Brevet FR3006513A1 — publié le 20141205

-1- SYSTE1VIE ELECTRONIOUE DE CONTRÔLE D'UNE BATTERIE Domaine technique L'invention se rattache au domaine des batteries rechargeables, et plus particulièrement au domaine des systèmes électroniques de contrôle de l'état de ces batteries. Arrière-plan de l'invention De manière générale, une batterie rechargeable est constituée d'une ou de plusieurs cellules électrochimiques montées en série, et est capable de produire de l'énergie électrique pour alimenter des appareils électriques tels que téléphone portable, ordinateur portable, appareil photo, ou tout autre équipement en tant que source d'énergie électrique embarquée. On connaît par exemple les batteries au lithium telles que les batteries lithium-ion et lithium-polymère, qui fonctionnent par circulation réversible d'ions lithium entre des électrodes à travers un électrolyte. Dans ce type de batterie, les composés chimiques sont très réactifs, et des problèmes de sécurité peuvent se produire lors d'une utilisation inappropriée. En particulier, la batterie au lithium est très sensible à une surcharge et à une décharge trop importante, et ne doit donc pas être utilisée en dehors de sa plage de fonctionnement. Par exemple, l'utilisation en surcharge d'une telle batterie peut entraîner des augmentations de température et de pression à l'intérieure de la batterie susceptibles de conduire à une explosion ou à un risque de feu. De ce fait, pour prévenir les risques liés à de mauvaises conditions d'utilisation, il est courant d'adjoindre à la batterie un système de surveillance plus connu sous l'appellation BMS acronyme pour « battery management system » en anglais ou « système de surveillance de batterie » en français. L'ensemble BMS et la batterie rechargeable formant ce que l'on appelle couramment « battery pack » en anglais ou « bloc-accumulateur» en français. En pratique, le bloc comprend deux bornes sur lesquelles on vient connecter un appareil à alimenter (ou charge), ou un circuit de charge (ou chargeur) pour recharger les cellules. -2- En pratique, selon les applications, le système de surveillance peut être conçu pour assurer une ou plusieurs fonctions, parmi lesquelles : - la mesure des tensions totale et individuelles des cellules ; - l'équilibrage de la charge et de la décharge des différentes cellules les unes par rapport aux autres ; - la protection de la batterie contre les charges et les décharges trop importantes ; - la protection de la batterie contre les courants de charge et de décharge trop importants ; - mais également la communication, à un module externe, des différents indicateurs de l'état de la batterie tels que le niveau de charge et de décharge de la batterie. Typiquement, le circuit électronique assurant la protection de la batterie contre les charges et les décharges trop importantes, comporte des moyens pour mesurer la tension aux bornes de la batterie et des moyens pour interrompre la charge ou la décharge de la batterie lorsque la tension mesurée est supérieure ou respectivement inférieure à une tension limite. En pratique, l'interruption de la charge et de la décharge de la batterie est assurée par des transistors de type MOSFET (acronyme anglo-saxon pour « metal-oxide20 semiconductor field-effect transistor ») commandés par le circuit électronique de protection en fonction de l'état de la batterie. Une première configuration, connue sous l'appellation « high-side path » en anglais, consiste à utiliser deux transistors MOSFET connectés drain à drain entre les 25 bornes de potentiel haut de la batterie et du bloc accumulateur. Cette configuration impose cependant l'utilisation de transistors MOSFET à canal P, qui ont notamment l'inconvénient de présenter une résistance élevée et sont donc moins efficace en termes de performance. Il est également possible de remplacer les transistors MOSFET à canal P par des transistors MOSFET à canal N, mais il est nécessaire de coupler ces transistors 30 MOSFET à canal N à une pompe de charge. Cette solution de remplacement conduit donc à un circuit plus complexe ainsi qu'à un accroissement de la consommation électrique. Une deuxième configuration, connue sous l'appellation « low-side path » en anglais, consiste à utiliser deux transistors MOSFET connectés drain à drain entre les -3- bornes de potentiel bas de la batterie et du bloc accumulateur. Une telle configuration est représentée schématiquement sur la figure 1. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments nécessaires à la description sont représentés. Le bloc- accumulateur 1 comprend ainsi une borne de potentiel haut 10 et une borne de potentiel bas 11. Dans cette configuration dite « low-side path », la borne de potentiel haut 10 est connectée directement à l'anode 20 de la batterie 2, et les deux transistors 4, 5 MOSFET assurant le rôle d'interrupteurs de charge et de décharge sont connectés drain à drain 42, 52 entre la borne de potentiel bas 11 et la cathode 21 de la batterie. Le bloc- accumulateur 1 comprend en outre un circuit de contrôle 3 qui est notamment apte à déterminer l'état de la batterie 2 et à commander ces deux transistors 4, 5 via leur grille 40, 50 respective pour autoriser ou interrompre la charge ou la décharge de la batterie. Traditionnellement, le transistor dit de charge 4 (CO) a sa source 41 connectée au potentiel bas 11 et le transistor dit de décharge 5 (DO) a sa source 51 connectée à la cathode 21 de la batterie et à un potentiel de référence commun (GND) du circuit de contrôle 3. Les diodes 43, 53 connectées en parallèle entre le drain et la source de ces transistors 4, 5, sont intrinsèques aux transistors et représentent les diodes parasites formées en parallèle avec le canal, entre le drain et la source. Ainsi, lorsqu'une condition de surcharge est détectée, la conduction du transistor de charge 4 est coupée afin d'interrompre la circulation du courant de charge. De manière similaire, lorsqu'une condition de sous-charge est détectée, la conduction du transistor de décharge 5 est coupée pour interrompre la circulation du courant de décharge. Par ailleurs, en fonctionnement normale, c'est-à-dire en l'absence de surcharge ou de sous-charge, les deux transistors 4, 5 sont conducteurs. Cette deuxième configuration a notamment l'avantage de permettre l'utilisation de transistors de type MOSFET à canal N qui sont plus performants et plus faciles à piloter dans cette configuration. Cependant, on comprend que lors de l'interruption de la conduction de l'un ou l'autre des transistors, le potentiel de référence commun (GND) ne peut plus servir de ligne de masse pour les modules électroniques externes au bloc- accumulateur. En particulier, certaines applications nécessitent un dialogue entre le circuit de contrôle et les modules électroniques externes au bloc-accumulateur, par exemple pour transmettre l'état de charge de la batterie. Dans ce cas particulier, il est donc nécessaire -4- d'intégrer une ligne de communication entre le circuit de contrôle et les modules externes. Or, dans cette configuration en « low-side path » il n'est pas possible, notamment lorsqu'une sous-charge est détectée et que le transistor de décharge est coupé, d'utiliser le potentiel de référence commun (GND) comme ligne de masse pour la ligne de communication. En outre, en fonctionnement normal, le circuit de contrôle est alimenté par la batterie. Mais dans le cas d'une sous-charge, le circuit de contrôle n'est plus alimenté par la batterie et il n'est plus possible d'alimenter le circuit de contrôle de l'extérieur. Résumé de l'invention Il existe donc un besoin pour une nouvelle configuration en « low-side path » à base de transistors MOSFET à canal N permettant l'utilisation du potentiel de référence commun comme ligne de masse pour les modules électroniques externes au bloc-15 accumulateur, même lorsque les transistors de charge et de décharge sont coupés. Pour ce faire, la solution consiste à modifier la configuration « low-side path » connue en permutant les transistors de charge et de décharge entre eux, et à connecter le potentiel de référence commun non pas à la cathode de la batterie, mais aux drains des 20 transistors. En particulier, il est proposé un système électronique de contrôle d'une batterie rechargeable formée d'au moins une cellule électrochimique. Ce système électronique comprenant au moins : 25 - une borne de potentiel haut et une borne de potentiel bas destinées à être connectées aux bornes d'une charge ou d'un chargeur ; - une borne positive connectée à la borne de potentiel haut et destinée à être connectée à une anode de la batterie, et une borne négative destinée à être connectée à une cathode de la batterie ; 30 - un transistor de décharge dont le drain est connecté à la borne de potentiel bas et dont la source est connectée à la source d'un transistor de charge ayant son drain connectée à la borne négative ; - un module de contrôle comprenant au moins : -5- - une borne de référence connectée à un potentiel commun de référence et aux sources des transistors de charge et de décharge ; - une borne de commande de décharge connectée à la grille du transistor de décharge ; - une borne de commande de charge connectée à la grille du transistor de charge ; - des moyens pour contrôler l'état de la batterie lorsque cette batterie est connectée aux bornes positive et négative, et pour commander les transistors de charge et de décharge en fonction dudit état de ladite batterie. Avantageusement, le module de contrôle est notamment apte à: - commander l'ouverture du transistor de charge lorsque la tension aux bornes de la batterie est supérieure à une tension limite de charge ; - commander l'ouverture du transistor de décharge lorsque la tension aux bornes de la batterie est inférieure à une tension limite de sous-charge. Le module de contrôle peut en outre comprendre une borne de communication destinée à être connectée à une ligne de communication. De préférence, dans ce cas particulier, le potentiel de référence commun sert de référence de potentiel à la ligne de communication. Par exemple, les transistors de charge et de décharge sont des transistors de type MOSFET à canal N. Il est également proposé un générateur électrique rechargeable comprenant au 25 moins : - le système électronique tel que décrit ci-dessus ; et - une batterie rechargeable formée d'au moins une cellule électrochimique et comprenant une anode connectée à la borne positive et une cathode connectée à la borne négative du système électronique. 30 Avantageusement, la batterie rechargeable est formée d'une pluralité de cellules électrochimiques en série. -6- Description sommaire des figures Certains aspects de l'invention, et en particulier ses caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de modes de réalisation spécifiques donnés à titre illustratif et non limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est un schéma bloc simplifié d'un bloc- accumulateur connu dans lequel les transistors de charge et de décharge sont montés selon la configuration en « low-side path » explicité ci-dessus. La figure 2 est un schéma bloc simplifié d'un bloc- accumulateur dans lequel les transistors de charge et de décharge sont montés selon une autre configuration en « low10 side path ». Description détaillée Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un générateur électrique rechargeable comprenant une batterie 2 rechargeable constituée par une ou plusieurs 15 cellules électrochimiques montées en série entre une anode et une cathode. Cette batterie 2 est associée à un système électronique de contrôle de la batterie 2 selon un mode de réalisation. On notera que seuls les éléments nécessaires à la compréhension du présent mode 20 de réalisation ont été représentés. Ainsi, le système électronique de contrôle selon ce mode de réalisation comprend : - une borne de potentiel haut 10 et une borne de potentiel bas 11 destinées à être connectées aux bornes d'une charge ou d'un chargeur ; 25 - une borne positive 12 connectée à la borne de potentiel haut 10 et destinée à être connectée à une anode 20 de la batterie 2, et une borne négative 13 destinée à être connectée à une cathode 21 de la batterie 2. Le système de contrôle comprend en outre des moyens d'interruption du courant 30 réalisé au moyen d'un transistor de charge 4 et de décharge 5. Le drain 51 du transistor de décharge 5 est connectée à la borne de potentiel bas 11 et sa source 52 est connecté à la source 42 du transistor de charge 4. Le drain 41 de ce transistor de charge 4 est connectée à la borne négative 21. Les transistors de charge et de décharge 4, 5 sont des transistors de type MOSFET à canal N. Les diodes 43, 53 connectées en parallèle entre le drain et la -7- source de ces transistors, sont intrinsèques aux transistors et représentent les diodes parasites formées en parallèle avec le canal, entre le drain et la source. Un module de contrôle 3 est également intégré dans le système de contrôle et 5 comprend : - une borne de référence 30 connectée à un potentiel commun de référence (GND) et aux sources 42, 52 des transistors de charge et de décharge 4, 5 ; - une borne de commande de décharge 32 connectée à la grille 50 du transistor de décharge 5; 10 - une borne de commande de charge 31 connectée à la grille 40 du transistor de charge 4; et - des moyens pour contrôler l'état de la batterie 2 lorsque cette batterie est connectée aux bornes positive et négative 12, 13, et pour commander les transistors de charge et de décharge 4, 5 via leur grille 40, 50 respective en fonction de l'état de cette batterie. 15 En particulier, le module de contrôle est notamment apte à : - commander l'ouverture du transistor de charge 4 lorsque la tension aux bornes de la batterie 2 est supérieure à une tension limite de charge ; - commander l'ouverture du transistor de décharge 5 lorsque la tension aux bornes de la 20 batterie 2 est inférieure à une tension limite de sous-charge. En fonctionnement normal, lorsqu'un appareil à alimenter (communément appelé « charge » en français ou « load » en anglais) est connectée entre les bornes de potentiel haut et bas 10, 11, un courant de décharge circule de l'anode de la batterie, au travers de 25 la charge et des transistors, jusqu'à la cathode de la batterie. Au contraire, lorsqu'un circuit de charge ou chargeur est connecté entre les bornes de potentiel haut et bas, un courant de charge circule dans le sens opposé au courant de décharge. La mesure des tensions et des courants aux bornes de la batterie est en partie 30 assurée par deux résistances R2 et R3. Une première résistance R2 est connectée entre une première borne de mesure 32 du module de contrôle 3 et le drain 51 du transistor de décharge 5. Une deuxième résistance R3 est connectée entre une deuxième borne de mesure 33 du module de contrôle 3 et le drain 41 du transistor de charge 4. -8- Les première et deuxième résistances R2, R3 permettent notamment de déterminer une tension de mesure VIVI, VP représentative du courant de charge ou de décharge traversant les transistors de charge ou de décharge, également représentative du courant de charge ou de décharge circulant au travers de la batterie. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, la batterie n'est constituée que d'une seule cellule électrochimique. Bien entendu, la batterie peut être formée d'une pluralité de cellules électrochimiques en série. L'ensemble ainsi formé comprend une électrode positive libre et une électrode négative libre constituant respectivement l'anode et la cathode de la batterie. En outre, dans ce cas de figure, il est courant de prévoir autant de résistances de mesure que de cellules électrochimiques afin de mesurer la tension aux bornes de chaque cellule et de contrôler l'équilibre en charge et en décharge des différentes cellules les unes par rapport aux autres. Ainsi, en fonction de la tension mesurée aux bornes de ces transistors et de la plage de fonctionnement propre à la batterie utilisée, le module de contrôle 3 commande les transistors de charge 4 et de décharge 5 via leur grille 40, 50 respective pour autoriser ou non la circulation du courant. En pratique, lorsque le module de contrôle détecte que la tension mesurée dépasse une tension limite de charge, traduisant une condition de surcharge de la batterie, le module de contrôle 3 envoie un signal de commande à la grille 40 du transistor de charge 4 pour désactiver sa conduction. De manière similaire, lorsque le module de contrôle 3 détecte que la tension mesurée est inférieure à une tension limite de décharge, traduisant une condition de décharge trop importante de la batterie, le module de contrôle 3 envoie un signal de commande à la grille 50 du transistor de décharge 5 pour désactiver sa conduction. On remarque notamment que selon cette configuration, il est possible de continuer d'utiliser le potentiel de référence commun GND comme référence de potentiel pour le circuit de contrôle 3 et pour les modules électroniques externes susceptibles de se 30 connecter au module de contrôle 3. Par exemple, il est possible de prévoir une ligne de communication 6 entre le module de contrôle 3 et un module externe pour permettre la transmission de l'état de charge de la batterie 2. En effet, lors d'une détection d'une condition de surcharge de la -9- batterie par le module de contrôle 3, la conduction du transistor de charge 4 est interrompue. Or, il est courant de prévoir des diodes 33, 34 de protection contre les décharges électrostatiques entre la borne de référence 30 et les entrées des composants sensibles. Par exemple, comme illustré sur la figure 2, il est courant de disposer une diode de protection 33 entre la première borne de mesure 32 et la borne de référence 30 du module de contrôle 3. On remarquera donc que lorsque la conduction du transistor de charge 4 est interrompue, cette diode de protection 33 assure toujours son rôle de protection sans nécessiter d'adaptation particulière. De ce fait, il est donc possible d'utiliser le potentiel de référence commun GND disponible à la borne de référence 30 du module de contrôle 3 comme référence de potentiel ou ligne de masse pour tous les modules électroniques externes. En particulier, il est possible de prévoir dans le module de contrôle des moyens de communication 61 ainsi qu'une borne de communication 60 destinée à être connectée à une ligne de communication 6 et de se servir du potentiel de référence commun GND comme référence de potentiel pour cette ligne. Il est ainsi possible de transmettre des informations relatives à l'état de la batterie, par exemple son état de charge, à des modules externes. Par ailleurs, le module de contrôle est, par défaut, alimenté par la batterie, via une borne d'alimentation connectée à la borne positive du système de contrôle. En fonction de l'application, il est également possible de prévoir l'alimentation de ce module de contrôle via une source extérieure utilisant le potentiel de référence commun comme référence de masse. La solution ainsi proposée permet donc de bénéficier des avantages d'une configuration en « low-side path », à savoir l'utilisation de transistors MOSFET à canal N performant, tout en autorisant l'utilisation du potentiel de référence commun du module 30 de contrôle en tant que référence de potentiel pour tous les modules externes. REVENDICATIONS1. Système électronique de contrôle d'une batterie (2) rechargeable formée d'au moins une cellule électrochimique, ledit système électronique comprenant au moins : - une borne de potentiel haut (10) et une borne de potentiel bas (11) destinées à être connectées aux bornes d'une charge ou d'un chargeur ; - une borne positive (12) connectée à la borne de potentiel haut (10) et destinée à être connectée à une anode (20) de la batterie (2), et une borne négative (13) destinée à être connectée à une cathode (21) de la batterie (2) ; - un transistor de décharge (5) dont le drain (51) est connecté à la borne de potentiel bas (11) et dont la source (52) est connectée à la source (42) d'un transistor de charge (4) ayant son drain (41) connectée à la borne négative (13) ; - un module de contrôle (3) comprenant au moins : - une borne de référence (30) connectée à un potentiel commun de référence (GND) et aux sources (42, 52) des transistors de charge et de décharge (4, 5) ; - une borne de commande de décharge (32) connectée à la grille (50) du transistor de décharge (5) ; - une borne de commande de charge (31) connectée à la grille (40) du transistor de charge (4) ; - des moyens pour contrôler l'état de ladite batterie lorsque cette batterie (2) est connectée aux bornes positive et négative (12, 13), et pour commander les transistors de charge (4) et de décharge (5) en fonction dudit état de ladite batterie. 2. Système électronique selon la revendication 1, dans lequel le module de contrôle (3) est apte à: - commander l'ouverture du transistor de charge (4) lorsque la tension aux bornes de la batterie (2) est supérieure à une tension limite de charge ; - commander l'ouverture du transistor de décharge (5) lorsque la tension aux bornes de la batterie (2) est inférieure à une tension limite de sous-charge. 30 3. Système électronique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le module de contrôle (3) comprend en outre une borne de communication (60) destinée à être connectée à une ligne de communication (6), ledit potentiel de référence commun (GND) servant de référence de potentiel à ladite ligne de communication (6).-11- 4. Système électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les transistors de charge et de décharge sont des transistors de type MOSFET à canal N. 5. Générateur électrique rechargeable comprenant au moins : - le système électronique selon l'une des revendications 1 à 3 ; et - une batterie (2) rechargeable formée d'au moins une cellule électrochimique et comprenant une anode (20) connectée à la borne positive (12) et une cathode (21) connectée à la borne négative (13) dudit système électronique. 6. Générateur électrique selon la revendication 5, dans lequel la batterie (2) rechargeable est formée d'une pluralité de cellules électrochimiques en série.