Brevet FR3164845A1 — publié le 20260123

Système de protection d’une batterie et batterie La présente invention concerne un système de protection (14) d’une batterie (10), la batterie (10) comportant une pluralité de modules (12) reliés en parallèle, le système de protection (10) comprenant : - un premier dispositif de déconnexion (28), le premier dispositif de déconnexion (28) comprenant un contacteur (32) présentant une position ouverte dans laquelle la batterie (10) est déconnecté de l’ensemble des modules (10) - un deuxième dispositif de déconnexion (30), le deuxième dispositif de déconnexion (30) étant distinct du premier dispositif de déconnexion (28), le deuxième dispositif de déconnexion (30) comportant un organe de coupure (40) propre à chaque module (12), chaque organe de coupure (40) présentant une position ouverte dans laquelle le module (12) est déconnecté des autres modules (12) et de la batterie (10). Figure pour l'abrégé : figure 2 Système de protection d’une batterie et batterie La présente invention concerne un système de protection d’une batterie et une batterie comportant un tel système de protection. Typiquement une batterie comprend un ou plusieurs accumulateurs de courant appelés aussi générateurs électrochimiques, cellules ou éléments. Un accumulateur est un dispositif de production d'électricité dans lequel de l'énergie chimique est convertie en énergie électrique. L'énergie chimique provient des composés électrochimiquement actifs déposés sur au moins une face d'électrodes disposées dans l'accumulateur. L'énergie électrique est produite par des réactions électrochimiques au cours d'une décharge de l'accumulateur. Les électrodes, disposées dans un conteneur, sont connectées électriquement à des bornes de sortie de courant qui assurent une continuité électrique entre les électrodes et un consommateur électrique auquel l'accumulateur est associé. Afin d'augmenter la puissance électrique délivrée, on peut associer plusieurs accumulateurs étanches entre eux pour former une batterie. Ainsi, une batterie peut être divisée en modules, chaque module étant composé d'un ou plusieurs accumulateurs reliés entre eux en série et/ou en parallèle. Ainsi, une batterie peut par exemple comporter une ou plusieurs branches parallèles d'accumulateurs reliés en série et/ou une ou plusieurs branches parallèles de modules reliés en série. Un circuit de charge est généralement prévu auquel la batterie peut être branchée pour recharger les accumulateurs. Par ailleurs, un système de gestion électronique comprenant des capteurs de mesures et un circuit électronique de contrôle, plus ou moins évolué selon les applications, peut être associé à la batterie. Un tel système permet notamment d'organiser et de contrôler la charge et la décharge de la batterie, pour équilibrer la charge et la décharge des différents accumulateurs de la batterie les uns par rapport aux autres. En cas de dysfonctionnement de la batterie, le système de gestion vient aussi isoler la batterie pour éviter des effets d’emballement thermique pouvant conduire à une explosion de la batterie. Pour cela, le système de gestion contrôle l’ouverture et la fermeture d’un contacteur positionné entre les accumulateurs de la batterie et les bornes de la batterie. Toutefois, cela pose un problème de sécurité dans la mesure où l’ouverture du contacteur n’a lieu que si le système de gestion le commande ainsi. En particulier, une panne du système de gestion peut conduire à une situation d’emballement thermique. Il existe donc un besoin pour un système de protection permettant de protéger la batterie avec une sécurité améliorée. A cet effet, la description a pour objet un système de protection d’une batterie, la batterie comportant une pluralité de modules reliées en parallèle, le système de protection comprenant : - un premier dispositif de déconnexion, le premier dispositif de déconnexion comprenant un contacteur présentant une position ouverte dans laquelle la batterie est déconnecté de l’ensemble des modules, - un deuxième dispositif de déconnexion, le deuxième dispositif de déconnexion étant distinct du premier dispositif de déconnexion, le deuxième dispositif de déconnexion comportant un organe de coupure propre à chaque module, chaque organe de coupure présentant une position ouverte dans laquelle le module est déconnecté des autres modules et de la batterie . Suivant d’autres aspects avantageux, le système de protection comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - chaque organe de coupure est propre à passer de manière irréversible d’une position fermée à une position ouverte. - chaque organe de coupure est un interrupteur pyrotechnique. - le premier dispositif de déconnexion comporte un contrôleur propre à contrôler la position du contacteur. - le système de protection comporte, en outre, un ensemble de capteurs propres à la batterie, le contrôleur contrôlant la position du contacteur en fonction de mesures de l’ensemble de capteurs de capteurs propres à la batterie. - le deuxième dispositif de déconnexion comporte une unité de commande propre à contrôler la position de chaque organe de coupure. - pour chaque organe de coupure, l’unité de commande est propre à contrôler uniquement le passage de la position fermée à la position ouverte. - le système de protection comporte, en outre, un ensemble de capteurs propres à chaque module, l’unité de commande contrôlant la position de chaque organe de coupure en fonction de mesures de l’ensemble de capteurs propres à chaque module. - l’unité de commande est également propre à contrôler la position du contacteur. - l’unité de commande est propre à contrôler uniquement le passage de la position fermée du contacteur à la position ouverte du contacteur. - l’unité de commande est un ensemble de composants logiques. La description a également pour objet une batterie comprenant un système de protection tel que précédemment décrit. La description concerne aussi un véhicule comportant une batterie telle que précédemment décrite, le véhicule étant choisi dans la liste constituée d'un aéronef, d'un moyen de transport ferroviaire, d'un moyen de transport routier, d'un moyen de transport maritime ou fluvial. Dans la présente description, l’expression « propre à » signifie indifféremment « adapté pour », « adapté à » ou « configuré pour ». L’invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins dans lesquels : - FIG. 1 la FIG. 1 est une représentation schématique d’une batterie munie d’un système de protection, et - FIG. 2 la FIG. 2 est une représentation schématique du système de protection de la FIG. 1 . Une batterie 10 est représentée sur la FIG. 1 . De manière connue en soi, une batterie comporte une pluralité de modules 12 et un système de protection 14. Sans que cela soit limitatif, trois modules 12 sont représentés sur la FIG. 1 . Chaque module 12 peut comporter un ou plusieurs éléments électrochimiques dans un agencement série, parallèle ou plus complexe. Comme expliqué précédemment, un élément électrochimique est un dispositif de production d'électricité dans lequel de l'énergie chimique est convertie en énergie électrique. Chaque élément électrochimique délivre donc un courant et une tension entre deux bornes. Du fait de l’agencement du ou des éléments électrochimiques, le module 12 est ainsi configuré pour délivrer un courant et une tension entre une première borne 16 et une deuxième borne 18. Les premières bornes 16 sont reliées à une borne 22 de la batterie 10 tandis que les deuxièmes bornes sont reliées à une autre borne 20 de la batterie 10. Les modules 12 sont ainsi reliés en parallèle. Chaque module 12 est, en outre, équipé d’un premier ensemble 24 de capteurs. Le premier ensemble 24 est un ensemble local au sens où il est spécifique à un module 12. Par exemple, les capteurs du premier ensemble 24 sont un capteur de température du module 12, un capteur de la tension entre la première borne 16 et la deuxième borne 18 et un capteur du courant électrique délivré par le module 12. La batterie 10 comporte également un deuxième ensemble 26 de capteurs. Le deuxième ensemble 26 est un ensemble global au sens où il est spécifique au comportement de l’ensemble de la batterie 10. Par exemple, les capteurs du deuxième ensemble 26 sont un capteur de température de la batterie 10, un capteur de la tension entre les deux bornes 20 et 22 de la batterie 10 et un capteur du courant électrique délivré par la batterie 10. Le deuxième ensemble 26 est donc distinct du premier ensemble 24. Selon un exemple particulier, la batterie 10 est une alimentation embarquée dans un véhicule. Selon un mode de réalisation, le véhicule est choisi dans la liste constituée d'un aéronef, d'un moyen de transport ferroviaire, d'un moyen de transport routier, d'un moyen de transport maritime ou fluvial. Le système de protection 14 est intercalé entre les bornes 20 et 22 de la batterie 10 et les modules 12. Le système de protection 14 a pour rôle de protéger la batterie 10, c’est-à-dire de la sécuriser, en présence d’un comportement anormal d’un ou plusieurs des modules 12. En particulier, le système de protection 14 protège la batterie 10 contre les surcharges, les sur-décharges, les sur-températures et les sur-courants. Les éléments du système de protection 14 sont visibles plus précisément sur la FIG. 2 . Le système de protection 14 comporte un premier dispositif de déconnexion 28 et un deuxième dispositif de déconnexion 30. Le premier dispositif de déconnexion 28 comprend un contacteur 32 et un contrôleur 34. Le contacteur 32 est un composant électronique commandé servant à ouvrir ou fermer une liaison entre deux éléments. Le contacteur 32 présente ainsi une position ouverte et une position fermée. Le contacteur 32 est positionné entre le deuxième dispositif de déconnexion 30 et une borne 20 ou 22 de la batterie 10. Dans la position ouverte, aucun courant n’est délivré en sortie de la batterie 10. A titre d’exemple, le contacteur 32 est un contacteur à semi-conducteur. Un contacteur à semi-conducteur est plus souvent désigné par l’abréviation SSR qui renvoie à la dénomination anglaise correspondante de « solid-state relay » généralement traduite par contacteur ou relais statique. Un tel contacteur est un circuit permettant d’ouvrir ou fermer une liaison entre deux éléments sans avoir recours à un élément mécanique ou électromécanique. Le contacteur 32 est ici formé d’un transistor ou de plusieurs transistors. Ici, le contacteur 32 comprend deux transistors montés tête-bêche. En outre, chaque transistor est un transistor à effet de champ à grille isolée. Un tel transistor est plus souvent dénommé transistor MOSFET. L’acronyme MOSFET renvoie à la dénomination anglaise de « metal-oxide-semiconductor field-effect transistor » pouvant se traduire littéralement par « transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur ». Dans des variantes plus élaborées, le premier dispositif de déconnexion 28 comporte plusieurs contacteurs. Le contrôleur 34 est propre à contrôler la position du contacteur 32. Pour cela, le contrôleur 34 émet en direction du contacteur 32 une loi de commande représentée schématiquement par une flèche 36 en traits pointillés sur la FIG. 2 . Le contrôleur 34 détermine la loi de commande en fonction des mesures réalisées par le deuxième ensemble 26 de capteurs (celui qui est relatif à la batterie 10 dans sa globalité). Cela signifie que le contrôleur 34 obtient les valeurs des mesures provenant du deuxième ensemble 26. Cela est schématisé par des trois flèches 38 en traits pleins sur la FIG. 2 . Ce nombre de trois a été choisi pour illustrer le cas fréquent où les trois mesures sont la température, la tension et le courant. A titre d’illustration simple, la loi de commande peut correspondre à un seuil, à savoir que lorsque la valeur d’une grandeur dépasse un seuil, le passage dans la position ouverte est imposé au contacteur 32. Dans l’exemple décrit, la loi de commande est réversible au sens où si la condition n’est plus remplie, le contacteur 32 revient à la position fermée. Le contrôleur 34 est ici un système intelligent au sens où le contrôleur 34 comprend un processeur. Par exemple, le contrôleur 34 est un micro-contrôleur, le processeur étant alors un micro-processeur. Le deuxième dispositif de déconnexion 30 comporte un organe de coupure 40 pour chaque module et une unité de commande 42. Chaque organe de coupure 40 est ainsi relié à une extrémité à une borne du contacteur 32 et à une autre extrémité à la première borne 16 du module 12. Les organes de coupures 40 sont ainsi agencés en parallèle. Selon l’exemple de la FIG. 2 , chaque organe de coupure 40 est un interrupteur pyrotechnique. Un interrupteur pyrotechnique est un interrupteur fonctionnant selon deux positions, une position ouverte et une position fermée. Dans la position ouverte, le module 12 associé n’est plus relié au contacteur 32. L’interrupteur pyrotechnique est non réversible, de sorte qu’il ne peut passer que de la position fermée à la position ouverte. Cette ouverture est réalisée par la coupure du matériau conducteur à l’aide d’un organe pyrotechnique. En référence à la dénomination anglaise correspondante, un tel organe de coupure 40 est souvent désigné comme un pyro-switch. L’unité de commande 42 est un ensemble de composants logiques et électroniques discrets. Cela a pour but de limiter le nombre de pannes pouvant survenir dans l’unité de commande 42. Alternativement, l’unité de commande 42 est réalisée sous forme d’un composant logique programmable, tel qu’un FPGA (de l’anglais Field Programmable Gate Array ). L’unité de commande 42 est propre à contrôler la position de chacun des organes de coupure 40. Ce contrôle est montré par les flèches 44. Dans le mode de réalisation décrit, les organes de coupure 40 passent de manière irréversible de la position fermée à la position ouverte. Le contrôle de l’unité de commande 42 se réduit donc uniquement ici à un contrôle de l’ouverture de chaque organe de coupure 40, c’est-à-dire du passage de la position fermée à la position ouverte de chaque organe de coupure 40. Le contrôle peut être individualisé, de sorte qu’un seul des organes de coupure 40 peut changer de position alors que les autres restent dans la même position. Cela permet notamment d’isoler un module 12 défaillant des autres modules 12 toujours fonctionnels. L’unité de commande 42 est ainsi configurée pour assurer un contrôle local. Pour déterminer la position adaptée de l’organe de coupure 40, l’unité de commande 40 s’appuie sur les mesures provenant du premier ensemble 24 de chaque module 12. Cela est représenté schématiquement sur la FIG. 2 par les trois flèches 46, correspondant chacune à des données provenant d’un premier ensemble 24 respectif. L’unité de commande 42 est également propre à commander également le passage du contacteur 32 en position ouverte. Ce contrôle est illustré schématiquement par la flèche 48. L’unité de commande 32 fonctionne de manière indépendante du contrôleur 34 du premier dispositif de déconnexion 28. Cela signifie que le contacteur 32 du premier dispositif de déconnexion 28 peut être fermé uniquement si l’unité de commande 42 ne demande pas son ouverture et si le contrôleur 34 demande sa fermeture. Le contrôle de l’unité de commande 42 est ainsi un contrôle redondant par rapport à celui déjà effectué par le contrôleur 34, de sorte qu’il apporte une sécurité complémentaire au système de protection 14. Cette sécurité est renforcée par le fait que l’unité de commande 42 a un fonctionnement irréversible, que ce soit pour les organes de coupure 40 ou pour le contacteur 32. Ce fonctionnement irréversible se traduit par le fait que l’unité de commande 42 contrôle uniquement l’ouverture des organes de coupure 40 et du contacteur 32. Le système de protection qui vient d’être décrit permet ainsi d’obtenir une bonne sécurité pour la batterie 10 notamment grâce à l’indépendance des deux dispositifs de déconnexion 28 et 30. Cette indépendance revêt deux aspects. Selon un premier aspect, l’état du premier dispositif de déconnexion 28 (contacteur 32 en position ouverte ou fermée) et l’état du deuxième dispositif de déconnexion 30 (organes de coupure 40 en position ouverte ou fermée) sont principalement contrôlés par une entité distincte (l’unité de commande 34 pour l’un et le contrôleur 42 pour l’autre). Les états des deux dispositifs de déconnexion 28 et 30 peuvent donc différer. Selon un deuxième aspect, le premier dispositif de déconnexion 28 et le deuxième dispositif de déconnexion 30 opèrent de manière indépendante, c’est-à-dire qu’il suffit que l’un des deux systèmes de déconnexion 28 et 30 soit dans un état déconnecté pour que la batterie 10 soit déconnectée. En l’espèce, cet aspect est renforcé par le fait que le premier dispositif de déconnexion 28 et le deuxième dispositif de déconnexion 30 sont branchés en série. De fait, les deux dispositifs de déconnexion 28 et 30 sont montés en série de telle façon que le courant circulant des modules 12 vers les bornes 20 et 22 de la batterie 10 puisse être interrompu indépendamment par l’un ou l’autre des dispositifs de déconnexion 28 ou 30. Le système de protection 14 permet de gérer les connexions et déconnexions de la batterie 10 dans les phases opérationnelles mais également de protéger la batterie 10 et plus particulièrement les modules 12 des courts-circuits internes, des sur-charges, sur-décharges, sur-températures et sur-courants. Le système de protection 14 permet d’atteindre un niveau de sécurité élevée en donnant une bonne fiabilité et un taux de défaillance faible. La fiabilité est notamment renforcée par la présence de deux entités de contrôle réalisées selon des types de technologie différentes. Le système de protection 14 permet aussi de se passer de fusibles puisque chaque dispositif de déconnexion 28 ou 30 réalise sa propre mesure de courant et peut interrompre le passage du courant de façon redondante. D’autres modes de réalisation du système de protection 14 sont envisageables. Selon un premier exemple, le contrôleur 34 est le calculateur du système de gestion de la batterie 10. Un tel système de gestion est plus souvent désigné BMS, l’abréviation renvoyant à la dénomination anglaise correspondante de « Battery Management System ». Dans un tel cas, le premier dispositif de déconnexion 28 est une partie du système de gestion. En variante ou en complément, le contacteur 32 peut être réalisé selon une technologie différente. Similairement, chaque organe de coupure 40 peut être remplacé par un organe de coupure de nature réversible. Par exemple, chaque organe de coupure 40 peut être un contacteur SSR ou un contacteur électromécanique. Le système de protection 14 peut également comporter des composants additionnels permettant de lui ajouter des fonctionnalités ou de renforcer le niveau de sécurité qu’il permet d’obtenir. Système de protection (14) d’une batterie (10), la batterie (10) comportant une pluralité de modules (12) reliés en parallèle, le système de protection (10) comprenant : - un premier dispositif de déconnexion (28), le premier dispositif de déconnexion (28) comprenant un contacteur (32) présentant une position ouverte dans laquelle la batterie (10) est déconnecté de l’ensemble des modules (10) - un deuxième dispositif de déconnexion (30), le deuxième dispositif de déconnexion (30) étant distinct du premier dispositif de déconnexion (28), le deuxième dispositif de déconnexion (30) comportant un organe de coupure (40) propre à chaque module (12), chaque organe de coupure (40) présentant une position ouverte dans laquelle le module (12) est déconnecté des autres modules (12) et de la batterie (10). Système de protection selon la revendication 1, dans lequel chaque organe de coupure (40) est propre à passer de manière irréversible d’une position fermée à une position ouverte. Système de protection selon la revendication 2, dans lequel chaque organe de coupure (40) est un interrupteur pyrotechnique. Système de protection selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier dispositif de déconnexion (28) comporte un contrôleur (34) propre à contrôler la position du contacteur (32). Système de protection selon la revendication 4, dans lequel le système de protection (14) comporte, en outre, un ensemble (26) de capteurs propres à la batterie (10), le contrôleur (34) contrôlant la position du contacteur (32) en fonction de mesures de l’ensemble de capteurs (26) de capteurs propres à la batterie (10). Système de protection selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième dispositif de déconnexion (30) comporte une unité de commande (42) propre à contrôler la position de chaque organe de coupure (40). Système de protection selon la revendication 6, dans lequel, pour chaque organe de coupure (40), l’unité de commande (42) est propre à contrôler uniquement le passage de la position fermée à la position ouverte. Système de protection selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le système de protection (14) comporte, en outre, un ensemble (24) de capteurs propres à chaque module (12), l’unité de commande (42) contrôlant la position de chaque organe de coupure (40) en fonction de mesures de l’ensemble (24) de capteurs propres à chaque module (12). Système de protection selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel l’unité de commande (42) est également propre à contrôler la position du contacteur (32). Système de protection selon la revendication 9, dans lequel l’unité de commande (42) est propre à contrôler uniquement le passage de la position fermée du contacteur (32) à la position ouverte du contacteur (32). Système de protection selon l’une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel l’unité de commande (42) est un ensemble de composants logiques. Batterie (10) comprenant un système de protection (14) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11. Véhicule comportant une batterie (10) selon la revendication 12, le véhicule étant choisi dans la liste constituée d'un aéronef, d'un moyen de transport ferroviaire, d'un moyen de transport routier, d'un moyen de transport maritime ou fluvial.