Brevet FR3089465A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Système de batterie mettant en oeuvre un procédé de détection d'impacts par mesure sonore [0001] La présente invention concerne un système de surveillance une batterie, et un véhicule comprenant un système (le surveillance pour une batterie. [0002] Les véhicules automobiles ayant un moteur thermique comportent généralement une ou des batteries reliées au réseau (le bord, appelées aussi batteries de servitude, pour alimenter les équipements (le ces véhicules, notamment un démarreur d'un moteur thermique. D'autres véhicules, s'ils sont à propulsion électrique ou hybride, comportent une ou des batteries de traction (ou propulsion) reliées à un réseau de puissance pour alimenter les moteurs électriques de traction (ou de propulsion). [0003] On comprendra donc par batterie, dans tout le texte de cc document, un ensemble comprenant au moins un module de batterie contenant au moins une cellule électrochimique, la batterie de servitude étant considérée équivalente à au moins un module. [0004] Par ailleurs, on comprendra par cellule électrochimique dans tout le texte de cc document, des cellules générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni-Cd ou encore plomb. [0005] La capacité et la puissance de ces batteries sont en constante augmentation, notamment grâce à la technologie lithium-ion « Li-ion ». Cependant, ce type dc batteries pose des problèmes liés à la température de fonctionnement. [0006] En effet, les batteries au lithium-ion ont des performances limitées avec des tem- pératures négatives, et les températures élevées les dégradent rapidement. [0007] Il est connu alors d'entourer la au moins une batterie (ou module) par un carter hermétique, ce carter hermétique comportant des moyens de refroidissement ou de réchauffement de la batterie (ou module). Lorsqu'il y a plusieurs batteries (ou modifies), elles sont regroupées dans ce carter hermétique et forment alors un bloc batterie, ce bloc batterie étant souvent désigné par l'expression anglaise « pack batteries », ce carter contenant généralement des bornes dc raccordement. [0008] Or, une dégradation de l'un des éléments de ce bloc batterie, peut engendrer un incendie des batteries, notamment en cas d'accident du véhicule. [0009] Ainsi ce carter hermétique est renforcé, de façon à former une coque de protection contre les chocs et à maintenir les éléments du bloc batterie entre-deux pour éviter tout court-circuit. Mais alors ce carter devient lourd, encombrant, et complexe à réaliser. [0010] Il est connu du document de brevet EP-A1-2 802 492 une unité de gestion de batterie configurée pour surveiller une tension ou un courant ou une température de la batterie, l'apparition d'un signal de déclenchement d'airbag, qui, pris seuls ou en combinaison, 2 donnent une information sur la survenue ou non d'un accident du véhicule. En cas de détection de cet accident, l'unité de gestion décharge la batterie ou l'isole d'un circuit électrique. [0011] Cette solution permet d'éviter un incendie grave de la batterie, niais seulement en cas d'accident. En effet, soit c'est l'accident du véhicule même qui est détecté (accéléromètres du véhicule), soit ce sont les conséquences de cet accident (tension, courant, température de la batterie). [0012] Malheureusement, ce bloc batterie est en général placé en dessous d'un plancher du véhicule, et est vulnérable non seulement en cas d'accident, mais aussi en cas d'impacts d'objets projetés par les roues en cours de roulage, ou en cas d'impact d'obstacles présents sur la chaussée en cours de roulage, ou encore en cas d'impact dû à une manoeuvre de franchissement malheureuse, ou une manipulation en service après-vente non autorisée (par exemple, un cric placé sous le bloc batterie...). Toutes ces situations de vie, non exhaustives, vont provoquer une déformation permanente ou non du bloc batterie, et en particulier du carter hermétique qui peut alors entrer en collision avec des éléments sensibles du bloc batterie notamment les batteries (modules), les bus-barres, les moyens de refroidissement ou de réchauffement de la batterie (ou module). Toutes ces situations de vie peuvent être à l'origine d'un départ d'incendie immédiat ou différé, nécessitant à minima une vérification en service après-vente. [0013] Or, aucune de ces situations de vie ne sera détectée par cette unité de gestion de batterie. [0014] Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient, notamment en permettant de détecter la plupart des impacts sur le bloc batterie dès leur survenue. [0015] A cet effet, l'invention a pour objet un système de batterie comprenant un carter hermétique, une batterie, et un support de capteur, ce carter hermétique formant un espace interne contenant une paroi du carter hermétique, la batterie, et le support, le système de batterie comprenant un capteur vibroacoustique fixé sur le support et ayant un élément sensible aux bruits disposé dans l'espace interne. [0016] Ainsi cette partie sensible est exposée aux bruits parcourant ou en provenance de l'espace interne, en l'espèce le bruit d'un choc transmis à travers la paroi du carter hermétique. Ce capteur permet alors de détecter instantanément le choc, avant le premier signe de départ d'incendie comme par exemple une élévation de la température ou une évolution des caractéristiques électriques de la batterie, qu'il y ait eu accident ou pas et donc, en toutes circonstances. [0017] On notera que, lorsque l'élément sensible est directionnel, c'est-à-dire ayant un axe orienté avec pour origine l'élément sensible et selon lequel le capteur est le plus sensible, il est avantageusement orienté vers l'espace interne, et plus précisément vers 3 une zone de l'espace interne la plus sensible aux chocs risquant de provoquer un départ d'incendie. [0018] On notera également que l'espace interne, tel que défini, comprend le carter hermétique : ainsi, l'épaisseur d'une paroi du carter hermétique est comprise dans l'espace interne. [0019] On comprendra par carter hermétique, dans tout le texte de cc document, un carter fermé étanche à l'air, c'est-à-dire que l'air extérieur au carter ne peut pas traverser le carter autrement que par d'éventuelles conduites d'entrée ou de sortie d'air prévues pour une ventilation dirigée de la batterie. [0020] En outre, on comprendra par bruits, dans tout le texte de ce document, l'ensemble des bruits regroupant les bruits aériens, c'est-à-dire les bruits émis par une source n'ayant pas de contact avec la structure solide à écouter, et les bruits solidiens, qui ont pour origine une mise en vibration de la structure solide à écouter. Ainsi dans l'hypothèse de bruits solidicns, c'est un solide qui constitue le milieu de propagation du bruit alors que dans l'hypothèse d'un bruit aérien, c'est un fluide (par exemple l'air de l'espace interne) qui constitue le milieu de propagation du bruit. [0021] Un autre avantage de cette solution, est qu'un seul capteur est nécessaire, peu en- combrant, et qu'il n'est pas non plus nécessaire qu'il soit au plus près de la source de bruits, c'est-à-dire du choc : ce capteur peut être implanté là où il y a déjà de la place, sans reconcevoir l'architecture du carter hermétique spécifiquement pour ce capteur. [0022] Selon un mode de réalisation de l'invention, le capteur vibroacoustique est un mi- crophone sensible aux bruits aériens. [0023] Ainsi, par mesure directe du bruit aérien ou par mesure indirecte par réverbération du bruit aérien sur une surface interne du carter hermétique ou sur la batterie, un seul capteur est apte à écouter l'ensemble de l'espace interne. [0024] Cependant, on notera que, pour une localisation de la source du bruit, il est avantageux qu'il y ait plusieurs capteurs dans des zones distales de l'espace interne. [0025] Selon un mode de réalisation de l'invention, le capteur vibroacoustique est fixé au support par l'intermédiaire d'une pièce en élastomère. [0026] Ainsi cette pièce en élastomère atténue au maximum les perturbations vibratoires produites par la réponse en fréquence du support. [0027] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément sensible est affleurant au support. [0028] Ainsi, cet affleurement permet de ne pas perturber l'écoute des bruits aériens par la réverbération de ces bruits sur le support. [0029] Selon une variante de réalisation de l'invention, le capteur vibroacoustique est un ac- céléromètre sensible aux bruits solidiens transmis à l'élément sensible par contact solide avec le support. [0030] En effet, les bruits solidicns se propagent plus rapidement que les bruits aériens, et avec moins d'atténuation ou distorsion. La détection de bruits solidiens est donc plus rapide et plus sensible. [0031] En outre, les chocs sont préférentiellement exercés sur le carter hermétique. La source du bruit étant alors un bruit solidien du carter hermétique, il est avantageux, pour des raisons de sensibilité de détection, que le capteur soit un accéléromètre sensible aux bruits solidiens, le support étant par exemple la paroi du carter hermétique. [0032] Selon un mode de réalisation de l'invention, ce système de batterie comprend une unité électronique de contrôle de la batterie et une unité d'avertissement reliées entre-elles, l'unité de contrôle est configurée pour transformer le signal émis par le capteur vibroacoustique en une valeur représentative d'une puissance, et en cas de franchissement d'un seuil de puissance, envoie un signal électrique à l'unité d'avertissement qui transcrit ce signal en un message suggérant de faire vérifier l'intégrité du système de batterie par un service après-vente. [0033] L'invention permet ainsi de traiter le signal émis par le capteur, de sorte que seuls les chocs dangereux et risquant des départs d'incendie puissent provoquer le message d'avertissement vers, par exemple, un conducteur d'un véhicule comprenant ce système de batterie. [0034] Selon un mode de réalisation de l'invention, cette valeur représentative est une densité spectrale de puissance. [0035] Ce traitement du signal est connu en tant que tel. Mais son application à l'invention est particulièrement avantageuse car elle permet de discriminer à la fois le type de choc (fréquence du signal) et la puissance du choc selon le type de choc. Un seuil en puissance peut être attribué pour différents types de chocs ou plages de fréquences, permettant une sélection précise des messages envoyés ou pas vers le conducteur. Cela permet en particulier d'éviter d'envoyer des messages d'avertissement alors que le risque de départ d'incendie est nul. [0036] La fenêtre temporelle pour le calcul de la densité spectrale de puissance est par exemple une fenêtre glissante de 2 secondes. [0037] Selon un mode de réalisation de l'invention, le support est un élément parmi la paroi du carter hermétique, la batterie, un élément de refroidissement ou le boîtier d'unité électronique ou un bus barre compris dans l'espace interne, ou tout autre élément coprin dans l'espace interne. [0038] L'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un plancher, le carter hermétique et la batterie, ce carter hermétique formant l'espace interne contenant la batterie, ce véhicule comprenant un système de batterie tel que précédemment décrit, le carter hermétique étant disposé sous le plancher et présentant un fond, l'élément sensible du le capteur vibroacoustique étant disposé dans un espace interne limité comprenant le fond, la batterie, et l'espace entre le fond et la batterie. [0039] Selon un mode de réalisation de l'invention, le capteur vibroacoustique comprend un corps maintenant l'élément sensible aux bruits, ce corps étant entouré par le support et protégé de tous chocs détectables par le capteur vibroacoustique. [0040] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de l'exemple de réalisation non limitatif qui va suivre, faite en référence à la figure 1 annexée, qui représente : [0041] [fig.1] figure unique représentant un schéma d'un système de batterie selon l'invention. [0042] La figure 1 est un schéma d'un système de batterie selon l'invention. Ce système de batterie comprend un carter hermétique 1, une batterie 2, et un support 5 de capteur, ce carter hermétique 1 formant un espace interne 3 contenant une paroi du carter hermétique 1, la batterie 2, et le support 5. Cc système de batterie comprend en outre un capteur vibroacoustique 6,7 fixé sur le support 5 et ayant un élément sensible aux bruits disposé dans l'espace interne 3. La batterie 2 est aussi nommée module 2 selon la définition précédente. Ainsi l'espace interne 3 est délimité par une surface externe 4 de la paroi du carter 1, cet espace interne 3 comprenant la paroi du carter 1. [0043] On notera que sur cette figure 1, l'exemple de réalisation schématisé montre que le support 5 est la paroi du carter 1. Par exemple, le capteur vibroacoustique 6,7 comprend un corps maintenant l'élément sensible aux bruits, et ce corps est entouré par la paroi du carter 1, par exemple surmoulé par le carter 1 ou inséré dans un logement du carter 1 recevant le corps du capteur vibroacoustique 6, 7, le protégeant ainsi de tous chocs détectables par le capteur vibroacoustique 6,7. [0044] En variantes, non illustrées, le support 5 est un élément parmi une la batterie 2, un élément de refroidissement 16 ou un boîtier d'unité électronique ou un bus barre compris dans l'espace interne 3, ou tout simplement un support spécifique au capteur qui est rapporté et fixé sur l'un des éléments de l'espace interne 3. [0045] 11 est représenté six modules 2 identiques dans l'espace interne 3 qui, avec le carter hermétique 1 forment un bloc batterie, encore nommé pack batterie. Ces modules 2 peuvent être en nombre différent, et ne pas tous être identiques. En outre, l'invention s'applique aussi bien à une simple batterie 2 de servitude, c'est-à-dire n'ayant qu'un seul module de batterie 2. [0046] Le carter hermétique 1 comprend par exemple un bac recevant les modules 2, et un couvercle qui, une fois assemblé sur le bac, ferme l'espace interne 3. Le carter hermétique 1 est par exemple en matériaux plastique, renforcé ou non, et en variante en matière métallique à base d'acier ou d'aluminium. Ce carter hermétique 1 comprend optionnellement des renforts pour apporter une rigidité supplémentaire à la structure 6 d'un véhicule sur laquelle il sera assemblé. [0047] Le capteur vibroacoustique 6,7 est par exemple un microphone 6 sensible aux bruits aériens, fixé sur le support 5 par l'intermédiaire d'une pièce en élastomère. Si l'on reprend l'exemple du corps du capteur vihroacoustique 6,7 inséré dans le logement du carter 1, ce corps est par exemple cylindrique et la pièce en élastomère est un tube entourant le corps du capteur vibroacoustique 6,7. Cet élément sensible est par exemple affleurant au support 5, mais pas nécessairement. [0048] Un exemple de microphone 6 est un microphone 6 miniature du type à capteur de pression. Un tel microphone possède par exemple un diamètre inférieur ou égale à 4mm et/ou une longueur inférieure ou égale à 9mm. La taille de ce microphone lui permet d'être logé facilement dans l'espace interne 3. Le microphone 6 peut correspondre à un standard de micro couramment désigné sous l'appellation de « microcravate » disponible dans le commerce, limitant ainsi le coût de réalisation du système. En effet, le microphone 6 étant protégé par le carter hermétique 1, il n'y a pas de contraintes spécifiques à appliquer sur ce microphone 6. Par rapport à la nature du bruit à écouter, on préférera privilégier sa réponse en fréquence, en particulier dans les basses fréquences entre 1 et 50 hertz, et sa sensibilité (par exemple 8 mV/Pa) par rapport à son taux de distorsion. Par ailleurs la directivité du microphone 6 peut être choisie pour cibler une zone sensible aux chocs du carter 1. [0049] Selon une variante de réalisation, le capteur vihroacoustique 6,7 est un accéléromètre sensible aux bruits solidiens transmis à l'élément sensible par contact solide avec le support 5, ici la paroi du carter 1. [0050] Un exemple d'accéléromètre, connu en tant que tel, est un capteur dont le corps est fixé sur le support 5, et l'élément sensible est un transducteur à élément piézoélectrique précontraint entre ce corps et une masse sismique. [0051] Ce système comprend en outre une unité électronique de contrôle 8 de la batterie 2 ainsi qu'une unité d'avertissement 9 électriquement reliée à l'unité de contrôle 8 par une première liaison électrique 10 de communication, par exemple une liaison réseau ou bus de communication multiplexée type CAN (pour l'acronyme anglais Controller Area Network) ou LIN (pour l'acronyme anglais Local Interconnect Network), FlexRay (norme ISO 17458), Ethernet (ISO/IEC 8802-3) .... [0052] L'unité de contrôle 8 assure, entre autre, la réception, l'écoute et le traitement du signal d'entrée acoustique du capteur vibroacoustique 6, 7. L'unité de contrôle 8 est en outre configurée pour transformer le signal émis par le capteur vibroacoustique 6,7 en une valeur représentative d'une puissance, en l'espèce une puissance sonore, et en cas de franchissement d'un seuil de puissance, envoie un signal électrique à l'unité d'avertissement 9 qui transcrit ce signal en un message ou signal 14 suggérant de faire vérifier l'intégrité du système de batterie par un service après-vente, (nommé SAV 7 dans la suite de ce document). [0053] Le capteur vibroacoustique 6, 7 est associée à l'unité de contrôle 8, unité de contrôle 8 comprenant un système de mesure apte à interpréter le signal généré par le capteur vibroacoustique 6,7. L'unité de contrôle 8 est configurée pour surveiller et enregistrer le signal électrique du capteur, par une mesure continue de ce signal via une seconde liaison électrique filaire 11 reliant le capteur vibroacoustique 6, 7 à l'unité de contrôle 8. Le système de mesure est configure pour convertir ce signal en une valeur de puissance sonore. Tout type de système de mesure peut être utilisé. [0054] En particulier, l'unité de contrôle 8 transforme le signal mesuré en une densité spectrale de puissance. [0055] En fonction du seuil franchi, le contenu ou la forme du message pourra être différent. Le message 14 peut être un simple voyant lumineux d'avertissement comme symbolisé par le triangle de la figure 1, un avertissement sonore, ou un texte affiché sur un écran de l'unité d'avertissement 9 expliquant l'origine du problème détecté. Un exemple courant d'unité d'avertissement 9 est un tableau de bord de véhicule automobile. [0056] Le contenu du message 14 est lui adapté par l'unité d'avertissement 9 en fonction de l'information envoyée par l'unité de contrôle 8, cette information dépendant du seuil franchit. [0057] Par exemple, une liste de messages 14 en partant d'un niveau de densité spectrale de puissance faible à important pourrait être : [0058] 1 - pas de message, mais information enregistrée dans un OBD (pour l'acronyme anglais On-Board Diagnostic) du véhicule pour la maintenance lors d'une révision. [0059] 2 - « veillez-vous rendre dans un SAV pour vérification de la batterie » [0060] 3 - « rendez-vous dès que possible dans un SAV pour vérification de la batterie » [0061] 4 - « défaut critique sur la batterie, veuillez immobiliser le véhicule ». [0062] Cette liste ci-dessus illustre donc plusieurs seuils de puissance, ici quatre seuils. [0063] Mais la densité spectrale de puissance donne un niveau de puissance pour chaque plage de fréquences détectée. Par exemple, deux plages , dont la première plage correspond à des basses fréquences entre 1 et 50 Hertz, associée à une première puissance et à un premier seuil (ou première série de seuils), et une deuxième plage correspondant à des fréquences élevées entre 1000 Hertz et 3000 Hertz, associée à une deuxième puissance supérieure à la première puissance et un deuxième seuil (ou une deuxième série de seuils) : la première plage correspond à des fréquences de type choc mécanique, la deuxième à des fréquences type aérauliques ou proches de celles qui ont pour origine le régime de rotation d'un moteur (par exemple thermique) ou de ses harmoniques. Les fréquences de la deuxième plage n'engendrent un risque de départ d'incendie de la batterie 2 que si la deuxième puissance est bien plus élevée que la première puissance. Ainsi, pour un même message 14, le deuxième seuil sera plus 8 élevé que le premier seuil, pouvant aller dans certains cas à cc que l'unité de contrôle 8 ignore complétement certaines plages de fréquences. [0064] L'unité de contrôle 8 est ici représentée à l'extérieur du carter hermétique 1, pour une raison d'accès en SAV, mais il n'y a pas d'empêchement technique pour que l'unité de contrôle 8 soit intégrée dans l'espace interne 3 et puisse servir de support 5, ou déportée du carter hermétique 1, par exemple logée dans l'unité d'avertissement 9 ou dans un calculateur d'un véhicule. [0065] La figure 1 illustre en outre un véhicule automobile comprenant un plancher 12 symbolisé juste par un trait, le carter hermétique 1, la batterie 2, et le support 5 de capteur, cc carter hermétique 1 formant l'espace interne 3 contenant la paroi du carter hermétique 1, le support 5, et la batterie 2. Ce véhicule comprend un système de batterie tel que précédemment décrit, le carter hermétique 1 étant disposé sous le plancher 12 et présentant un fond 13, l'élément sensible du le capteur vibroacoustique 6,7 étant disposé dans un espace interne 3 limité comprenant le fond 13, la batterie 2, et l'espace entre le fond 13 et la batterie 2. [0066] On comprendra par-dessus ou dessous, dans tout le texte de ce document, une position relative par rapport à la verticale. [0067] Cc véhicule comprend également un carénage de protection 15 sous le carter hermétique 1, de sorte qu'un espace subsiste entre cc carénage 15 et le carter hermétique 1. Un tel carénage 15, est généralement fait en matière plastique et offre une très faible résistance aux impacts de la route. [0068] La figure 1 divulgue également un système de refroidissement 16 de la batterie 2. Ce système de refroidissement 16 est symbolisé par un trait en pointillés fins, dont la flèche à l'une des extrémités symbolise le sens de circulation d'un fluide caloporteur. Ce système de refroidissement comprend donc une conduite d'entrée dans le carter hermétique 1 et une conduite de sortie du carter hermétique 1, ces conduites véhiculant par exemple de l'air ou de l'eau glycolée. Ce système de refroidissement 16, est également un élément sensible aux impacts au même titre que la batterie 2. En effet, si ce système devenait défaillant, suite à un impact créant une rupture des conduites ou un écrasement des conduites, la température de la batterie ne serait plus contrôlée et un départ d'incendie serait possible, par réaction chimique des cellules de la batterie 2. En outre, ce système de refroidissement est généralement situé sous la batterie 2 et au-dessus du fond 13, c'est-à-dire précisément à proximité des impacts et des déformations possibles du carter hermétique 1. [0069] Ce carter hermétique 1 est donc situé entre le plancher 12 et le carénage 15, et reste vulnérable aux impacts précédemment décrits. [0070] Le système de batterie comprend un ou plusieurs capteurs vibroacoustiques 6, 7, mais dans une configuration avantageuse, le système de batterie comprend au moins un 9 microphone sensible aux bruits aériens 6, et au moins un accéléromètre sensible aux bruits 7. [0071] Ainsi la sensibilité et le spectre de l'écoute du système sont augmentées. [0072] L'invention porte également sur la mise en oeuvre, au sein du véhicule, d'un procédé destiné à contrôler l'unité d'avertissement 9. [0073] Cette mise en oeuvre peut se faire au moyen de l'unité de contrôle 8 qui peut, comme illustré non limitativement sur la figure 1, être installé sur le carter hermétique 1. Mais cela n'est pas obligatoire. En effet, il pourrait être intégré à un calculateur du véhicule, tout en étant couplé au capteur 6, 7 par la seconde liaison électrique filaire 11. Dans cc dernier cas, l'unité de contrôle 8 peut être elle-même agencée sous la forme d'un calculateur dédié comprenant un éventuel programme dédié, par exemple. Par conséquent, un dispositif tel que l'unité de contrôle 8, selon l'invention, peut être réalisé sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d'une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels. [0074] Ce procédé comprend une première étape d'acquisition du signal du capteur vihroa- coustique 6,7 en continue, une deuxième étape de traitement du signal par Transformée de Fourrier pour déterminer la densité spectrale de puissance, une troisième étape de comparaison de cette densité spectrale de puissance à un seuil prédéfini de puissance et une quatrième étape de vérification si ce seuil a été franchi ou non, et dans le cas où il a été franchi, une cinquième étape envoyant le signal d'un message d'alerte 14 à l'unité d'avertissement 9 tel que précédemment décrit. [0075] La fenêtre temporelle pour le calcul de la densité spectrale de puissance est par exemple une fenêtre glissante de 2 secondes. [0076] Ainsi, contrairement à l'art antérieur, l'invention permet de détecter tous les types d'impact sur le carter hermétique 1, avec une grande sensibilité et une grande précision, évitant d'envoyer à un conducteur des messages inutiles et anxiogènes. 10