Brevet FR3067861A1 — publié le 20181221

«BATTERIE POUR VEHICULE HYBRIDE OU ELECTRIQUE COMPORTANT DES COMMUTATEURS POUR UNE ADAPTATION A UN CHARGEUR» [0001] La présente invention concerne une batterie pour un véhicule hybride ou électrique, ainsi qu'un véhicule hybride ou électrique équipé de ce type de batterie. [0002] Les véhicules hybrides ou électriques comportent une batterie de traction alimentant par un convertisseur une machine électrique délivrant un couple sur les roues motrices, en prélevant une énergie sur la batterie, ou rechargeant cette batterie lors des freinages du véhicule en travaillant en génératrice. [0003] Pour réaliser une batterie, des modules comprenant chacun un ensemble de cellules électrochimiques, sont mis en série pour constituer des branches. Les branches sont ensuite reliées entre elles en parallèle pour constituer la batterie, ou pour constituer des groupes de branches qui sont mis en série entre eux pour constituer cette batterie. Les cellules peuvent utiliser en particulier la technologie lithium-ion qui présente une capacité de charge importante par rapport à la masse et au volume. [0004] La tension d'une branche est égale à la somme des tensions de chacun de ses modules disposés en série. La tension de la batterie est égale à la tension d'une branche pour des branches toutes en parallèle. [0005] En plus de la recharge de la batterie de traction avec la machine électrique travaillant en génératrice, certains véhicules comportent une prise prévue pour être branchée sur un chargeur de batterie extérieur d'un réseau de distribution d'électricité, afin de réaliser une recharge de cette batterie pendant l'arrêt du véhicule. Le chargeur de batterie installé sur une borne fixe, effectue une gestion de la charge de la batterie en surveillant différents paramètres, afin de réaliser une recharge dans des bonnes conditions de rendement, de sécurité et de longévité pour cette batterie. [0006] En variante les véhicules hybrides ou électriques peuvent comporter un chargeur de batterie embarqué, qui adapte les caractéristiques du courant reçu par le réseau de distribution d'électricité en fonction de la batterie de traction. [0007] Les batteries de traction des véhicules présentent généralement une tension de plusieurs centaines de volts. Le chargeur de batterie doit délivrer une tension continue un peu supérieure à la tension de la batterie, pour générer un courant inverse de recharge de cette batterie. 2 [0008] Dans certains cas les chargeurs de batterie doivent comporter un convertisseur de tension continue DC/DC, permettant d'adapter la tension délivrée à celle de la batterie. L'adaptation des chargeurs aux tensions de charge des batteries nécessite des composants qui posent des problèmes d'encombrement, de masse et de coût. En 5 particulier pour les chargeurs embarqués dans le véhicule, l'encombrement et la masse sont critiques. [0009] De plus les convertisseurs de tension présentent des pertes absorbant une partie de la puissance, ce qui réduit la performance énergétique globale. [0010] La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la 10 technique antérieure. [0011] Elle propose à cet effet une batterie pour un véhicule hybride ou électrique comprenant des branches reliées entre elles par des liaisons, contenant des modules équipés de cellules électrochimiques de stockage d'énergie, cette batterie étant remarquable en ce qu'elle comporte des commutateurs pilotés, comprenant des contacts 15 qui dans une position de fonctionnement relient les branches entre elles suivant une disposition donnant une tension de fonctionnement, et dans une position de charge relient les branches entre elles suivant une disposition donnant une tension de charge différente de la tension de fonctionnement. [0012] Un avantage de cette batterie est qu'avec les commutateurs pilotés, qui peuvent 20 être des systèmes électromécaniques ou électroniques peu onéreux et présentant un bon rendement énergétique, en modifiant les liaisons entre les branches ou des groupes de branches, on change la tension de charge par rapport à la tension de fonctionnement. [0013] En particulier on peut facilement augmenter la tension de charge par rapport à la tension de fonctionnement, et permettre d'utiliser des chargeurs de batterie plus simples et 25 plus économiques, notamment en évitant l'utilisation d'un convertisseur de courant continu DC/DC pour adapter la tension délivrée. [0014] La batterie suivant l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. [0015] Avantageusement, la batterie comporte des commutateurs positifs comprenant 30 deux voies de raccordement reliées aux pôles positifs des branches, la commutation pouvant être ouverte ou fermée entre ces deux voies. 3 [0016] Avantageusement, la batterie comporte des commutateurs négatifs comprenant trois voies de raccordement, une première voie étant toujours reliée à des pôles négatifs de branches, la commutation de ces commutateurs pouvant relier cette première voie alternativement à des pôles négatifs ou à des pôles positifs d'autres branches. 5 [0017] Avantageusement, la batterie comporte des moyens de pilotage commun pour tous les commutateurs. [0018] Avantageusement, la batterie comporte un moyen de mesure de la tension de charge appliquée par un chargeur sur cette batterie, qui modifie automatiquement l'état des commutateurs en fonction de cette mesure. 10 [0019] En particulier, les commutateurs peuvent comporter un système de commutation électromécanique ou électronique. [0020] Selon un mode de réalisation, dans la position de fonctionnement les pôles positifs de toutes les branches sont reliés entre eux. [0021] Selon un mode de réalisation, dans la position de charge la batterie comporte des 15 groupes de branches reliés entre eux en série, formant chacun un ensemble de branches reliées en parallèle. [0022] En particulier, la batterie peut comporter plusieurs positions de charge avec des dispositions des commutateurs variées, adaptées chacune à une tension différente délivrée par un chargeur de batterie. 20 [0023] L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile électrique ou hybride équipé d'une batterie alimentant une machine électrique de traction, comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. [0024] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va 25 suivre, faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels : - les figures la et lb sont des schémas d'une batterie selon l'invention à deux branches, présentée respectivement dans une position de fonctionnement comprenant les deux branches disposées en parallèle, et dans une position de charge comprenant les 30 deux branches disposées en série ; 4 - les figures 2a et 2b sont des schémas d'une batterie suivant une variante à trois branches, présentée respectivement dans une position de fonctionnement comprenant les trois branches disposées en parallèle, et dans une position de charge comprenant les trois branches disposées en série ; 5 - les figures 3a et 3b sont des schémas d'une batterie suivant une autre variante à six branches, présentée respectivement dans une position de fonctionnement comprenant les six branches disposées en parallèle, et dans une position de charge comprenant deux groupes disposés en série de trois branches chacun disposées en parallèle ; - les figures 4a et 4b sont des schémas d'une batterie suivant une autre variante à 10 six branches, présentée respectivement dans une position de fonctionnement comprenant les six branches disposées en parallèle, et dans une position de charge comprenant trois groupes disposés en série de deux branches chacun disposées en parallèle ; et - les figures 5a, 5b, 5c et 5d sont des schémas d'une batterie suivant une autre variante à six branches, présentée respectivement dans une position de fonctionnement 15 comprenant les six branches disposées en parallèle, et dans trois positions de charge différentes, comprenant les six branches disposées en série, comprenant deux groupes disposés en série de trois branches chacun disposées en parallèle, et comprenant trois groupes disposés en série de deux branches chacun disposées en parallèle. [0025] Les figures la et lb présentent une batterie comprenant une borne extérieure 20 positive 6 et une borne extérieure négative 10, prévues pour délivrer un courant lors de son utilisation avec une tension nominale, ou recevoir un courant lors de sa charge, et comprenant deux branches 2 équipées de cellules électrochimiques, présentant chacune un pôle positif + et un pôle négatif -. [0026] Par convention sur l'ensemble des figures, les branches 2 précédentes désignent 25 des branches présentées vers la gauche, et les branches suivantes des branches présentées vers la droite. La première branche 2 est la plus à gauche. Le pôle positif de la première branche 2 est toujours relié à la borne extérieure positive 6, le pôle négatif de la dernière branche est toujours relié à la borne extérieure négative 10. [0027] Un commutateur positif 4 à deux voies de raccordement, comporte une voie reliée 30 en permanence à la borne extérieure positive 6 ainsi qu'au pôle positif de la première branche 2, et un contact qui peut s'établir avec la deuxième voie reliée au pôle positif de la deuxième branche. [0028] Un commutateur négatif 8 à trois voies de raccordement, comporte une voie reliée en permanence au pôle négatif de la première branche 2, et un contact qui peut 5 s'établir soit avec la borne extérieure négative 10 ainsi qu'au pôle négatif de la deuxième branche, ou soit avec une liaison série 12 reliée au pôle positif de la deuxième branche. [0029] Les commutateurs 4, 8 comportent un pilotage commun 14 qui les manoeuvre simultanément, pour dans une position de fonctionnement de la batterie présentée figure 5 la mettre les deux branches 2 en parallèle en reliant les deux pôles positifs entre eux et les deux pôles négatifs entre eux. Dans ce cas, la tension nominale de la batterie correspond à celle d'une branche 2. [0030] Le pilotage commun 14 manoeuvre simultanément les commutateurs 4, 8, pour dans une position de charge de la batterie présentée figure 1 b, mettre les deux branches 2 10 en série en reliant le pôle négatif de la première branche avec le pôle positif de la deuxième branche, en passant par la liaison série 12. La tension de charge de la batterie est égale à deux fois la tension d'une branche 2. [0031] On obtient avec un système simple et économique de commutation, une tension de charge de la batterie correspondant à deux fois la tension d'une branche 2. On peut 15 dans ce cas utiliser un chargeur de batterie recevant une tension alternative d'un réseau de distribution d'électricité, le transformant en une tension continue élevée correspondant à cette tension de charge, sans passer par un convertisseur de tension continue DC/DC qui serait nécessaire pour descendre au niveau de la tension de fonctionnement qui est deux fois plus faible. 20 [0032] Le pilotage commun 14 peut être manoeuvré à partir d'une commande manuelle actionnée par un utilisateur. En variante le pilotage commun 14 peut être manoeuvré de manière automatique, à partir d'un dispositif de détection mesurant automatiquement la tension fournie par le chargeur, qui suivant cette tension commande le pilotage. [0033] Les figures 2a et 2b présentent une batterie comprenant trois branches 2. Deux 25 commutateurs positifs 4 à deux voies sont disposés en série, chacun entre les pôles positifs de deux branches adjacentes 2, le premier étant relié à la borne extérieure positive 6. [0034] De même, deux commutateurs négatifs 8 à trois voies sont disposés chacun entre les pôles négatifs de deux branches adjacentes 2, le dernier commutateur étant relié 30 en permanence à la borne extérieure négative 10. La troisième voie de chaque commutateur négatif 8 est constituée par une liaison série 12 reliée au pôle positif de la branche suivante 2. 6 [0035] Dans la position de fonctionnement présentée figure 2a, les commutateurs 4, 8 sont disposés pour relier entre eux d'une part tous les pôles positifs, et d'autre part tous les pôles négatifs. On obtient pour la batterie une tension de fonctionnement égale à la tension d'une branche 2, et une intensité égale à la somme des intensités délivrées par 5 chaque branche. [0036] Dans la position de charge présentée figure 2b, les commutateurs positifs 4 sont tous ouverts, les commutateurs négatifs 8 sont tous manoeuvrés pour relier le pôle négatif de la branche précédente au pôle positif de la branche suivante, en passant par la liaison série 12 disposée entre ces deux branches. 10 [0037] On obtient avec toutes les branches 2 disposées en série, une tension de charge égale à trois fois la tension de chaque branche. On utilise un chargeur de batterie délivrant une tension de charge trois fois supérieure à celle de la tension de fonctionnement. [0038] Les figures 3a et 3b présentent une batterie comprenant six branches 2, formant deux groupes 20 constitués chacun de trois branches 2 reliées entre elles en permanence 15 en parallèle. [0039] Un commutateur positif 4 à deux voies est disposé entre les pôles positifs des deux groupes 20. Un commutateur négatif 8 à trois voies est disposé entre les pôles négatifs des deux groupes 20, la troisième voie étant constituée par une liaison série 12 reliée au pôle positif du deuxième groupe. 20 [0040] Dans la position de fonctionnement présentée figure 3a, les commutateurs 4, 8 sont disposés pour relier en parallèle les deux groupes 20, les pôles positifs de ces groupes étant reliés entre eux, les pôles négatifs étant aussi reliés entre eux. On obtient une liaison en parallèle de toutes les branches 2. En fonctionnement la tension de la batterie est égale à la tension d'une seule branche 2, et l'intensité délivrée égale à la 25 somme des intensités délivrées par chaque branche. [0041] Dans la position de charge présentée figure 3b, le commutateur positif 4 est ouvert, le commutateur négatif 8 manoeuvré pour relier le pôle négatif du premier groupe 20 au pôle positif du deuxième groupe en passant par la liaison série 12 disposée entre ces deux groupes. 30 [0042] On obtient avec les deux groupes 20 disposés en série, une tension de charge de la batterie égale à deux fois la tension d'une branche 2. On utilise un chargeur de batterie 7 délivrant une tension de charge deux fois supérieure à celle de la tension de fonctionnement. [0043] Les figures 4a et 4b présentent une batterie comprenant six branches 2, formant trois groupes 30 constitués chacun de deux branches 2 reliées entre elles en permanence 5 en parallèle. [0044] Deux commutateurs positifs 4 à deux voies sont disposés chacun entre les pôles positifs de deux groupes 30 adjacents. Deux commutateurs négatifs 8 à trois voies sont disposés chacun entre les pôles négatifs de deux groupes 30 adjacents, la troisième voie étant constituée par une liaison série 12 reliée au pôle positif du groupe suivant. 10 [0045] Dans la position de fonctionnement présentée figure 4a, les commutateurs 4, 8 sont disposés pour relier en parallèle les trois groupes 30, les pôles positifs de ces groupes étant reliés entre eux, les pôles négatifs étant aussi reliés entre eux. On obtient une liaison en parallèle de toutes les branches 2. En fonctionnement la tension de la batterie est égale à la tension d'une seule branche 2, et l'intensité délivrée égale à la 15 somme des intensités délivrées par chaque branche. [0046] Dans la position de charge présentée figure 4b, les deux commutateurs positifs 4 sont ouverts. Les deux commutateurs négatifs 8 sont manoeuvrés pour relier pour chacun le pôle négatif d'un groupe précédent 30 au pôle positif du groupe suivant, en passant par la liaison série 12 disposée entre ces deux groupes. 20 [0047] On obtient avec les trois groupes 30 disposés en série, une tension de charge de la batterie égale à trois fois la tension d'une branche 2. On utilise un chargeur de batterie délivrant une tension de charge trois fois supérieure à celle de la tension de fonctionnement. [0048] Les figures 5a, 5b, Sc et 5d présentent une batterie comprenant six branches 2. 25 [0049] Un commutateur positif 4 à deux voies est disposé entre les pôles positifs de chaque couple de deux branches adjacentes 2. Un commutateur négatif 8 à trois voies est disposé entre les pôles négatifs de chaque couple de deux branches adjacentes 2, la troisième voie étant constituée par une liaison série 12 reliée au pôle positif de la branche suivante de ce couple. 8 [0050] Dans la position de fonctionnement présentée figure 5a, les commutateurs 4, 8 sont disposés pour relier en parallèle toutes les branches 2, leurs pôles positifs étant reliés entre eux, leurs pôles négatifs étant aussi reliés entre eux. [0051] En fonctionnement la tension de la batterie est égale à la tension d'une seule 5 branche 2, et l'intensité délivrée égale à la somme des intensités délivrées par chaque branche. [0052] Dans la position de charge présentée figure 5b, tous les commutateurs positifs 4 sont ouverts. Tous les commutateurs négatifs 8 sont manoeuvrés pour relier pour chaque couple de deux branches 2 adjacentes, le pôle négatif de la première branche au pôle 10 positif de la branche suivante en passant par la liaison série 12 disposée entre ces deux branches. [0053] On obtient avec les six branches 2 disposées en série, une tension de charge de la batterie égale à six fois la tension d'une branche. On utilise un chargeur de batterie délivrant une tension de charge six fois supérieure à celle de la tension de fonctionnement. 15 [0054] Dans la position de charge présentée figure 5c, on forme deux groupes 20 de trois branches 2 chacun disposées en parallèle. Seul le commutateur positif 4 du milieu, entre la troisième et la quatrième branche 2, est ouvert. Seul le commutateur négatif 8 du milieu est manoeuvré pour relier le pôle négatif du premier groupe 20 au pôle positif du deuxième groupe en passant par la liaison série 12 disposée entre ces deux groupes. 20 [0055] On forme ainsi deux groupes 20 disposés en série, comprenant chacun trois branches 2 disposées en parallèle, correspondant à la disposition présentée figure 3b. On obtient avec les deux groupes 20 disposés en série, une tension de charge de la batterie égale à deux fois la tension d'une branche 2. [0056] Dans la position de charge présentée figure 5d, on forme trois groupes 30 de 25 deux branches 2 chacun disposées en parallèle. Les deux commutateurs positifs 4 entre chaque couple de groupes 30 adjacents sont ouverts. Les deux commutateurs négatifs 8 entre chaque couple de groupes 30 adjacents sont manoeuvrés pour relier le pôle négatif du premier groupe au pôle positif du deuxième groupe en passant par la liaison série 12 disposée entre ces deux groupes. 30 [0057] On forme ainsi trois groupes 30 disposés en série, comprenant chacun deux branches 2 disposées en parallèle, correspondant à la disposition présentée figure 4b. On 9 obtient avec les trois groupes 30 disposés en série, une tension de charge de la batterie égale à trois fois la tension d'une branche 2. [0058] On notera qu'avec la batterie présentée figure 5a, comprenant une tension de fonctionnement égale à celle d'une branche 2, on réalise avec un simple pilotage des 5 commutateurs 4, 8 trois tensions de charge différentes correspondant à deux fois, trois fois ou six fois la tension d'une branche. Ce système est très flexible. [0059] D'une manière générale on peut disposer un nombre varié de branches 2 formant un seul groupe ou plusieurs groupes, pour réaliser une batterie présentant une tension de fonctionnement, et suivant les dispositions des commutateurs 4, 8, obtenir une ou 10 plusieurs tensions de charge supérieures à la tension de fonctionnement. [0060] En particulier, pour une batterie comprenant N branches on peut décomposer ce nombre N en facteurs premiers, et réaliser une tension égale à l'un de ces nombres premiers multiplié par la tension d'une branche, en mettant en série un nombre de groupes égal à ce facteur premier. 15 [0061] Par exemple deux, trois ou cinq étant des nombres premiers, on peut réaliser seulement une tension respectivement deux, trois ou cinq fois supérieure. Pour une batterie à quatre branches on peut réaliser une tension deux ou quatre fois supérieure. Pour une batterie à six branches on peut réaliser une tension deux, trois ou six fois supérieure. 20 [0062] On peut aussi en variante réaliser des tensions de charge inférieures à la tension de fonctionnement, en disposant des commutateurs qui réduisent le nombre de branches disposées en série dans un même groupe, ou de groupes disposés en série, pour les mettre en parallèle. [0063] Le système de gestion des branches selon l'invention convient pour un véhicule 25 hybride ou électrique, en lui permettant de s'adapter REVENDICATIONS1. Batterie pour un véhicule hybride ou électrique comprenant des branches (2) reliées entre elles par des liaisons, contenant des modules équipés de cellules électrochimiques de stockage d'énergie, caractérisée en ce qu'elle comporte des commutateurs pilotés (4 ; 8), comprenant des contacts qui dans une position de fonctionnement relient les branches (2) entre elles suivant une disposition donnant une tension de fonctionnement, et dans une position de charge relient les branches (2) entre elles suivant une disposition donnant une tension de charge différente de la tension de fonctionnement. 2. Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des commutateurs positifs (4) comprenant deux voies de raccordement reliées aux pôles positifs (+) des branches (2), la commutation pouvant être ouverte ou fermée entre ces deux voies. 3. Batterie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des commutateurs négatifs (8) comprenant trois voies de raccordement, une première voie étant toujours reliée à des pôles négatifs (-) de branches (2), la commutation de ces commutateurs (8) pouvant relier cette première voie alternativement à des pôles négatifs (-) ou à des pôles positifs (+) d'autres branches (2). 4. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de pilotage commun pour tous les commutateurs (4 ; 8). 5. Batterie selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de mesure de la tension de charge appliquée par un chargeur sur cette batterie, qui modifie automatiquement l'état des commutateurs (4 ; 8) en fonction de cette mesure. 6. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les commutateurs (4 ; 8) comportent un système de commutation électromécanique ou électronique. 7. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans la position de fonctionnement, les pôles positifs (+) de toutes les branches (2) sont reliés entre eux. 8. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans la position de charge, elle comporte des groupes de branches (20, 30) reliés entre eux en série, formant chacun un ensemble de branches (2) reliées en parallèle. 11 9. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs positions de charge avec des dispositions des commutateurs (4; 8) variées, adaptées chacune à une tension différente délivrée par un chargeur de batterie. 5 10. Véhicule automobile électrique ou hybride équipé d'une batterie alimentant une machine électrique de traction, caractérisé en ce que cette batterie est selon l'une quelconque des revendications précédentes.