Brevet FR3045216A1 — publié le 20170616

BATTERIE COMPRENANT UNE PLURALITE DE CELLULES EN SERIE [0001] Contexte technique L'invention porte sur une batterie à cellules en série, et un véhicule automobile comportant une telle batterie. [0002] Plus généralement, l'invention s'intéresse aux moyens de stockage d'énergie électrique de véhicules automobiles. En effet, ces moyens de stockage occupent un rôle central au niveau d'un véhicule automobile puisqu'ils permettent d'assurer l'alimentation en courant de l'ensemble des consommateurs électriques du véhicule, et du moteur dans le cadre d'une chaîne de traction hybride (moteur thermique et moteur électrique) ou électrique. [0003] Les véhicules électriques et hybrides nécessitent l'usage d'une batterie. Cette batterie est habituellement composée d'un ensemble de cellules électrochimiques mises en série et/ou en parallèle. Elle représente l'essentiel du surcoût de ce type de véhicule par rapport aux véhicules traditionnels. [0004] Afin de réduire autant que possible ce surcoût, la batterie doit être dimensionnée au juste nécessaire et munie pour cela d'un système de pilotage (ou BMS pour « Battery Management System », ou système de gestion de la batterie) efficace. En particulier, une des tâches principales du BMS est de préserver dans le temps une capacité énergétique de la batterie la plus grande possible. Pour ce faire, la batterie doit en particulier être munie d'un dispositif physique dit d'équilibrage associé à un algorithme de pilotage de ce dispositif. [0005] Le document FR2862813 décrit un procédé d'équilibrage en charge d'une batterie lithium-ion consistant à enclencher cellule après cellule, l'équilibrage par dérivation d'une partie du courant de charge et déconnecter l'ensemble des systèmes d'équilibrage afin de stabiliser les tensions aux bornes des cellules pour être en mesure de réévaluer leur niveau d'énergie en reproduisant des cycles mesure, détection, équilibrage, stabilisation. [0006] Ce procédé prévoit une estimation de l'énergie emmagasinée dans chaque cellule par mesure de la tension de la cellule en charge. Cela ne permet pas d'avoir une bonne image de l'énergie de la cellule car avec le vieillissement, les caractéristiques 3045216 2 statiques et dynamiques des cellules évoluent. De plus, l'équilibrage est nécessairement mené en même temps que la charge, mais doit être interrompu pour mesurer le niveau d'énergie, ce qui induit une perte de temps. [0007] Définition de l'invention 5 Pour résoudre ces difficultés l'invention propose une batterie comprenant une pluralité de cellules en série, et pour chaque cellule de la pluralité une résistance en parallèle de la cellule, la batterie comprenant de plus un moyen de pilotage pour l'équilibrage des cellules par dissipation d'énergie dans les résistances, pour individuellement connecter chaque résistance aux bornes de la cellule correspondante ou la déconnecter, dans laquelle 10 la batterie comprend des moyens pour estimer une valeur d'état de charge pour chacune des cellules de la pluralité, et le moyen de pilotage comprend des moyens pour identifier celle des cellules de la pluralité qui est la cellule de plus faible capacité, des moyens pour estimer au moins une différence d'état de charge, pour une tension minimale de fonctionnement de cellule, entre 15 l'état de charge de la cellule de plus faible capacité et l'état de charge d'au moins une autre cellule de la pluralité, dite deuxième cellule, différente de la cellule de plus faible capacité, et des moyens pour connecter et déconnecter les résistances associées à la cellule de plus faible capacité et à la deuxième cellule pour maintenir, relativement l'un à l'autre, les états de charge de la cellule de plus faible capacité et de la deuxième cellule, 20 en sorte d'optimiser la capacité utilisable de la batterie, compte tenu de ladite au moins une différence d'état de charge. [0008] Grâce à ces caractéristiques, on met en place un système d'équilibrage dissipatif capable de maintenir en permanence la capacité de la batterie proche de sa capacité maximale, à savoir celle de la cellule la plus usagée contenue dans la batterie, ou la 25 cellule de plus faible capacité. Ces caractéristiques permettent d'assurer en plus une consommation minimale des résistances mises en jeu dans la régulation d'équilibrage, et des temps réduits d'immobilisation de la batterie, et/ou des temps plus importants d'utilisation de la batterie à capacité maximale par une activation de l'équilibrage tout au long de la charge et plus généralement dans toutes les phases de vie de la batterie. 30 [0009] La batterie peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 3045216 3 [0010] les moyens pour estimer une valeur d'état de charge pour chacune des cellules de la pluralité comportent un estimateur d'état de charge utilisant une courbe de la tension à vide en fonction de l'état de charge et comme données d'entrée la tension courante aux bornes de la cellule, une température courante de la cellule et une valeur courante 5 d'intensité de courant circulant dans la batterie ; [0011] la courbe de la tension à vide est mise à jour périodiquement ; [0012] la résistance associée à la cellule de plus faible capacité est, à l'aide des moyens de connexion et déconnexion, connectée quand l'état de charge de la deuxième cellule devient inférieur à l'état de charge de la cellule de plus faible capacité diminué de ladite 10 différence d'état de charge et diminué de plus d'une tolérance de capacité, et déconnectée quand l'état de charge de la cellule de plus faible capacité redevient inférieur à l'état de charge de la deuxième cellule augmenté de ladite différence d'état de charge correspondant à la deuxième cellule, et la résistance associée à la deuxième cellule est, à l'aide des moyens de connexion et 15 déconnexion, connectée quand l'état de charge de la cellule de plus faible capacité également augmenté d'une tolérance de capacité, devient inférieur à l'état de charge de la deuxième cellule, et déconnectée quand l'état de charge de la deuxième cellule redevient inférieur à l'état de charge de la cellule de plus faible capacité ; [0013] le pilotage est effectué pour chacune des cellules de la pluralité par une machine 20 d'état pilotant les connexions et déconnexions de la résistance associée à la cellule considérée, en prenant en compte les états de charge de chacune des cellules de la pluralité, la machine d'état comprenant de plus des moyens pour estimer des différences d'état de charge, pour une tension minimale de fonctionnement de cellule, entre l'état de charge de la cellule considérée et l'état de charge de chacune des autres cellules de la 25 pluralité ; [0014] la batterie est une batterie à cellules lithium-ion. [0015] L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant une batterie selon l'invention, et une chaîne de traction pouvant être actionnée par ladite batterie. [0016] Le véhicule peut être un véhicule hybride électrique et thermique et comprendre 30 des moyens pour activer ledit moyen de pilotage lors des phases au cours desquelles la chaîne de traction n'est pas utilisée. 3045216 4 [0017] Le véhicule automobile peut être muni d'un moyen de connexion à un dispositif de charge électrique externe, et comprendre des moyens pour activer ledit moyen de pilotage quand le moyen de connexion est en service. [0018] L'invention porte aussi sur un procédé d'équilibrage d'une batterie par dissipation 5 d'énergie, la batterie comprenant une pluralité de cellules en série, caractérisée en ce que le procédé comprend des étapes - d'estimation d'une valeur d'état de charge pour chacune des cellules de la pluralité, - d'identification de celle des cellules de la pluralité qui est la cellule de plus faible capacité, 10 - d'estimation d'au moins une différence d'état de charge, pour une tension minimale de fonctionnement de cellule, entre l'état de charge de la cellule de plus faible capacité et l'état de charge d'une autre cellule de la pluralité, dite deuxième cellule, différente de la cellule de plus faible capacité, - et de connexion aux bornes des cellules respectives et déconnexion, de résistances aux 15 bornes de la cellule de plus faible capacité et de la deuxième cellule pour maintenir, relativement l'un à l'autre, les états de charge de la cellule de plus faible capacité et de la deuxième cellule, en sorte d'optimiser la capacité utilisable de la batterie, compte tenu de ladite au moins une différence d'état de charge. [0019] Liste des figures 20 L'invention va maintenant être décrite en relation aux figures annexées : - la figure 1 présente un système dissipatif d'équilibrage selon l'art antérieur à partir duquel l'invention va être présentée ; - les figures 2a et 2b présentent les effets du déséquilibre des cellules de la batterie sur la valeur de la capacité utilisable de la batterie ; 25 - la figure 3 présente un système dissipatif d'équilibrage selon l'invention ; - la figure 4 présente les conditions de déclenchement de la dissipation dans le système de la figure 3 ; 3045216 5 - la figure 5 présente un aspect de mise en oeuvre du système dissipatif de la figure 3. [0020] Description détaillée Pour une batterie composée de, à titre d'exemple, trois cellules lithium-ion en série, un dispositif d'équilibrage dissipatif selon l'art antérieur est présenté en figure 1. 5 [0021] Il est constitué pour chaque cellule 1, 2, 3 de l'association en série d'un interrupteur int[1], int[2] et int[3] (int[i]) et d'une résistance R1, R2 et R3 (Ri). Cet ensemble interrupteur puis résistance est connecté aux bornes de la cellule, et l'interrupteur, qui est piloté, permet donc de connecter ou déconnecter la résistance aux bornes de la cellule, pour effectuer un équilibrage par dissipation d'énergie dans la résistance. 10 [0022] L'algorithme de pilotage a alors en charge le pilotage des interrupteurs int[i] liés à chaque résistance Ri et utilise les différentes informations délivrées par les capteurs en place à savoir la tension V1, V2, V3 (Vi) et la température T1, T2, T3 (Ti) de chaque cellule ainsi que le courant I circulant dans la batterie. [0023] Pour préserver dans le temps la capacité énergétique batterie la plus grande 15 possible, un algorithme d'équilibrage 10 pilote périodiquement les états de charge de chaque cellule de telle sorte qu'ils soient le plus proche possible les uns des autres tout en limitant autant que possible la consommation énergétique liée à l'utilisation du système d'équilibrage dissipatif. Ce pilotage se fait par commande des interrupteurs int[i]. [0024] Ce pilotage tient compte des écarts de comportement statiques et dynamiques 20 entre cellules liés notamment aux dispersions de fabrication ou encore aux effets du vieillissement. Ce pilotage est activé dès que des écarts trop grands entre états de charge sont observés. Ces écarts apparaissent sous l'effet de réactions électrochimiques parasites (synonyme de vieillissement) dans chaque cellule, entraînant de l'autodécharge ou encore une modification des caractéristiques statiques de la cellule (tension à vide, 25 c'est-à-dire en l'absence de circulation de courant aux bornes de la batterie, en fonction de l'état de charge). [0025] Pour illustrer l'effet du déséquilibre des états de charge des cellules sur la capacité de la batterie, la figure 2a montre les caractéristiques des courbes de tension à vide V en fonction de l'état de charge SOC pour une batterie constituée de trois cellules 1, 30 2, 3 dont les vieillissements ne sont pas identiques. L'état de charge SOC (pour state of charge en anglais) est ici défini comme la quantité de charge contenue dans la cellule 3045216 6 exprimée en pourcentage par rapport à une capacité nominale constante Cnom de la cellule (la valeur Cnom est proche de la valeur de la capacité à neuf de la cellule) et avec la convention d'un SOC de 100% obtenu pour la tension maximale en charge Vmax. Ainsi par définition, pour toutes les cellules, un SOC de 100% est obtenu pour la même tension 5 Vmax de fonctionnement de la cellule, à savoir la tension Vmax, quel que soit le niveau de vieillissement. La tension minimum de fonctionnement des cellules est par ailleurs notée Vmin. [0026] Pour chaque cellule, la variation de charge entre Vmin et Vmax est alors appelée capacité de la cellule. En considérant que la cellule la plus usagée est celle ayant la 10 capacité la plus faible et la cellule la plus neuve celle ayant la capacité la plus grande, la cellule 1 apparaît alors comme la plus neuve et la cellule 3 comme la plus usagée, la cellule 2 se plaçant, dans la batterie illustrée sur la figure 2a, entre les cellules 1 et 3 en terme de vieillissement. On visualise sur la figure des valeurs d'état de charge SOCVMIN[i] pour les différentes cellules i et pour la tension Vmin qui respectent l'ordre 15 SOCVmin[1] J » prévu dans le cas où la cellule i n'est pas la cellule de plus petite capacité J. L'interrupteur lié à la cellule i est alors mis en position fermée pour provoquer une décharge de cette cellule. [0082] La machine bascule des états El à E2 et El à E3, et inversement. Elle pilote les 25 connexions et déconnexions des résistances R-I, R2 et R3. La machine dispose des états de charge de chacune des cellules 1, 2, 3, et comprend de plus des moyens pour estimer les différences d'état de charge ASOCmin[i], concernant la cellule à laquelle elle est associée, pour une tension minimale de fonctionnement de cellule (Vmin), entre l'état de charge de la cellule considérée et l'état de charge de chacune des autres cellules. 3045216 16 [0083] En fonction des effets provoqués par l'usure, la cellule de plus petite capacité peut changer au cours de la vie de la batterie. En affectant une machine d'état par cellule, ce cas est pris en compte en considérant que toute cellule peut potentiellement devenir celle de plus petite capacité. Chaque machine prend en compte les états de charge 5 SOCVmin[i] de chacune des cellules i à la tension minimale Vmin et détermine si la cellule qui lui est associée est ou n'est pas la cellule de plus faible capacité, notée J. [0084] En référence à la figure 4, les conditions de décharge sont différentes suivant qu'on considère la cellule de plus petite capacité J ou bien une autre cellule. [0085] Dans le cas où il s'agit de la cellule de plus petite capacité J, la cellule est 10 déchargée dès que son état de charge devient supérieur à un maximum noté MaxSOC, déterminé sur l'ensemble des cellules i distinctes de la cellule J, de la somme SOC[i]+ASOCmax[i] + A avec : - SOC[i], l'état de charge de la cellule i, 15 - ASOCmax[i], l'écart d'état de charge à la tension minimale Vmin entre l'état de charge de la cellule J de plus petite capacité et l'état de charge de la cellule i. [0086] La cellule de plus petite capacité est alors déchargée, par exemple de A. [0087] La quantité MaxSOC ne change pas pendant la décharge de la cellule de plus petite capacité J. L'utilisation de cette quantité permet de bien prendre en compte la cellule 20 la plus limitante en décharge au regard de son état de charge et de son niveau d'usure. [0088] Dans le cas où il s'agit d'une cellule différente de celle de plus petite capacité J, la cellule est déchargée dès que son état de charge devient supérieur à l'état de charge de la cellule J de plus petite capacité augmenté de la tolérance A. La cellule i est alors déchargée, par exemple de A. 25 [0089] L'utilisation de cette logique d'équilibrage permet de maintenir la capacité de la batterie dans une tolérance contrôlée et réglable en autorisant des écarts entre les états de charge au juste nécessaire, notamment en tolérant des états de charge des cellules i<>J (autres que celle de plus petite capacité) inférieurs à l'état de charge de la cellule J de 3045216 17 plus petite capacité. Il s'en suit une limitation de la consommation énergétique liée à une activation minimale du dispositif dissipatif d'équilibrage ainsi qu'un contrôle du compromis entre tolérance sur la capacité (A) et consommation énergétique (une tolérance plus grande sur la capacité induit une moindre consommation, et à l'inverse une capacité à 5 faible tolérance induit une consommation plus importante). [0090] Ce procédé d'équilibrage peut plus généralement être utilisé dans toutes les phases de vie de la batterie lorsque par exemple la batterie est utilisée par un ou plusieurs consommateurs ou bien pour la traction du véhicule. Néanmoins, il est à noter que la précision de l'équilibrage est liée à la précision obtenue sur l'estimation des différents états 10 de charge SOC[i]. Cette précision est d'autant meilleure que le modèle interne de la cellule utilisé par chaque estimateur est précis. En tout état de cause, l'intérêt d'un équilibrage dans des conditions quelconques d'utilisation de la batterie est de rendre le temps d'équilibrage invisible pour l'utilisateur, qui peut utiliser la batterie, au total, pendant de plus grandes périodes. 15 [0091] Ainsi, l'invention, qui s'applique à tous les types de batteries au lithium, présente les avantages suivants : temps réduits d'immobilisation de la batterie, et/ou des temps plus importants d'utilisation de la batterie à capacité maximale par une activation de l'équilibrage tout au long de la charge et plus généralement dans toutes les phases de vie 20 de la batterie ; consommation contrôlée et minimale des résistances mises en jeu dans la régulation d'équilibrage liée à des conditions d'activation de l'équilibrage réglées astucieusement autorisant des écarts en état de charge entre cellules sans impact ou avec un impact maîtrisé sur la capacité de la batterie ; 25 et fonctionnement amélioré de la batterie engendrant une usure mieux contrôlée, évitant le surdimensionnement de la batterie et donc un facteur de gain économique. [0092] L'invention a été présentée en lien avec une batterie de technologie lithium-Ion pour véhicule automobile. Le développement de cette invention n'est cependant pas 30 restreint aux éléments de stockage d'énergie électrique destinés aux véhicules automobiles. Son caractère général permet donc de l'appliquer et de l'étendre à l'ensemble des batteries de technologie lithium (lithium-métal, lithium-polymère et lithium- 3045216 18 ion, notamment) et ce indépendamment du dispositif embarquant la batterie (véhicule hybride ou électrique, appareils de l'électronique grand public, stockage de l'énergie, etc.). [0093] Si le véhicule automobile est hybride (thermique, électrique), l'algorithme d'équilibrage 11 peut être configuré pour être activé lors des phases au cours desquelles 5 la chaîne de traction n'est pas utilisée. [0094] Si le véhicule automobile est muni d'un moyen de connexion à un dispositif de charge électrique externe, l'algorithme d'équilibrage 11 peut être configuré pour être activé quand le moyen de connexion est en service. REVENDICATIONS1. Batterie comprenant une pluralité de cellules (1, 2, 3) en série, et pour chaque cellule de la pluralité une résistance (R1, R2, R3) en parallèle de la cellule, la batterie comprenant de plus un moyen de pilotage (11) pour équilibrage des cellules (1, 2, 3) par dissipation d'énergie dans les résistances (R1, R2, R3), pour individuellement connecter chaque résistance aux bornes de la cellule correspondante ou la déconnecter, caractérisée en ce que la batterie comprend des moyens (101, 102, 103) pour estimer une valeur d'état de charge pour chacune des cellules de la pluralité (1, 2, 3), et le moyen de pilotage (11) comprend des moyens (115) pour identifier celle des cellules (1, 2, 3) de la pluralité qui est la cellule de plus faible capacité, des moyens (116) pour estimer au moins une différence d'état de charge (ASOCmin[1], ASOCmin[2]), pour une tension minimale de fonctionnement de cellule (Vmin), entre l'état de charge de la cellule de plus faible capacité (SOC3) et l'état de charge d'une autre cellule de la pluralité, dite deuxième cellule, différente de la cellule de plus faible capacité, et des moyens (117) pour connecter aux bornes des cellules respectives et déconnecter, les résistances (R1, R2, R3) associées à la cellule de plus faible capacité et à la deuxième cellule pour maintenir, relativement l'un à l'autre, les états de charge de la cellule de plus faible capacité (SOC3) et de la deuxième cellule, en sorte d'optimiser la capacité utilisable (Cu) de la batterie, compte tenu de ladite au moins une différence d'état de charge (ASOCmin[1], ASOCmin[2]). 2. Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (101, 102, 103) pour estimer une valeur d'état de charge pour chacune des cellules de la pluralité (1, 2, 3) comportent un estimateur d'état de charge utilisant une courbe de la tension à vide en fonction de l'état de charge et comme données d'entrée la tension courante (V1, V2, V3) aux bornes de la cellule, une température courante (T1, T2, T3) de la cellule et une valeur courante (I) d'intensité de courant circulant dans la batterie. 3. Batterie selon la revendication 2, caractérisée en ce que la courbe de la tension à vide est mise à jour périodiquement. 4. Batterie selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens (117) pour connecter et déconnecter connectent la résistance (R1, R2, R3) associée à la cellule de plus faible capacité aux bornes de la cellule correspondante quand l'état de charge de la deuxième 3045216 20 cellule devient inférieur à l'état de charge de la cellule de plus faible capacité (SOC3) diminué de ladite différence d'état de charge (ASOCmin[1], ASOCmin[2]) et diminué de plus d'une tolérance de capacité (Al, A), et déconnectent ladite résistance (R1, R2, R3) associée à la cellule de plus faible capacité quand l'état de charge de la cellule de plus 5 faible capacité (SOC3) redevient inférieur à l'état de charge de la deuxième cellule augmenté de ladite différence d'état de charge (ASOCmin[1], ASOCmin[2]), et connectent la résistance (R1, R2, R3) associée à la deuxième cellule aux bornes de la cellule correspondante quand l'état de charge de la cellule de plus faible capacité (SOC3) également augmenté d'une tolérance de capacité (42, A), devient 10 inférieur à l'état de charge de la deuxième cellule, et déconnectent ladite résistance (R1, R2, R3) associée à la deuxième cellule quand l'état de charge de la deuxième cellule redevient inférieur à l'état de charge de la cellule de plus faible capacité (SOC3). 5. Batterie selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le moyen de pilotage (11) comprend pour chacune des cellules (1, 2, 3) de la pluralité une 15 machine d'état (E1, E2, E3) pilotant les connexions et déconnexions de la résistance (R1, R2, R3) associée à la cellule considérée, en prenant en compte les états de charge de chacune des cellules (1, 2, 3) de la pluralité, la machine d'état (E1, E2, E3) comprenant de plus des moyens pour estimer des différences d'état de charge (ASOCmin[1], ASOCmin[2]), pour une tension minimale de fonctionnement de cellule (Vmin), entre l'état 20 de charge de la cellule considérée et l'état de charge de chacune des autres cellules de la pluralité. 6. Batterie selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la batterie est une batterie à cellules lithium-ion. 7. Véhicule automobile comprenant une batterie selon l'une des 25 revendications 1 à 6 et une chaîne de traction pouvant être actionnée par ladite batterie. 8. Véhicule automobile selon la revendication 7, caractérisé en ce que le véhicule est hybride électrique et thermique et comprend des moyens pour activer ledit moyen de pilotage (11) lors des phases au cours desquelles la chaîne de traction n'est pas utilisée. 30 9. Véhicule automobile selon la revendication 7, caractérisé en ce que le véhicule est muni d'un moyen de connexion à un dispositif de charge électrique et dans lequel le véhicule comprend des moyens pour activer ledit moyen de pilotage (11) quand le moyen de connexion est en service. 10. Procédé d'équilibrage d'une batterie par dissipation d'énergie, la batterie 35 comprenant une pluralité de cellules (1, 2, 3) en série, caractérisée en ce que le procédé comprend des étapes 3045216 21 - d'estimation d'une valeur d'état de charge pour chacune des cellules de la pluralité (1, 2, 3), - d'identification de celle des cellules (1, 2, 3) de la pluralité qui est la cellule de plus faible capacité, 5 d'estimation d'au moins une différence d'état de charge (4SOCmin[1], 4SOCmin[2]), pour une tension minimale de fonctionnement de cellule (Vmin), entre l'état de charge de la cellule de plus faible capacité (SOC3) et l'état de charge d'une autre cellule de la pluralité, dite deuxième cellule, différente de la cellule de plus faible capacité, - et de connexion aux bornes des cellules respectives et déconnexion, de 10 résistances (R1, R2, R3) aux bornes de la cellule de plus faible capacité et de la deuxième cellule pour maintenir, relativement l'un à l'autre, les états de charge de la cellule de plus faible capacité (SOC3) et de la deuxième cellule, en sorte d'optimiser la capacité utilisable (Cu) de la batterie, compte tenu de ladite au moins une différence d'état de charge (A.SOCmin[1], 4SOCmin[2]). 15