Brevet FR3149430A1 — publié le 20241206

Une batterie (BC) comprend M modules (MC) comportant chacun au moins une cellule (CE) de stockage d’énergie électrique, montés en série avec un dispositif de commutation (DC) ayant des états ouvert et fermé, et couplés à des dispositifs d’analyse (DA) déterminant des valeurs en cours de grandeurs représentatives des cellules (CE) et communicant entre eux via une ligne de communication (LC) comportant des condensateurs d’isolation dont certains sont couplés à des bornes du dispositif de commutation (DC). Cette batterie (BC) comprend aussi un élément résistif (ER) monté en parallèle avec le dispositif de commutation (DC) afin de minimiser la tension, vue par les condensateurs d’isolation couplés aux bornes du dispositif de commutation (DC), pour éviter l’interruption de communication sur la ligne de communication (LC) lorsque le dispositif de commutation (DC) est dans son état ouvert. Figure 1 BATTERIE CELLULAIRE À DISPOSITIF(S) DE COMMUTATION NON PERTURBANT(S), POUR UN ENSEMBLE DE BATTERIE D’UN SYSTÈME Domaine technique de l’invention L’invention concerne les batteries cellulaires comprenant au moins un dispositif de commutation anti-emballement thermique et destinées à faire partie d’un ensemble de batterie d’un système. Etat de la technique Dans de nombreux systèmes, comme par exemple des véhicules (éventuellement de type automobile), on utilise des batteries cellulaires qui font partie de modules (cellulaires) montés en série. On entend ici par « batterie cellulaire » une batterie comprenant M modules comportant chacun au moins une cellule de stockage d’énergie électrique, et montés en série avec au moins un dispositif de commutation (à états ouvert et fermé), avec M ≥ 2. Par exemple, dans un véhicule la batterie cellulaire est généralement couplée à au moins une machine motrice électrique d’un groupe motopropulseur (ou GMP) afin de l’alimenter en courant pour qu’elle produise un couple moteur, et éventuellement d’être alimentée en courant de recharge par cette machine motrice électrique. On notera que dans un tel exemple, la batterie cellulaire constitue une batterie principale (ou de traction). On notera également que dans une telle batterie cellulaire les cellules de stockage d’énergie électrique peuvent être éventuellement électrochimiques (par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion) ou Ni-Mh ou Ni-Cd). Parfois, une batterie cellulaire fait partie d’un ensemble (ou « pack ») de batterie qui comprend aussi un boîtier de batterie comportant des dispositifs d’analyse propres à déterminer des valeurs en cours de grandeurs représentatives des cellules et communicant entre eux via une ligne de communication comportant des condensateurs d’isolation, et un calculateur de batterie couplé à cette ligne de communication pour recevoir les valeurs en cours déterminées et chargé de contrôler le fonctionnement de cette batterie cellulaire en fonction de ces valeurs reçues. Le (chaque) dispositif de commutation d’une batterie cellulaire étant monté en série entre deux modules cellulaires, il permet d’au moins retarder l’emballement thermique de sa batterie cellulaire lorsqu’il est placé dans son état ouvert par le calculateur de batterie. Cela est particulièrement utile pour la sécurité du véhicule et de ses passagers et de l’environnement de ce véhicule. Cependant, en raison de son montage en série entre deux modules cellulaires, un dispositif de commutation se retrouve couplé à certains des condensateurs d’isolation de la ligne de communication qui alimente le calculateur de batterie en valeurs en cours déterminées. De ce fait, lorsqu’un dispositif de commutation est placé dans son état ouvert, cela provoque un chargement des condensateurs d’isolation qui sont couplés à ses bornes, ce qui leur fait perdre une partie importante de leur effet capacitaire. En conséquence, la communication entre les deux dispositifs d’analyse qui sont couplés via ces condensateurs d’isolation chargés est impactée et le dispositif d’analyse « receveur » considère qu’il y a une interruption de communication sur la ligne de communication. On comprendra qu’une telle interruption empêche le calculateur de batterie, au démarrage de son système (par exemple un véhicule), d’initialiser la communication avec les dispositifs d’analyse, pour recevoir les valeurs en cours de grandeurs représentatives des cellules. En l’absence de cette réception, le calculateur de batterie n’est pas en mesure de déterminer s’il est possible de placer chaque dispositif d’analyse dans son état fermé, et donc il génère un message d’alerte signalant une panne, et empêche l’utilisation de la batterie cellulaire (ce qui empêche tout déplacement du véhicule lorsque son GMP est tout électrique). L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation. Présentation de l’invention Elle propose notamment à cet effet une batterie, destinée à faire partie d’un système, et comprenant M modules, d’une première part, comportant chacun au moins une cellule de stockage d’énergie électrique, d’une deuxième part, montés en série avec au moins un dispositif de commutation ayant des états ouvert et fermé, avec M ≥ 2, et, d’une troisième part, propres à être couplés à des dispositifs d’analyse propres à déterminer des valeurs en cours de grandeurs représentatives de ces cellules et communicant entre eux via une ligne de communication comportant des condensateurs d’isolation dont certains sont propres à être couplés à des bornes du (d’un) dispositif de commutation. Cette batterie se caractérise par le fait qu’elle comprend aussi au moins un élément résistif monté en parallèle avec le (un) dispositif de commutation afin de minimiser une tension, vue par les condensateurs d’isolation qui sont couplés aux bornes de ce dispositif de commutation, pour éviter une interruption de communication sur la ligne de communication lorsque ce dispositif de commutation est dans son état ouvert. Grâce à l’invention, le dispositif de commutation est désormais « non-perturbant » pour la ligne de communication lorsqu’il est placé dans son état ouvert, puisqu’il ne peut plus induire d’interruption de communication sur cette ligne de communication. La batterie selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - le (chaque) élément résistif peut avoir une première résistance qui est fonction d’une seconde résistance équivalente de la ligne de communication avec les dispositifs d’analyse ; - en présence de la première option, la première résistance peut être comprise entre 90% de la seconde résistance équivalente et 110% de la seconde résistance équivalente ; - en présence de la dernière sous-option, la première résistance peut être comprise entre 600 kΩ et 1 MΩ lorsque la seconde résistance équivalente est comprise entre 600 kΩ et 1 MΩ ; - le (chaque) élément résistif peut comprendre au moins une résistance ; - le (chaque) dispositif de commutation peut être un relais ; - les cellules peuvent être de type électrochimique. L’invention propose également un ensemble de batterie comprenant : - un boîtier de batterie comportant des dispositifs d’analyse propres à déterminer des valeurs en cours de grandeurs représentatives de cellules et communicant entre eux via une ligne de communication comportant des condensateurs d’isolation, - un calculateur de batterie couplé à cette ligne de communication pour recevoir les valeurs en cours déterminées, et - une batterie du type de celle présentée ci-avant et ayant ses modules couplés aux dispositifs d’analyse et chaque dispositif de commutation couplé à certains des condensateurs d’isolation. L’invention propose également un système comprenant au moins un ensemble de batterie du type de celui présenté ci-avant. Par exemple, ce système peut constituer un véhicule. Dans ce cas, le véhicule peut comprendre un groupe motopropulseur (ou GMP) comportant au moins une machine motrice électrique couplée à l’ensemble de batterie. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de réalisation d’un véhicule comprenant un exemple de réalisation d’un ensemble de batterie selon l’invention et une chaîne de transmission à GMP à machine motrice électrique couplée à cet ensemble de batterie, et illustre schématiquement et fonctionnellement un schéma électrique équivalent à l’ensemble de batterie de la . Description détaillée de l’invention L’invention a notamment pour but de proposer une batterie BC destinée à faire partie d’un ensemble de batterie EB, lui-même destiné à équiper un système S et comprenant aussi un boîtier de batterie BB, et n’induisant pas d’interruption de la ligne de communication LC du boîtier de batterie BB lorsque le (un) dispositif de commutation DC qu’elle comprend est dans son état ouvert. Dans ce qui suit, on considère, à titre d’exemple non limitatif, que le système S est un véhicule automobile, comme par exemple une voiture, comme illustré sur la . Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de système. Elle concerne en effet tout type de système comprenant au moins un ensemble de batterie à batterie cellulaire. Ainsi, elle concerne les véhicules (terrestres, maritimes (ou fluviaux), et aériens), les bâtiments, et les installations (éventuellement industrielles). Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que le véhicule S comprend une chaîne de transmission à groupe motopropulseur (ou GMP) de type tout électrique (et donc dont la motricité est assurée exclusivement par au moins une machine motrice électrique MME). Mais le GMP pourrait être de type hybride (thermique et électrique). On a schématiquement représenté sur la un système S (ici un véhicule) comprenant une chaîne de transmission à GMP électrique (et donc à machine motrice électrique MME), un calculateur de supervision CS, un réseau de bord RB, une batterie de servitude BS, un ensemble de batterie EB comportant une batterie cellulaire BC selon l’invention et un boîtier de batterie BB, et un système d’alimentation électrique. Le système d’alimentation électrique comprend un circuit électrique principal connecté à un connecteur d’alimentation CR et un chargeur CH comprenant un calculateur de chargeur CA ainsi qu’ici un convertisseur CV, ainsi qu’à la machine motrice électrique MME. Le réseau de bord RB est un réseau d’alimentation électrique auquel sont couplés des équipements (ou organes) électriques (ou électroniques) qui consomment de l’énergie électrique. La batterie de servitude BS est chargée de fournir de l’énergie électrique au réseau de bord RB, en complément de celle fournie par le convertisseur CV alimenté par la batterie cellulaire BC via le circuit électrique principal, et parfois à la place de ce convertisseur CV. Par exemple, cette batterie de servitude BS peut être agencée sous la forme d’une batterie de type très basse tension (typiquement 12 V, 24 V ou 48 V). Elle est rechargeable au moins par le convertisseur CV. On considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que la batterie de servitude BS est de type Lithium-ion 12 V. Le circuit électrique principal (ou « haute tension ») est plus précisément connecté, d’une part, à la batterie cellulaire BC via le boîtier de batterie BB, et, d’autre part, à des équipements électroniques, comme par exemple le convertisseur CV et la machine motrice électrique MME. Il permet aussi la recharge de la batterie cellulaire BC par une source d’alimentation externe et temporairement couplée au connecteur d’alimentation CR du véhicule S. Dans l’exemple illustré non limitativement sur la le circuit électrique principal permet de recharger la batterie cellulaire BC non seulement en courant continu (ou mode 4), mais aussi en courant alternatif (ou mode 2 ou 3), sous le contrôle des calculateur de chargeur CA (du chargeur CH) et calculateur de batterie CB (du boîtier de batterie BB). Mais dans des variantes de réalisation non illustrées, le circuit électrique principal pourrait ne permettre que les recharges en courant continu (ou mode 4) ou bien que les recharges en courant alternatif (ou mode 2 ou 3). La chaîne de transmission a un GMP qui est, ici, purement électrique et donc qui comprend, notamment, une machine motrice électrique MME, un arbre moteur AM, et un arbre de transmission AT. On entend ici par « machine motrice électrique » une machine électrique agencée de manière à fournir du couple pour déplacer le véhicule S lorsqu’elle est alimentée en énergie électrique, ainsi qu’éventuellement à récupérer du couple dans la chaîne de transmission. Le fonctionnement de la chaîne de transmission (et donc du GMP) est supervisé par un calculateur de supervision CS. La machine motrice électrique MME (ici un moteur électrique) est ici couplée à la batterie cellulaire BC via le circuit électrique principal et le boîtier de batterie BB, afin d’être alimentée en énergie électrique, ainsi qu’éventuellement d’alimenter cette batterie cellulaire BC en énergie électrique, par exemple lors d’une phase de freinage récupératif. Par ailleurs, cette machine motrice électrique MME est couplée à l’arbre moteur AM, pour lui fournir du couple par entraînement en rotation. Cet arbre moteur AM est ici couplé à un réducteur RD qui est aussi couplé à l’arbre de transmission AT, lui-même couplé à un premier train T1 (ici de roues), de préférence via un différentiel DV. Ce premier train T1 est ici situé dans la partie avant PVV du véhicule S. Mais dans une variante ce premier train T1 pourrait être celui qui est ici référencé T2 et qui est situé dans la partie arrière PRV du véhicule S. Le convertisseur CV peut aussi être chargé, pendant les phases de roulage du véhicule S, de convertir une partie du courant électrique stocké dans la batterie cellulaire BC pour alimenter en courant électrique converti le réseau de bord RB et la batterie de servitude BS (pour la recharger). On notera, comme illustré non limitativement sur la et comme indiqué plus haut, que le convertisseur CV peut faire partie du chargeur CH qui comprend aussi le calculateur de chargeur CA chargé, au moins, de contrôler les recharges de la batterie cellulaire BC. La batterie cellulaire BC alimentant ici la machine motrice électrique MME, elle constitue une batterie principale (ou de traction). Elle (BC) comprend M modules MC comportant chacun au moins une cellule CE de stockage d’énergie électrique, et montés en série avec au moins un dispositif de commutation DC ayant des états ouvert et fermé, avec M ≥ 2. Le (chaque) dispositif de commutation DC permet d’empêcher la circulation de courant dans sa batterie cellulaire BC lorsqu’il est placé dans son état ouvert par le calculateur de batterie CB. Dans ce cas, il (DC) permet d’au moins retarder l’emballement thermique de sa batterie cellulaire BC. On notera que dans l’exemple illustré non limitativement sur la la batterie cellulaire BC ne comprend qu’un dispositif de commutation DC monté en série entre deux modules cellulaires MC. Mais la batterie cellulaire BC pourrait comprendre plusieurs (au moins deux) dispositifs de commutation DC. Par exemple, le (chaque) dispositif de commutation DC peut être un relais (de préférence statique (et donc entièrement électronique)). Mais cela n’est pas obligatoire, l’important étant qu’il comprenne un état ouvert (ou non passant) et un état fermé (ou passant). On notera également que dans l’exemple illustré non limitativement sur la la batterie cellulaire BC comprend six (M = 6) modules cellulaires MC. Mais le nombre de modules cellulaires MC peut prendre n’importe quelle valeur supérieure ou égale à deux. On notera également que dans l’exemple illustré non limitativement sur la chaque module cellulaire MC comprend trois cellules CE (de stockage d’énergie électrique). Mais le nombre de cellules CE de chaque module cellulaire MC peut prendre n’importe quelle valeur supérieure ou égale à un. Par exemple, les cellules CE peuvent être de type électrochimique (par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion) ou Ni-Mh ou Ni-Cd). Egalement par exemple, la batterie cellulaire BC peut être de type basse tension (typiquement 450 V à titre illustratif). Mais elle pourrait être de type moyenne tension ou haute tension. Par ailleurs, le boîtier de batterie BB comprend aussi des dispositifs d’analyse DA qui sont propres à déterminer des valeurs en cours de grandeurs représentatives des cellules CE et qui communiquent entre eux via une ligne de communication LC comportant des condensateurs d’isolation (non représentés). Cette ligne de communication LC est couplée au calculateur de batterie CB afin qu’il puisse recevoir ces valeurs en cours déterminées et contrôler le fonctionnement de la batterie cellulaire BC en fonction de ces valeurs en cours déterminées et reçues. Par exemple, les grandeurs, dont les valeurs sont déterminées par un dispositif d’analyse DA, peuvent être des températures et des tensions cellulaires. On notera que dans l’exemple illustré non limitativement sur la chaque dispositif d’analyse DA est associé et couplé à deux modules cellulaires MC. Mais le nombre de modules cellulaires MC auxquels un dispositif d’analyse DA peut être couplé peut prendre n’importe quelle valeur supérieure ou égale à un. On notera également que certains des condensateurs d’isolation sont couplés aux bornes du (d’un) dispositif de commutation DC. C’est plus précisément le cas de ceux qui sont associés au module cellulaire MC couplé à l’une des bornes du (d’un) dispositif de commutation DC. On notera également que dans l’exemple illustré non limitativement sur la le véhicule S comprend aussi un boîtier de distribution BD auquel sont couplés la batterie de servitude BS, le convertisseur CV et le réseau de bord RB. Ce boîtier de distribution BD est chargé de distribuer dans le réseau de bord RB l’énergie électrique stockée dans la batterie de servitude BS ou produite par le convertisseur CV, pour l’alimentation des organes (ou équipements) électriques couplés au réseau de bord RB en fonction de demandes d’alimentation reçues (notamment du calculateur de supervision CS du GMP). Comme illustré sur la , la batterie cellulaire BC comprend aussi au moins un élément résistif ER qui est monté en parallèle avec le (un) dispositif de commutation DC afin de minimiser la tension vue par les condensateurs d’isolation qui sont couplés aux bornes de ce dispositif de commutation DC. Cette minimisation est destinée à éviter une interruption de communication sur la ligne de communication LC lorsque le dispositif de commutation DC est placé dans son état ouvert. On comprendra en effet, en observant le schéma électrique équivalent de l’ensemble de batterie EB illustré sur la , que l’installation d’un élément résistif ER en parallèle des bornes d’un dispositif de commutation DC revient à définir un pont diviseur qui minimise la tension vue par les condensateurs d’isolation concernés, et donc permet d’éviter que ces derniers se chargent lorsque le dispositif de commutation DC est placé dans son état ouvert. De ce fait, les bits d’information, qui sont communiqués via la ligne de communication LC par propagation d’un dispositif d’analyse DA au dispositif d’analyse DA suivant, soient à un niveau suffisamment élevé pour demeurer interprétables, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’interruption de communication sur la ligne de communication LC lorsque le dispositif de commutation DC est placé dans son état ouvert. En d’autres termes, le dispositif de commutation DC est désormais non-perturbant pour la ligne de communication LC lorsqu’il est placé dans son état ouvert. Dans le schéma électrique équivalent de l’ensemble de batterie EB illustré sur la : - la première résistance r1 représente la résistance de l’élément résistif ER, - la seconde résistance r2 représente la résistance équivalente de la ligne de communication LC avec les dispositifs d’analyse DA, - la référence v1 représente la première tension aux bornes du dispositif de commutation DC et donc de l’élément résistif ER, - la référence v2 représente la deuxième tension créée par les modules cellulaires MC qui sont situés en aval du dispositif de commutation DC et donc de l’élément résistif ER, - la référence v3 représente la troisième tension créée par les modules cellulaires MC qui sont situés en amont du dispositif de commutation DC et donc de l’élément résistif ER, et - la référence v4 représente la quatrième tension aux bornes de la batterie cellulaire BC, et qui est égale à v2 + v3 lorsque l’on néglige la première tension v1. En présence d’un tel schéma électrique équivalent, la première tension v1 est donnée par l’équation v1 = [r1/(r1 + r2)]*v4, et la deuxième tension v2 est donnée par l’équation v2 = [r2/(r1 + r2)]*v4. Il est important de noter que le pont diviseur ainsi constitué est dimensionné de manière à ce qu’il soit toujours possible de réaliser les diagnostics du dispositif de commutation DC concerné (il doit en effet être possible de déterminer par une comparaison des mesures de tension effectuées en amont et en aval du dispositif de commutation DC si ce dernier (DC) est dans son état ouvert ou son état fermé. A cet effet, le (chaque) élément résistif ER peut avoir une première résistance r1 qui est fonction de la seconde résistance équivalente r2 de la ligne de communication LC avec les dispositifs d’analyse DA. Dans ce cas, la première résistance r1 peut, par exemple, être comprise entre 90% de la seconde résistance équivalente r2 et 110% de la seconde résistance équivalente r2. Par exemple, la première résistance r1 peut être comprise entre 600 kΩ et 1 MΩ lorsque la seconde résistance équivalente r2 est aussi comprise entre 600 kΩ et 1 MΩ. A titre d’exemple illustratif, la première résistance r1 peut être égale à 800 kΩ lorsque la seconde résistance équivalente r2 est égale à 800 kΩ. Ces valeurs des première r1 et seconde r2 résistances sont notamment bien adaptées au cas où la quatrième tension v4 aux bornes de la batterie cellulaire BC est d’environ 400 V. On peut montrer, qu’en présence des valeurs (r1, r2 et v4) mentionnées au paragraphe précédent et de condensateurs d’isolation ayant une capacité de 6,8 nF, la mise en parallèle d’un élément résistif ER et d’un dispositif de commutation DC engendre une réduction de 109 V de la tension vue par les condensateurs d’isolation concernés. Par conséquent, la perte de capacité provoquée par cette réduction n’est que de 10%, ce qui correspond à une capacité réduite égale à 6,12 nF (au lieu de 6,8 nF), soit presque trois fois le minimum requis (2,2 nF) pour que les bits d’information communiqués par la ligne de communication LC soient à un niveau suffisamment élevé pour demeurer interprétables. Egalement par exemple, le (chaque) élément résistif ER peut comprendre au moins une résistance. Ainsi, il peut comprendre une résistance ou plusieurs résistances (au moins deux) montées en série et/ou en parallèle ou bien il peut s’agir d’un filtre de type « RP » ou d’un dispositif de type « RC », par exemple. Batterie (BC) comprenant M modules (MC) i) comportant chacun au moins une cellule (CE) de stockage d’énergie électrique, ii) montés en série avec au moins un dispositif de commutation (DC) ayant des états ouvert et fermé, avec M ≥ 2, et iii) propres à être couplés à des dispositifs d’analyse (DA) propres à déterminer des valeurs en cours de grandeurs représentatives desdites cellules (CE) et communicant entre eux via une ligne de communication (LC) comportant des condensateurs d’isolation dont certains sont propres à être couplés à des bornes dudit dispositif de commutation (DC), caractérisée en ce qu’elle comprend en outre au moins un élément résistif (ER) monté en parallèle avec ledit dispositif de commutation (DC) afin de minimiser une tension, vue par lesdits condensateurs d’isolation couplés auxdites bornes du dispositif de commutation (DC), pour éviter une interruption de communication sur ladite ligne de communication (LC) lorsque ledit dispositif de commutation (DC) est dans son état ouvert. Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément résistif (ER) a une première résistance fonction d’une seconde résistance équivalente de ladite ligne de communication (LC) avec lesdits dispositifs d’analyse (DA). Batterie selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite première résistance est comprise entre 90% de ladite seconde résistance équivalente et 110% de ladite seconde résistance équivalente. Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite première résistance est comprise entre 600 kΩ et 1 MΩ lorsque ladite seconde résistance équivalente est comprise entre 600 kΩ et 1 MΩ. Batterie selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit élément résistif (ER) comprend au moins une résistance. Batterie selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit dispositif de commutation (DC) est un relais. Batterie selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdites cellules (CE) sont de type électrochimique. Ensemble de batterie (EB) comprenant un boîtier de batterie (BB) comportant i) des dispositifs d’analyse (DA) propres à déterminer des valeurs en cours de grandeurs représentatives de cellules (CE) et communicant entre eux via une ligne de communication (LC) comportant des condensateurs d’isolation, et ii) un calculateur de batterie (CB) couplé à ladite ligne de communication (LC) pour recevoir lesdites valeurs en cours déterminées, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une batterie (BC) selon l’une des revendications précédentes, ayant ses modules (MC) couplés auxdits dispositifs d’analyse (DA) et chaque dispositif de commutation (DC) couplé à certains desdits condensateurs d’isolation. Système (S), caractérisé en ce qu’il comprend au moins un ensemble de batterie (EB) selon la revendication 8. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il constitue un véhicule.