courant. Cependant, la diode de roue libre devient passante si une inversion de polarité est appliquée aux bornes de la batterie - par exemple par un branchement inversé du chargeur sur la batterie - ce qui peut provoquer une détérioration partielle ou complète des circuits de sortie du chargeur. Or, dans certaines applications, l'inversion de polarité aux bornes de la batterie doit pouvoir être autorisée sans dommage. Il existe donc un besoin pour un circuit de déconnexion de batterie qui permette une déconnexion rapide, même sous forts courants, et qui supporte une éventuelle inversion de polarité. A cet effet, l'invention propose d'associer un interrupteur de diode de roue libre montée en parallèle sur la sortie batterie à un interrupteur série dans le circuit de protection de la batterie. L'interrupteur série est destiné à interrompre la charge et/ou la décharge de la batterie et l'interrupteur de diode de roue libre est destinée à absorber les charges inductives lors de l'ouverture de l'interrupteur série tout en empêchant l'application d'une tension inverse aux bornes de la batterie. A cette fin, la présente invention propose un circuit de déconnexion pour batterie comprenant : - un premier interrupteur agencé en parallèle aux bornes de la batterie, ledit premier interrupteur comprenant un commutateur et une diode ; - un second interrupteur agencé en série sur une borne de la batterie. R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc Selon une caractéristique, le circuit de déconnexion selon l'invention comprend en outre une unité de gestion électronique adaptée à commander chaque interrupteur, l'ouverture de l'interrupteur parallèle étant commandée avec un retard sur l'ouverture de l'interrupteur séries. Le retard de l'ouverture de l'interrupteur parallèle sur l'ouverture de l'interrupteur série peut être compris entre 5 ms et 100 ms. L'unité de gestion électronique peut être adaptée à détecter un courant de court-circuit. Le commutateur du premier interrupteur peut être un transistor et/ou le second interrupteur peut comprendre au moins un transistor. Le transistor peut être choisi parmi un transistor de type MOS, FET, IGBT ou bipolaire. Le circuit de déconnexion selon l'invention est adapté au passage d'un courant supérieur à 40A, et à l'interruption du passage d'un courant supérieur à 1000 A. L'invention concerne aussi une batterie rechargeable comprenant au moins un accumulateur électrochimique et un circuit de déconnexion selon l'invention. La batterie de l'invention présente un courant de décharge supérieur à 40A et un courant de court-circuit supérieur à 1000 A. La batterie peut être de type Lithium Ion. La batterie de l'invention peut être utilisée pour une automobile ou pour une station de télécommunication par exemple. L'invention concerne en outre un procédé de déconnexion d'une telle batterie rechargeable, le procédé comprenant les étapes consistant à : - détecter un courant supérieur à un seuil prédéterminé ; - commander l'ouverture du second interrupteur agencé en série sur une borne de la batterie ; - commander, avec un retard, l'ouverture du commutateur du premier interrupteur agencé en parallèle aux bornes de la batterie. Selon les modes de réalisation, le retard peut avoir une valeur prédéterminée ou être calculé en fonction du sur-courant détecté. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donné à titre d'exemple et en référence aux figures annexées qui montrent : - figure 1, un schéma d'un exemple de circuit selon l'invention ; - figure 2, un exemple de réalisation de l'interrupteur série - figure 3, un exemple de réalisation de l'interrupteur parallèle. Le circuit de déconnexion pour batterie selon l'invention va être décrit en référence à la figure 1 qui illustre un exemple de réalisation. R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc La figure 1 montre une batterie 10 pouvant être reliée à un chargeur ou à une application et un circuit de protection 20. La batterie peut être de type Lithium Ion. La charge de la batterie est contrôlée et notamment la fin de charge pour éviter toute surcharge. La décharge de la batterie est également contrôlée pour éviter tout court circuit. Le circuit de déconnexion 20 est conçu pour interrompre la charge et/ou la décharge de la batterie. Le circuit de déconnexion selon l'invention comprend un premier interrupteur Kl agencé en parallèle aux bornes de la batterie, et un second interrupteur K2 agencé en série sur une borne de la batterie. La figure 2 donne un exemple de réalisation de l'interrupteur série K2 et la figure 3 donne un exemple de réalisation de l'interrupteur parallèle Kl. Le premier interrupteur Kl (figure 3) comprend un commutateur Kl S 1 et une diode Kl S2. Le commutateur Kl S 1 peut être de type MOSFET ou tout autre technologie présentant des jonctions électroniques de type transistor, tels qu'un transistor bipolaire ou IGBT. Le commutateur K1S1 peut également être un relais électromécanique. La diode Kl S2 est agencée en série avec le commutateur Kl S 1. Le second interrupteur K2, placé en série sur une ligne de puissance de la batterie, permet la circulation d'un courant électrique de la batterie vers une application et/ou d'un chargeur vers la batterie. Autrement dit l'interrupteur K2 est placé sur une ligne de puissance permettant à la fois la charge et la décharge de la batterie. Le système de déconnexion K2 peut alors assurer une interruption de courant en cas de surcharge de la batterie, ou en cas de sollicitation excessive de la batterie par une application. Le second interrupteur K2 (figure2) comprend au moins un commutateur K2S2 qui peut être de type MOSFET ou tout autre technologie présentant des jonctions électroniques de type transistor, tels qu'un transistor bipolaire ou IGBT. Le commutateur K2S2 peut également être un relais électromécanique. Le circuit de déconnexion peut assurer un passage du courant sans micro-coupures, en charge ou en décharge, si l'interrupteur série K2 comprend deux commutateurs en série et en tête- bêche (comme illustré sur la figure 2). L'utilisation de commutateurs de type MOSFET permet des temps d'ouverture très faible et par conséquent permet une utilisation de la batterie avec des courants forts sans fusible. Le circuit de déconnexion peut néanmoins présenter un fusible, même lorsque des commutateurs de type MOSFET sont utilisés. Le circuit de déconnexion 20 comprend aussi une unité de gestion électronique 25 adaptée à commander chaque interrupteur K1, K2 du circuit. Lorsqu'une ouverture de l'interrupteur série K2 est commandée, par exemple lors de la détection d'un R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc courant de court circuit par l'unité électronique, l'ouverture de l'interrupteur K1 est commandée avec un retard At. Le rôle de l'interrupteur série K2 est de protéger la batterie contre des court circuits et/ou des surcharges ; et le rôle de l'interrupteur parallèle Kl est de protéger le circuit contre les surtensions lors de l'ouverture des courants de court circuit tout en supportant les tensions inverses lors d'une inversion de polarité accidentelle lorsque K2 est ouvert. Ainsi le circuit selon l'invention permet le passage d'un courant permanent supérieur à 40A, voir supérieur à 100A. Le circuit permet aussi le passage de courants compris entre 1000A et 4500A durant de courtes durées (quelques millisecondes). Le circuit permet la déconnexion lorsque le courant devient supérieur à une valeur déterminée pouvant être supérieure à 1000A et pouvant atteindre 4500A, avec des temps d'ouverture compatibles avec les constantes de temps électriques de la batterie. Par exemple le temps d'ouverture d'un contacteur de type MOSFET est compris entre 10 et 150 µs, alors que l'établissement d'un courant de l'ordre de 7000A est réalisé en 1 à4ms. Par exemple, si l'unité électronique 25 détecte un courant de court circuit pendant 100 µs, l'ouverture de l'interrupteur série K2 est commandée - le retard de 100 µs permettant d'éviter l'ouverture de K2 sur un simple appel de courant ; mais il est entendu que cette valeur peut être adaptée selon l'application. L'ouverture de l'interrupteur K1 est alors commandée avec un retard de 10 ms par exemple. Le retard à l'ouverture de Kl peut être une simple temporisation enclenchée par l'ouverture de K2 ou peut être calculé par l'unité électronique 25 lors de la lecture du courant de court-circuit. La valeur de 10 ms pour le retard At peut être adaptée selon les applications et notamment selon le câblage inductif présent dans le circuit. Une valeur de retard At comprise entre 5 ms et 100 ms est appropriée à la plupart des applications. L'ouverture retardée du commutateur KIS1 de l'interrupteur Kl permet de bénéficier de la présence de la diode de roue libre K1S2 jusqu'à l'extinction totale du courant de court circuit dans les inductions parasites du circuit. L'interrupteur Kl est rendu passant dés que l'interrupteur série K2 est fermé et que les bornes de la batterie sont correctement connectées à la charge - chargeur ou application. En cas de mauvais branchement de la charge provoquant une inversion de polarité, l'état ouvert du commutateur K1S1 empêche le court-circuit de la source ou de l'application par la diode Kl S2. L'interrupteur Kl reste passant après l'ouverture de l'interrupteur série K2 jusqu'à extinction complète du courant dans la diode de roue libre K1S2. R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc Le circuit de déconnexion selon l'invention est utilisable dans une batterie rechargeable desservant une application, par exemple une station de télécommunication ou une automobile, en tant que batterie de secours. Le circuit de déconnexion selon l'invention peut être intégré dans un système électronique plus large gérant l'interface entre la batterie et son application. Le circuit de déconnexion selon l'invention peut être par exemple utilisé dans un système électronique pour batterie tel que décrit dans la demande de brevet français FR-A-2 926 934. L'unité de gestion électronique peut alors comprendre des fonctions en lien avec l'environnement dans lequel est utilisée la batterie. Par exemple l'unité de gestion électronique peut recevoir des informations de capteurs disposés dans la batterie (par exemple tension, courant et température de chaque accumulateur de la batterie). L'unité de gestion électronique peut aussi recevoir des informations provenant de l'application elle-même (potentiel de l'alimentation principale, température, alarme pour passage en mode secours et autres). L'unité de gestion électronique de contrôle peut ainsi détecter un besoin en énergie électrique de l'application et commander l'actionnement de l'interrupteur K2 pour une décharge, ou bien détecter un faible niveau de charge de la batterie et commander l'interrupteur K2 pour une charge de la batterie. L'invention concerne ainsi une batterie rechargeable comprenant au moins un accumulateur électrochimique et un circuit de déconnexion tel que décrit précédemment. La batterie rechargeable peut opérer à courants forts. Elle peut par exemple délivrer un courant de décharge supérieur à 40A, et présenter un courant de court-circuit supérieur à 1000A. La batterie rechargeable est par exemple de type Lithium Ion, mais pourrait être d'un autre couple électrochimique. La batterie de l'invention peut ne pas présenter de fusible, le circuit de déconnexion permettant de se passer de la nécessité d'un fusible, tout en assurant la possibilité de fournir des impulsions de courant pouvant aller jusqu'à 4500 A durant 10 ms. L'invention concerne aussi une utilisation de la batterie décrite précédemment dans une automobile ou dans une station de télécommunication. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. En particulier, les valeurs numériques des courants et des temps de retard indiqués plus haut ont été données à titre d'exemple uniquement et la description faite en référence à des transistors MOSFET n'exclut pas de pouvoir utiliser des contacteurs de tout autre type. R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc REVENDICATIONS1. Circuit de déconnexion (20) pour batterie comprenant : - un premier interrupteur (Kl) agencé en parallèle aux bornes de la batterie, ledit premier interrupteur comprenant un commutateur (K1S1) et une diode (Kl S2) ; - un second interrupteur (K2) agencé en série sur une borne de la batterie. 2. Circuit de déconnexion selon la revendication 1 comprenant en outre une unité de gestion électronique (25) adaptée à commander chaque interrupteur (Kl, K2), l'ouverture de l'interrupteur parallèle (Kl) étant commandée avec un retard (At) sur l'ouverture de l'interrupteur série (K2). 3. Circuit de déconnexion selon la revendication 2 dans lequel le retard (At) de l'ouverture de l'interrupteur parallèle (Kl) sur l'ouverture de l'interrupteur série (K2) est compris entre 5 ms et 100 ms. 4. Circuit de déconnexion selon la revendication 2 ou la revendication 3 dans lequel l'unité de gestion électronique est adaptée à détecter un courant de court-circuit. 5. Circuit de déconnexion selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le commutateur (Kl S 1) du premier interrupteur (Kl) est un transistor. 6. Circuit de déconnexion selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le second interrupteur (K2) comprend au moins un transistor (K2S2). 30 7. Circuit de déconnexion selon la revendication 5 ou selon la revendication 6 dans lequel le transistor est choisi parmi un transistor de type MOS, FET, IGBT ou bipolaire. 8. Circuit de déconnexion selon l'une quelconque des revendications précédentes 35 adapté au passage d'un courant supérieur à 40A, et à l'interruption du passage d'un courant supérieur à 1000 A. R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc25 9. Batterie rechargeable (10) comprenant : - au moins un accumulateur électrochimique, - un circuit de déconnexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Batterie rechargeable selon la revendication 9 présentant un courant de décharge supérieur à 40A et un courant de court-circuit supérieur à 1000 A. 11. Batterie rechargeable selon la revendication 9 ou 10 de type Lithium Ion. 12. Utilisation de la batterie de l'une quelconque des revendications 9 à 11 pour une automobile. 13. Utilisation de la batterie de l'une quelconque des revendications 9 à 11 pour une station de télécommunication. 14. Procédé de déconnexion d'une batterie rechargeable selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, le procédé comprenant les étapes consistant à : - détecter un courant supérieur à un seuil prédéterminé ; - commander l'ouverture du second interrupteur (K2) agencé en série sur une borne de la batterie ; - commander, avec un retard (At), l'ouverture du commutateur (K1 S1) du premier interrupteur (Kl) agencé en parallèle aux bornes de la batterie. 18. Procédé de déconnexion selon la revendication 14, dans lequel le retard (At) a une valeur prédéterminée. 19. Procédé de déconnexion selon la revendication 14, dans lequel le retard (At) est calculé en fonction du sur-courant détecté. R:\32800\32891 SAFT32891--110630-texte depot.doc