Brevet FR3037192A1 — publié le 20161209

B14171 - DD16194ST 1 ASSEMBLAGE COMPORTANT UNE BATTERIE ÉLECTRIQUE ET UN SYSTÈME DE CONTRÔLE DE LA BATTERIE Domaine La présente demande concerne le domaine des batteries électriques de façon générale, et vise plus particulièrement un assemblage comportant une batterie de cellules de stockage 5 d'énergie électrique et un système de contrôle de la batterie. Exposé de l'art antérieur Une batterie électrique est un groupement de plusieurs cellules de stockage d'énergie électrique rechargeables identiques ou similaires (piles, accumulateurs, etc.) reliées en 10 série et/ou en parallèle entre deux bornes, respectivement positive et négative, de fourniture d'une tension continue. Lors de phases de décharge de la batterie, un courant circule de la borne positive vers la borne négative de la batterie, à travers une charge à alimenter. Lors de phases de charge de la batterie, 15 un chargeur applique un courant de charge circulant de la borne négative vers la borne positive de la batterie (à travers le chargeur). Une batterie est généralement associée à un système de contrôle adapté à mettre en oeuvre des opérations de contrôle de la charge, de contrôle de la décharge et/ou d'équilibrage des 20 cellules de la batterie. 3037192 B14171 - DD16194ST 2 La figure 1 représente une batterie 1 de cellules de stockage d'énergie électrique connue de l'état de la technique. La batterie 1 est composée de quatre étages Etl, Et2, Et3 et Et4 connectés en série entre une borne positive P et une borne négative 5 N de la batterie. Chaque étage comprend quatre cellules connectées en parallèle. Les tensions aux bornes des quatre étages sont notées respectivement Ul, U2, U3 et U4. Dans ce schéma, la tension totale U entre les bornes N et P de la batterie 1 est la somme des tensions Ul, U2, U3 et U4. Les courants traversant les quatre 10 cellules du quatrième étage Et4 sont notés respectivement Il, 12, 13 et 14. Le courant I généré sur la borne P de la batterie 1 est la somme des courants Il, 12, 13 et 14. La batterie 1 est associée à un circuit annexe de contrôle 2 connecté aux bornes de chacun des étages Etl, Et2, Et3 15 et Et4. Le circuit 2 peut être configuré pour, lors des phases de recharge, surveiller l'état de charge des cellules et interrompre la charge suffisamment tôt pour éviter que les cellules ne dépassent un niveau de charge critique au-delà duquel elles pourraient être endommagées, et, lors des phases de décharge, 20 surveiller l'état de charge des cellules et interrompre la décharge suffisamment tôt pour éviter que les cellules ne dépassent un niveau de décharge critique en deçà duquel elles pourraient être endommagées. Le circuit de contrôle 2 peut en outre être adapté à équilibrer les niveaux de charge des 25 différents étages de la batterie pendant les phases de recharge et/ou de décharge. On notera que dans la configuration de la figure 1, l'équilibrage des niveaux de charge des cellules d'un même étage se fait naturellement du fait de la connexion en parallèle des cellules de l'étage. 30 Pendant la durée de vie de la batterie, des défauts sont susceptibles d'apparaître sur certaines cellules. Un défaut sur une cellule se traduit généralement par la mise en court-circuit de la cellule, par l'apparition d'un courant de fuite important dans la cellule, ou par la mise en circuit ouvert de la cellule. 35 En l'absence d'éléments de protection adaptés, la mise en court- 3037192 B14171 - DD16194ST 3 circuit d'une cellule de la batterie ou l'apparition d'un courant de fuite important dans une cellule de la batterie peuvent avoir des conséquences graves, et peuvent provoquer une défaillance de l'ensemble d'un étage de la batterie voire de l'ensemble de la 5 batterie. En particulier, du fait de la connexion en parallèle des cellules d'un même étage, si l'une des cellules de l'étage forme un court-circuit ou un chemin de faible impédance, toutes les autres cellules de l'étage tendent à se décharger dans la cellule défaillante, ce qui peut endommager irrémédiablement 10 l'ensemble de l'étage voire de la batterie. Afin de protéger la batterie 1 des conséquences d'un court-circuit ou de l'apparition d'un courant de fuite important dans une cellule, chaque cellule est associée à un fusible qui lui est connecté en série. Lorsqu'une cellule forme un court- 15 circuit ou est traversée par un courant de fuite important, le courant la traversant fait fondre le fusible qui lui est associé afin de protéger le reste de la batterie 1. Un inconvénient de la configuration de la figure 1 est que la présence des fusibles en série entre les étages induit des 20 pertes d'énergie non négligeables. En outre, le dimensionnement des fusibles de la batterie est délicat car ces derniers ne doivent pas fondre intempestivement lorsqu'ils sont traversés par les courants de charge et de décharge de la batterie, mais doivent fondre pour le courant de défaut, dont la valeur dépend de 25 l'impédance de la cellule en défaut. La figure 2 illustre une solution alternative qui a été proposée dans la demande de brevet internationale W0201103924. La figure 2 représente une batterie 4 comportant une borne positive P et une borne négative N. La batterie 4 comprend 5 branches Brl, 30 Br2, Br3, Br4 et Br5. Chaque branche Brj, avec j entier allant de 1 à 5, comprend cinq cellules Ei,j connectées en série entre les bornes P et N, avec i entier allant de 1 à 5. Les cellules de même indice i appartenant respectivement aux différentes branches définissent un étage désigné par la référence Eti. Ainsi, la 35 batterie 4 comprend 4 étages Etl, Et2, Et3, Et4 et Et5. Les 3037192 B14171 - DD16194ST 4 cellules d'un même étage sont connectées en parallèle par l'intermédiaire de fusibles. Les cellules El,j du premier étage Etl sont connectées par leurs bornes positives à la borne P de la batterie 4, et les cellules E5,j du cinquième étage Et5 sont connectées par leurs bornes négatives à la borne N de la batterie 4. Chaque cellule Ei,j des étages Et2, Et3, Et4 et Et5 et des branches Brl, Br2, Br3 et Br4 a sa borne positive connectée à la borne positive de la cellule Ei,j+i du même étage par l'intermédiaire d'un fusible Di,j. La batterie 4 est associée à un circuit annexe de contrôle 5 connecté aux bornes de chacun des étages Etl, Et2, Et3, Et4 et Et5. Le circuit 5 est notamment adapté à réaliser des opérations de contrôle de la charge et/ou de la décharge et d'équilibrage des étages. Comme dans l'exemple de la figure 1, l'équilibrage des niveaux de charge des cellules d'un même étage se fait naturellement du fait de la connexion en parallèle des cellules de l'étage. Le courant traversant un accumulateur Ei,j est noté Ii,j. Le courant traversant un fusible Di,j est noté Iti,j. La tension aux bornes d'un étage Eti est notée Ui. Le courant échangé par les bornes positives d'un étage Eti avec le circuit de charge et d'équilibrage 5 est noté Ieq(i). Un avantage de la configuration de la figure 2 est que les fusibles sont placés en dehors du chemin de charge ou de décharge principal des cellules de la batterie, sur des conducteurs d'interconnexion en parallèle des cellules, qui ne sont parcourus que par des courants réduits en fonctionnement normal, c'est-à-dire lorsque tous les accumulateurs sont sains. Ceci permet d'utiliser des fusibles de plus petit calibre, c'est- à-dire aptes à fondre pour des courants plus faibles, moins coûteux que les fusibles de la configuration de la figure 1. En outre, ceci permet de limiter les pertes par effet Joule dans les fusibles en fonctionnement normal. Toutefois, un problème qui se pose dans la configuration 35 de la figure 2 est que lorsqu'un ou plusieurs fusibles voisins 3037192 B14171 - DD16194ST 5 d'une cellule en défaut fondent sous l'effet du courant de défaut pour protéger la batterie 4, des cellules saines de la branche comportant la cellule en défaut peuvent être soumises à une surtension. 5 A titre d'exemple illustratif, on considère le cas où la cellule E3,3 est défectueuse et forme un court-circuit. Selon le calibre choisi pour les fusibles Di,j, un nombre plus ou moins important des fusibles connectés à la branche Br3 fond alors sous l'effet du courant de défaut. A titre d'exemple, on considère le 10 cas où les fusibles D3,2, D3,3, D4,2 et D4,3 fondent sous l'effet du courant de défaut, les fusibles D2,2, D2,3, D5,2 et D5,3 restant intacts. Dans ce cas, la tension U2+U3+U4 est appliquée à la portion de la branche Br3 formée par les cellules E2,3, E3,3 et E4,3. La cellule E3,3 formant un court-circuit, l'association en 15 série des deux cellules saines E2,3 et E4,3 voit donc à ses bornes la somme des tensions de trois cellules. Chacune des cellules saines E2,3 et E4,3 subit donc une surtension relativement importante, de l'ordre de la moitié de la tension normale de fonctionnement d'une cellule, ce qui peut conduire à la 20 destruction des cellules E2,3 et E4,3. En pratique, selon la technologie considérée, une cellule peut supporter une certaine surtension sans être endommagée irrémédiablement. Pour minimiser la surtension vue par les cellules d'une branche en cas de mise en court-circuit d'une 25 cellule de la branche, il convient qu'un nombre le plus important possible des fusibles connectés à la branche comprenant la cellule en défaut fondent sous l'effet du courant de défaut. A titre d'illustration, dans le cas d'exemple susmentionné, en choisissant un calibre de fusibles plus faible, 30 on peut obtenir qu'en cas de mise en court-circuit de la cellule E3,3, l'ensemble des fusibles D2,2, D2,3, D3,2, D3,3, D4,2, D4,3, D5,2 et D5,3 fondent sous l'effet du courant de défaut. Dans ce cas, l'association en série des quatre cellules saines E1,3, E2,3, E4,3 et E5,3 voit à ses bornes la somme Ul+U2+U3+U4+U5 des tensions de cinq cellules. La surtension vue par chacune des cellules 3037192 B14171 - DD16194ST 6 saines est donc limitée au quart de la tension normale de fonctionnement d'une cellule. En pratique, le dimensionnement des fusibles est donc délicat dans la mesure où ces derniers doivent être suffisamment 5 sensibles pour isoler un nombre important de cellules en série dans une branche en cas de mise en court-circuit d'une cellule de la branche, mais suffisamment résistants pour ne pas fondre intempestivement sous l'effet des courants d'équilibrage et/ou sous l'effet de vibrations. 10 Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'un assemblage comportant une batterie et un système de contrôle de la batterie, cet assemblage palliant tout ou partie des inconvénients des solutions connues. Résumé 15 Ainsi, un mode de réalisation prévoit un assemblage comportant une batterie de cellules de stockage d'énergie électrique et un système de contrôle, dans lequel : la batterie comporte un nombre entier R de branches comportant chacune un nombre entier s de cellules connectées en série entre une borne 20 positive et une borne négative de la batterie, les cellules de même rang des différentes branches définissant des étages ; et le système de contrôle comporte un circuit de contrôle connecté aux bornes positive et négative de la batterie, et un réseau de diodes reliant les cellules au circuit de contrôle, ce réseau comportant, 25 pour chaque étage de la batterie à l'exception de l'étage connecté à la borne positive de la batterie, R premières diodes connectées en direct respectivement entre les bornes positives des R cellules de l'étage et une même première borne d'accès à l'étage du circuit de contrôle, et R deuxième diodes connectées en inverse 30 respectivement entre les bornes positives des R cellules de l'étage et une même deuxième borne d'accès à l'étage du circuit de contrôle. Selon un mode de réalisation, le circuit de contrôle comprend un circuit de polarisation à l'état passant des diodes 3037192 B14171 - DD16194ST 7 du réseau, connecté auxdites premières et deuxièmes bornes d'accès aux étages de la batterie. Selon un mode de réalisation, le circuit de polarisation comprend, pour chaque étage en partant de l'étage connecté à la 5 borne positive de la batterie, une résistance de polarisation reliant la première borne d'accès à l'étage, ou, pour le premier étage, la borne positive de la batterie, à la deuxième borne d'accès à l'étage suivant, ou, pour le dernier étage, à la borne négative de la batterie. 10 Selon un mode de réalisation, le circuit de contrôle est adapté à mesurer le potentiel Vp de la borne positive de la batterie, et est en outre adapté, pour chaque étage de la batterie à l'exception de l'étage connecté à la borne positive de la batterie, à mesurer, via sa première borne d'accès à l'étage, le 15 potentiel VmaxEti de la borne positive de plus haut potentiel des cellules de l'étage, et, via sa deuxième borne d'accès à l'étage, le potentiel VminEti de la borne positive de plus bas potentiel des cellules de l'étage, i étant un entier allant de 2 à s, et lesdits potentiels étant référencés par rapport à borne négative 20 de la batterie. Selon un mode de réalisation, le circuit de contrôle est adapté à vérifier si le système de relations suivant est vérifié : a) VMinEts > Umincell ; b) VMaxEts U mincell ; d) pour i allant de 2 à s-1, VmaxEti - VminEti+1 Umincell ; et f) Vp VminEt2 Umincell ; b) VmaxEt5 Umincell ; d) pour i allant de 2 à 4, VmaxEti - VminEti+1 Umincell ; et 20 f) Vp VminEt2 REVENDICATIONS1. Assemblage comportant une batterie (30) de cellules (Ei,j) de stockage d'énergie électrique et un système de contrôle, dans lequel : la batterie (30) comporte un nombre entier R de branches (Brj) comportant chacune un nombre entier s de cellules (Ei,j) connectées en série entre une borne positive (P) et une borne négative (N) de la batterie, les cellules (Ei,j) de même rang (i) des différentes branches (Brj) définissant des étages (Eti) ; et le système de contrôle comporte un circuit de contrôle (32) connecté aux bornes positive (P) et négative (N) de la batterie, et un réseau de diodes (34) reliant les cellules (Ei,j) au circuit de contrôle (32), ce réseau (34) comportant, pour chaque étage (Eti) de la batterie à l'exception de l'étage (Etl) connecté à la borne positive (P) de la batterie, R premières diodes (Dli,j) connectées en direct respectivement entre les bornes positives des R cellules (Ei,j) de l'étage (Eti) et une même première borne d'accès à l'étage (VmaxEti) du circuit de contrôle (32), et R deuxième diodes (D2i,j) connectées en inverse respectivement entre les bornes positives des R cellules (Ei,j) de l'étage (Eti) et une même deuxième borne d'accès à l'étage (VminEti) du circuit de contrôle (32). 2. Assemblage selon la revendication 1, dans lequel le circuit de contrôle (32) comprend un circuit (Rpl, Rp2, Rp3, Rp4, Rps) de polarisation à l'état passant des diodes (Dli,j, D2i,j) du réseau (34), connecté auxdites premières (VmaxEti) et deuxièmes (VminEti) bornes d'accès aux étages (Eti) de la batterie. 3. Assemblage selon la revendication 2, dans lequel ledit circuit de polarisation comprend, pour chaque étage (Eti) en partant de l'étage (Etl) connecté à la borne positive (P) de la batterie, une résistance de polarisation (Rpi) reliant la première borne d'accès (VmaxEti) à l'étage, ou, pour le premier étage, la borne positive (P) de la batterie, à la deuxième borne d'accès (VminEti+1) à l'étage suivant, ou, pour le dernier étage, à la borne négative (N) de la batterie. 3037192 B14171 - DD16194ST 22 4. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit de contrôle (32) est adapté à mesurer le potentiel Vp de la borne positive (P) de la batterie, et est en outre adapté, pour chaque étage (Eti) de la batterie à 5 l'exception de l'étage (Etl) connecté à la borne positive (P) de la batterie, à mesurer, via sa première borne d'accès à l'étage (VmaxEti), le potentiel VmaxEti de la borne positive de plus haut potentiel des cellules de l'étage, et, via sa deuxième borne d'accès à l'étage (VminEti), le potentiel VminEti de la borne 10 positive de plus bas potentiel des cellules de l'étage, i étant un entier allant de 2 à s, et lesdits potentiels étant référencés par rapport à borne négative (N) de la batterie. 5. Assemblage selon la revendication 4, dans lequel le circuit de contrôle (32) est adapté à vérifier si le système de 15 relations suivant est vérifié : a) VminEts > Umincell ; b) VmaxEts U mincell ; d) pour i allant de 2 à s-1, VmaxEti - VminEti+1 Umincell ; et f) Vp - VminEt2 6. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le circuit de contrôle (32) comprend des circuits (41 ; 51) d'équilibrage connectés auxdites bornes positive (P) et négative (N) de la batterie et auxdites premières (VmaxEti) et deuxièmes (VminEti) bornes d'accès aux étages (Eti) 30 de la batterie. 7. Assemblage selon la revendication 6, dans lequel le circuit de contrôle (32) comprend, pour chaque étage (Eti) en partant de l'étage (Etl) connecté à la borne positive (P) de la batterie, un circuit d'équilibrage dissipatif (41) reliant la première borne d'accès (VmaxEti) à l'étage, ou, pour le premier 3037192 B14171 - DD16194ST 23 étage, la borne positive (P) de la batterie, à la deuxième borne d'accès (VminEti+1) à l'étage suivant, ou, pour le dernier étage, à la borne négative (N) de la batterie. 8. Assemblage selon la revendication 7, dans lequel 5 ledit circuit d'équilibrage dissipatif (41) comprend une résistance (Reqi) en série avec un interrupteur (swi). 9. Assemblage selon la revendication 6, dans lequel le circuit de contrôle (32) comprend, pour chaque étage (Eti) en partant de l'étage (Etl) connecté à la borne positive (P) de la 10 batterie, un circuit d'équilibrage par rechargement (51) relié aux bornes positive (P) et négative (N) de la batterie, à la deuxième borne d'accès (VminEti) à l'étage, ou, pour le premier étage, à la borne positive (P) de la batterie, et à la première borne d'accès (VmaxEti+1) à l'étage suivant, ou, pour le dernier 15 étage, à la borne négative (N) de la batterie, ledit circuit d'équilibrage par rechargement (51) étant adapté à prélever de l'énergie aux bornes de la batterie pour charger la cellule de l'étage (Eti) dont la borne positive présente le potentiel le plus bas. 20 10. Assemblage selon la revendication 9, dans lequel ledit circuit d'équilibrage par rechargement (51) comprend : une inductance (Li) dont une première extrémité est reliée à la borne positive (P) de la batterie par un premier interrupteur (sli) et dont une deuxième extrémité est reliée à la 25 borne négative (N) de la batterie par un deuxième interrupteur (s2i) ; une première diode d'équilibrage (dli) connectée en direct entre la deuxième extrémité de l'inductance (Li) et la deuxième borne d'accès (VminEti) à l'étage, ou, pour le premier 30 étage, à la borne positive (P) de la batterie ; une deuxième diode d'équilibrage (d2i) connectée en inverse entre la première extrémité de l'inductance (Li) et la première borne d'accès (VmaxEti+1) à l'étage suivant, ou, pour le dernier étage, à la borne négative (N) de la batterie ; et 3037192 B14171 - DD16194ST 24 un condensateur (Ci) reliant la deuxième borne d'accès (VminEti) à l'étage, ou, pour le premier étage, la borne positive (P) de la batterie, à la première borne d'accès (VmaxEti+1) à l'étage suivant, ou, pour le dernier étage, à la borne négative 5 (N) de la batterie. 11. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le nombre s de cellules (Ei,j) dans chaque branche (Brj) de la batterie (30) est supérieur ou égal à 5.