Brevet FR3032832A1 — publié le 20160819

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif et pro- cédé pour communiquer avec une cellule de batterie ainsi qu'une cellule de batterie, un module de batterie, une batterie et un système de batte- rie. L'invention se rapporte aussi à un véhicule équipé d'un tel dispositif et à un procédé. Etat de la technique Il est prévisible que tant dans les applications station- naires, par exemple les installations éoliennes que les applications mo- biles, par exemple les véhicules électriques (véhicules électriques EV), les véhicules hybrides (véhicules HEV) ou les véhicules hybrides rechargeables sur borne (véhicules PHEV) on utilisera de plus en plus des accumulateurs d'énergie électrique rechargeables (accumulateurs EES), comme système de batterie, modules de batterie tels que par exemple des accumulateurs lithium-ion. Un système de batterie comporte un ensemble de cellules de batterie, par exemple des cellules cylindriques ou prismatiques ou encore des cellules à bobinage d'électrodes (cellules de batterie bobinée JR). Les cellules de batterie peuvent être branchées en série pour avoir en sortie une tension électrique plus élevée et/ou en parallèle pour augmenter le courant électrique maximum et la capacité. C'est ainsi que les cellules de batterie peuvent être regroupées en modules de batterie ou unités de batterie. Dans les applications pour l'entraînement de véhicules on peut par exemple brancher en parallèle ou en série cent cellules de batterie (comme batteries de traction). Pour réaliser des systèmes de batterie on utilise des structures relativement complexes. La complexité se répartit en plusieurs niveaux. Pour surveiller une batterie et/ou réguler une batterie on répartit différents mécanismes à différents niveaux hiérarchiques, par exemple : une surveillance d'état dans un niveau de cellules, une régulation de tension à un niveau supérieur tel qu'un niveau de module, un niveau de batterie ou un niveau de système et/ou une répartition de charge (équilibrage) distribuée entre plusieurs niveaux. Pour la gestion du système de batterie, celui-ci nécessite la communication, par exemple entre un dispositif de commande avec un appareil de com- 3032832 2 mande ou un système de gestion de batterie (système BMS) et les cellules de batterie et/ou d'autres installations telles que des installations de capteurs, des installations électroniques de puissance et des installations de commutation. Ainsi pour réduire le coût, on décentralise les 5 fonctions et on utilise des installations de traitement local telles que des circuits intégrés dédiés (circuits ASIC) qui sont intégrés dans les cellules de batteries. Ainsi, on aura des besoins différents selon la fonction, notamment la vitesse de transmission et la solidité de la communication. Pour la communication, il faut câbler les composants 10 du système de batterie. Notamment, pour les systèmes de batterie haute-tension il faut un découplage galvanique des composants. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispo- sitif et un procédé de communication avec une cellule de batterie pour 15 avoir le découplage galvanique des composants d'un système de batte- rie. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour communiquer avec une cellule de batterie, caractérisé par une installa- 20 tion de communication pour échanger par une liaison sans fil, des don- nées avec la cellule de batterie. L'invention a également pour objet un procédé de com- munication avec une cellule de batterie caractérisé en ce qu'on utilise une installation de communication pour échanger des données avec les 25 cellules de batterie par une liaison sans fil. Le dispositif et le procédé selon l'invention ont l'avantage de supprimer les liaisons électriques et mécaniques entre les cellules de batterie. Cela permet de détecter les points faibles ou les défauts potentiels tels que les traversées de boîtier. Cela permet également 30 d'augmenter la sécurité. En outre, on réduit les besoins de découplage galvanique des composants. En outre, cela simplifie la réalisation et la fabrication, par exemple, le montage, ce qui globalement réduit le coût en composants et le coût de fabrication. De manière avantageuse, l'installation de communication 35 comporte une antenne telle qu'une antenne magnétique ou une antenne 3032832 3 électrique, ce qui simplifie la structure et la fabrication du dispositif et permet de réduire les coûts tels que les coûts de fabrication et les coûts de traitement des déchets. Cela simplifie également la construction du système de batterie. 5 De manière avantageuse, le dispositif est un dispositif d'identification par ondes électromagnétiques (RFID) tel que : récepteur RFID, émetteur RFID ou transmetteur RFID ou encore émetteur de réponse RFID (répondeur transmetteur, transpondeur). De manière avantageuse, le transpondeur est un trans- 10 pondeur passif qui reçoit de l'extérieur, à partir du champ du dispositif, nécessaire à la communication et au traitement interne du procédé ce qui simplifie l'alimentation électrique dans le transpondeur. De manière avantageuse, le transpondeur est un trans- pondeur actif qui reçoit l'énergie nécessaire à la communication et au 15 traitement par le procédé interne à partir d'une alimentation électrique, ce qui permet d'augmenter la portée de la communication. De manière avantageuse, la communication se fait en mode de communication en champ proche (mode NFC) pour réduire le temps de développement et/ ou le coût du développement et le coût de 20 fabrication. En outre, on augmente ainsi la sécurité et/ou la fiabilité. De manière avantageuse, la communication en champ proche se fait par une liaison sans fil, ce qui simplifie la structure du dispositif. De manière avantageuse, la communication en champ 25 proche se fait par une liaison augmentant la sécurité. L'invention a également pour objet une cellule de batterie comportant le dispositif décrit ci-dessus. L'invention a également pour objet un module de batterie comportant le dispositif ci-dessus ou la cellule de batterie décrite ci-dessus. 30 L'invention développe une batterie qui comporte le dispo- sitif décrit ci-dessus, la cellule de batterie décrite ci-dessus et le module de batterie décrit ci-dessus. L'invention a également pour objet un système de batterie comportant le dispositif décrit ci-dessus, la cellule de batterie décrite ci- 3032832 4 dessus, le module de batterie décrit ci-dessus ou la batterie décrite ci-dessus. L'invention a également pour objet un véhicule, notam- ment un véhicule automobile tel qu'un véhicule électrique, un véhicule 5 hybride, un véhicule hybride rechargeable ou une moto électrique (un vélo électrique, un engin aquatique tel qu'un bateau électrique ou un sous-marin, un aéronef ou un engin spatial comportant le dispositif décrit ci-dessus relié au véhicule, la cellule de batterie décrite ci-dessus est reliée au véhicule, la cellule de batterie décrite ci-dessus est reliée 10 au véhicule, le module de batterie décrit ci-dessus est relié au véhicule, la batterie décrite ci-dessus est reliée au véhicule ou le système de batterie décrit ci-dessus est relié au véhicule. L'invention développe également un procédé prometteur. Selon l'invention, les étapes du procédé ne s'exécutent 15 pas nécessairement dans l'ordre de la description. Selon un autre déve- loppement, les étapes du procédé sont imbriquées les unes dans les autres. Suivant une autre caractéristique, différents segments du procédé décrit sont réalisés comme des unités vendues séparément et 20 les autres segments du procédé sont réalisés sous la forme d'autres unités commercialisées. C'est ainsi qu'il est par exemple possible qu'un module comporte lui-même des sous-modules différents. Dessins La présente invention sera décrit ci-après, de manière 25 plus détaillée, à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective schématique d'une cellule de batterie selon l'invention, la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un système de 30 batterie selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est une vue en perspective schématique d'une cellule de batterie 10 selon un mode de réalisation de l'invention. La cellule de batterie 10 comporte un boîtier de batterie 35 110 et un couvercle de batterie 112. Le boîtier de batterie 110 été/ou le 3032832 5 couvercle de batterie 112 sont par exemple en matière plastique ou en métal tel que de l'aluminium (paramagnétique). L'intérieur du boîtier de batterie 110 le long d'un plan 120 qui est pratiquement parallèle au couvercle de batterie 112 ou au fond du boîtier 110 se subdivise en une 5 zone interne ou intérieure 122 logeant la chimie des cellules sous forme d'enroulement de cellule 130 et en une zone périphérique ou extérieure 124, par rapport à la position normale ou réglementaire de la cellule de batterie 10 au-dessus ou en-dessous de la zone interne 122. La cellule de batterie 10 comporte en outre une borne négative de cellule de batte- 10 rie (terminal 1321 et une borne positive 1322 qui vont de l'intérieur de l'enroulement de cellule 130 jusqu'au couvercle de batterie 112. La cellule de batterie 10 comporte également un dispositif de traitement interne 140 dans la zone intérieure 122 comme le montre à titre d'exemple la figure 1 au-dessus de l'enroulement de cellule 130. 15 Le dispositif de traitement interne 140 comporte une première installa- tion de traitement 142, par exemple sous la forme d'un microprocesseur ou microcontrôleur, une première installation d'interface ou installation de communication 144, par exemple sous la forme d'une installation d'antenne pour communiquer et une première installation de saisie, par 20 exemple, sous la forme d'installations de capteurs pour saisir des va- leurs de mesure telles que des valeurs de tension, des valeurs d'intensité et/ou des valeurs de température comme la première installation de capteur de température 1461, intégrée ou à distance comme la seconde installation de capteur de température 1462 comme le montre à 25 titre d'exemple, la figure 1, et qui peuvent être à l'intérieur de l'enroulement de cellule 130. Les installations de capteur se trouvant dans ou près de l'enroulement de cellules 130 améliorent la saisie, par exemple du point de vue de la précision de la résolution et de la vitesse. Le dispositif de 30 traitement interne 140 peut comporter d'autres installations telles que par exemple une première installation de mémoire, telle qu'une mémoire volatile ou une mémoire non volatile. Le dispositif de traitement interne 140 est réalisé sur un premier support, par exemple sur une première platine. La première platine peut être flexible et/ou en matière 35 plastique. L'énergie électrique pour le traitement est prélevée par le dis- 3032832 6 positif de traitement interne 140, par exemple de l'enroulement de cellule 130 ou d'un premier accumulateur d'énergie tel qu'un accumulateur d'énergie rechargeable que le dispositif de traitement interne 140 comporte également ; on peut avoir une première installation d'interface 5 ou installation de communication 144 ou par une première installation de couplage inductive et/ou capacititive ou recevoir l'énergie ou à l'aide d'une première installation de collecte d'énergie à partir de l'énergie mécanique telle l'énergie de vibration. Le dispositif de traitement interne 140 implémente des fonctions de niveau bas, par exemple des fonctions 10 de protection et il communique par la première installation d'interface ou installation de communication 144 avec un niveau médian et/ ou un niveau supérieur. La cellule de batterie 10 comporte en outre un dispositif de traitement périphérique 150 qui se trouve dans la zone périphérique 15 124 comme le montre à titre d'exemple la figure 1 au-dessus du disposi- tif de traitement interne 140. Le dispositif de traitement périphérique 150 comporte une seconde installation de traitement 152, par exemple sous la forme d'un microprocesseur ou d'un microcontrôleur, une seconde installation d'interface ou installation de communication 154, par 20 exemple sous la forme d'une installation d'antenne pour communiquer et des secondes installations de saisie, par exemple sous la forme d'installation de capteurs pour saisir des valeurs de mesure telles que des mesures de tension, des mesures d'intensité et/ou des mesures de température ainsi qu'une troisième installation de capteurs de tempéra- 25 ture 156. Le dispositif de traitement périphérique 150 peut comporter d'autres installations, par exemple une seconde installation de mémoire telles que des mémoires volatiles ou des mémoires non volatiles ou une installation de communication 158 implémentée par exemple comme électronique de puissance pour des actionneurs, pour brancher, couper 30 et commuter et/ou brancher la batterie de cellule 10. Le dispositif de traitement périphérique 150 peut se trouver sur un second support, par exemple une seconde platine. Le second support peut être souple et/ou en matière plastique. L'énergie électrique pour le fonctionnement est fourni au second dispositif périphé- 35 rique de traitement 150, par exemple à partir d'un second 3032832 7 accumulateur d'énergie tel qu'un accumulateur d'énergie rechargeable que le dispositif de traitement périphérique 150 comporte de toutes façons pour recevoir de l'énergie, par l'intermédiaire de la seconde installation d'interface ou de l'installation de communication 154 ou par une 5 seconde installation de couplage inductif et/ou capacitif, ou par une seconde installation de collecte d'énergie à partir de l'énergie mécanique telle que l'énergie de vibration. Le dispositif de traitement interne 140 est implémenté au moyen d'autres fonctions, par exemple des fonctions de commande ou des fonctions de détermination de l'état de charge 10 (état SoC) et/ou l'état de santé (état SoH) ou encore par la seconde ins- tallation d'interface 154 communiquant avec le niveau bas et/ ou avec le niveau haut. Ainsi, la cellule de batterie 10 a une structure à plusieurs niveaux et convient pour être branchée en réseau. Comme les informa- 15 tions peuvent être traitées de manière interne et/ou périphérique, c'est- à-dire de manière locale, cela réduit les communications et/ou le traitement central. La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un système de batterie 100 selon un mode de réalisation de l'invention. 20 Le système de batterie 100 comporte un ensemble (n) de cellules de batterie 101, ... 10n, ainsi qu'un ensemble (n-1) de liaisons inter-cellules 3012, 3023, ... 30(.4)n, pour relier électriquement les cellules de batterie 101, ... 10n ou les terminaux (bornes 1321, 1322). Les cellules de batterie 101, ... 10n peuvent correspondre aux cellules de 25 batterie 10 de la figure 1. Les cellules de batterie 101, ... 10n peuvent être reliées physiquement en série comme le montre à titre d'exemple la figure 2. Le système de batterie 100 comporte en outre deux bornes ou branchements de batterie 301, 30n pour le branchement électrique du système de batterie 100. 30 Le système de batterie 100 comporte en outre un disposi- tif de communication 21 installé par rapport à la position normale ou réglementaire des cellules de batterie 101, ... 10n au-dessus des cellules de batterie 101, ... 10n ou des dispositifs de traitement interne 140 et/ou des dispositifs de traitement périphérique 150 et un dispositif de 3032832 8 commande 28 relié par une liaison de communication 29, supérieure à un dispositif supérieur pour commander le système de batterie 100. Le dispositif de communication 21 comporte une pre- mière installation d'interface ou installation de communication 241 par 5 exemple une installation d'antenne reliée par une première liaison de communication 231 interne au système au dispositif de commande 29 pour communiquer avec un ou plusieurs dispositifs de traitement 140, 150. Le dispositif de communication 21 comporte en outre une 10 première installation de commande 221 pour commander une ou plu- sieurs cellules de batterie 101, ... 10.. La première installation de commande 221 peut, comme le montre à titre d'exemple la figure 2, être associée à la première installation de communication 241. Le dispositif de communication 21 peut en outre avoir une seconde ou plusieurs 15 autres installations d'interface ou installations de communication 242, 24n pour communiquer avec un ou plusieurs dispositifs de traitement 140, 150. Le dispositif de communication 21 peut, en outre comporter une seconde ou plusieurs autres installations de commande 221, 22n pour commander les cellules de batterie 101, ... 10.. Les installations 20 de commande 221, 22n peuvent, comme le montre à titre d'exemple la figure 2, être associées chaque fois à l'une des installations de communication 241, ... 24.. Le dispositif de communication 21 peut se trouver sur un troisième support, par exemple sur une troisième platine. Le troisième support peut être souple et/ ou comporter de la matière plas- 25 tique. En variante, la première installation de communication 241 ou les installations de communication 241, ... 24n peuvent se trouver sur les cellules de batterie 101, ... 10n ou le couvercle de batterie 112 et être, par exemple fixées par collage. Par une conception avantageuse de la géométrie, par 30 exemple des faibles distances entre les installations d'interface 144, 154 et les installations de communication 241, ... 24., on augmente l'efficacité de la transmission pour la communication et/ou pour l'énergie et/ou on réduit les perturbations de la communication par des interférences. Les installations d'antenne des installations d'interface 35 144, 154 et les installations de communication 241, ... 24., peuvent être 3032832 9 réalisées par exemple comme antenne magnétique telles que des bobines planaires ou des antennes électriques telles que des antennes-tige ou des antennes linéaires. Le dispositif de commande 28 peut comporter une instal- 5 lation de traitement et/ou une installation de mémoire pour mémoriser des ordres et/ou des données telles que des valeurs de mesure. L'installation de traitement est un microprocesseur ou un microcontrôleur. L'installation de mémoire est une mémoire volatile et/ou une mémoire non volatile. 10 Le dispositif de commande 28 est implémenté sur des ni- veaux supérieurs avec d'autres fonctions, par exemple des fonctions de commande pour la répartition de la charge et communiquer avec un dispositif supérieur ainsi qu'avec le dispositif de communication 21 de niveau inférieur et/ou de niveau moyen. 15 L'installation de commande 28 comporte des informa- tions relatives à la configuration du système de batterie 100. Les informations de configuration sont réglables, par exemple à l'aide d'un codage par bande ou de ponts de connexion (cavaliers) par un réglage mécanique. Les cellules de batterie 10 ; 101, ... 10n ont, par exemple, 20 des numéros d'identification de cellules de batterie (numéros d'identification de cellules ID). Les informations de configuration peuvent être demandées à un niveau hiérarchique supérieur, ce qui simplifie la confection et/ou la fabrication. Le système de batterie 100 comporte plus d'une installa- 25 tion de commande 28 (système multimaitre). Les installations de com- mande peuvent être redondantes. Le dispositif de communication 21 constitue un moyen de communication avec une couche physique qui assure une qualité de transmission suffisante pour la vitesse de transmission de données R, 30 une fréquence d'erreur de transmission et de disponibilité de transmis- sion et, par exemple, un contrôle cyclique de redondance (contrôle CRC) pour détecter les erreurs et/ou par exemple corriger les erreurs par un codage de canal. Cela permet une communication bidirectionnelle et chaque composant peut communiquer avec chaque autre composant. 3032832 10 Le moyen de communication transmet les informations sous la forme de signaux physiques, tels que des signaux électriques, des signaux magnétiques, des signaux électromagnétiques, des signaux radio, des signaux optiques, des signaux lumineux, des signaux acous- 5 tiques ou des ondes sonores telles que les ondes sonores de corps. Le moyen de communication transmet les signaux par une liaison sans fil, tel que par exemple Bluetooth, un réseau local (WLAN), ZigBee. Le moyen de communication permet de transmettre des informations sous la forme de signaux modulés, par exemple des signaux en modulation 10 de fréquences (FM), des signaux en modulation d'amplitude (AM) ou des signaux en bande ultra large (UWB) ou encore des signaux multiplexés tels que des signaux d'accès multiple par répartition en code (CDMA), des signaux d'accès multiple par répartition en fréquence (FDMA) ou des signaux à multiplexage à division de fréquence orthogonale (OFDM) 15 ou des signaux d'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA). Ces signaux sont transmis directement dans une bande de base ou modulés sur une porteuse. Pour la transmission, on peut utiliser la trame d'une information physique (couche physique) avec une structure particulière, par exemple une séquence d'entraînement, un signal 20 d'entraînement, une séquence de synchronisation, un signal de syn- chronisation, une séquence de données, un signal de données et/ou un ou plusieurs éléments telle qu'une séquence CRC. Le moyen de communication transmet les informations sous la forme de signaux cryptés. Le paramétrage du cryptage se fait par exemple pendant la fabrication 25 ou lors du branchement ou du démarrage du système de batterie 100. Le système de batterie 100 comporte différents niveaux hiérarchiques, par exemple des niveaux hiérarchiques ou plans hiérarchiques, découplés. Le système de batterie 100 comporte des fonctions de protection, à proximité des cellules de batterie, au niveau bas et des 30 fonctions de commande au niveau haut. Le système de batterie 100 comporte plusieurs modules de batterie et/ou batteries. En résumé, il est à remarquer que les expressions « com- prenant », « ayant » ou des expressions analogues n'excluent pas que d'autres éléments ou étapes puissent être prévus. En outre, les numé- 35 ros de chiffres ou les numéros de classement, tels que premier, second, 3032832 11 etc. servent uniquement à distinguer des éléments et des étapes sans que l'ordre de la disposition des éléments ou l'exécution des étapes ne soit fixé ou limité. En outre, les caractéristiques décrites dans les différentes formes de réalisation peuvent être combinées de manière quel- 5 conque. 3032832 12 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 10 Cellule de batterie 101, ... 10n Cellule de batterie 5 21 Dispositif de communication 221 Première installation de commande 22. Autres installations de commande 241, ... 24' Installations de communication 242, ... 24' Installations de communication 10 28 Dispositif de commande 100 Système de batterie 110 Boîtier de batterie 112 Couvercle de batterie 120 Niveau 15 122 Partie 124 Zone périphérique 130 Enroulement de cellule 1321 Borne négative 1322 Borne positive 20 140 Dispositif de traitement 142 Installation de traitement 144 Installation de communication 1461 Première installation de capteur de température 1462 Seconde installation de capteur de température 25 150 Dispositif de traitement périphérique 152 Seconde installation de traitement 154 Installation de communication / installation d'interface 158 Installation de commutation 30 REVENDICATIONS1°) Dispositif pour communiquer avec une cellule de batterie (10 ; 101, ... , 10.), caractérisé par - une installation de communication (144, 154, 241, ... 24n) pour échanger par une liaison sans fil, des données avec la cellule de batterie (10 ; 101, ... 10n). 2°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que - l'installation de communication (144, 154, 241, ... 24n) comporte une antenne telle qu'une antenne magnétique ou une antenne électrique. 3°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est réalisé comme dispositif RFID tel que récepteur RFID, émetteur RFID ou transpondeur RFID, - le transpondeur est un transpondeur passif, - le transpondeur est un transpondeur actif, - la communication se fait comme communication en champ proche, - la communication en champ proche se fait sans liaison, ou - la communication en champ proche se fait par liaison. 4°) Cellule de batterie (10 ; 101, ... 10n) comportant - le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5°) Module de batterie comportant - le dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, ou - la cellule de batterie (10 ; 101, ... 10n) selon la revendication 4. 6°) Batterie comportant - le dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, - la cellule de batterie (10 ; 101, ... 10n) selon la revendication 4, ou - le module de batterie selon la revendication 5. 3032832 14 7°) Système de batterie (100) comportant - le dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, - la cellule de batterie (10 ; 101, ... 10n) selon la revendication 4, - le module de batterie selon la revendication 5, ou 5 - la batterie selon la revendication 6. 8°) Véhicule comportant - le dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 relié au véhicule, - la cellule de batterie (10 ; 101, ... 10n) selon la revendication 4 reliée 10 au véhicule, - le module de batterie selon la revendication 5 lié au véhicule, - la batterie selon la revendication 6 reliée au véhicule, - le système de batterie (100) selon la revendication 7 lié au véhicule. 15 9°) Procédé de communication avec une cellule de batterie (10 ; 101, ... 10n) caractérisé en ce qu' on utilise une installation de communication (144, 154, 21-1, ... 24n) pour échanger par une liaison sans fil, des données avec la cellule de 20 batterie (10 ; 101, ... 10n). 10°) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'installation de communication (144, 154, 241, ... 24h) comporte une 25 antenne, une antenne magnétique ou une antenne électrique. 11°) Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que - le transpondeur est un transpondeur passif, 30 - le transpondeur est un transpondeur actif, la communication se fait comme communication en champ proche, la communication en champ proche se fait sans liaison, ou la communication en champ proche se fait par liaison. 35