EP4035223A1 - Systeme de protection d'un dispositif a resistance interne variable - Google Patents

Systeme de protection d'un dispositif a resistance interne variable

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EP4035223A1
EP4035223A1 EP20765310.6A EP20765310A EP4035223A1 EP 4035223 A1 EP4035223 A1 EP 4035223A1 EP 20765310 A EP20765310 A EP 20765310A EP 4035223 A1 EP4035223 A1 EP 4035223A1
Authority
EP
European Patent Office
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internal resistance
threshold
protection system
resistance
electrochemical cell
Prior art date
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Pending
Application number
EP20765310.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Samuel Cregut
Masato Origuchi
Irina MARINCAS
Antoine Saint-Marcoux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ampere Sas
Original Assignee
Renault SAS
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Filing date
Publication date
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates generally to the safety of accumulator batteries.
  • this protection system comprising a fuse capable of melting when a current passes through it. intensity greater than a predefined intensity threshold.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the production of accumulator batteries for electric or hybrid vehicles.
  • Electric and hybrid vehicles are in fact equipped with accumulator batteries supplying current to electric motors making it possible to propel these vehicles.
  • such an accumulator battery generally comprises several modules which each integrate a large number of distinct electrochemical cells.
  • the switch closes, which creates a short circuit in the cell and causes the fuse to blow, thus putting the accumulator battery in safety.
  • a first drawback of this solution is that this merger generates an immobilizing failure for the vehicle.
  • a second drawback which the applicant has observed and which turns out to be more serious than the first, is that it happens that the melting of the fuse does not take place when the cell is short-circuited. , creating a risk of fire or explosion of the accumulator battery.
  • the present invention proposes to improve the safety of the accumulator battery by adding a computer means for detecting the aging of the battery. More particularly, according to the invention there is proposed a protection system as defined in the introduction, in which there is provided estimation means suitable for estimating the internal resistance of the device (for example the internal resistance of the device. electrochemical cell), and securing means adapted to limit and / or prevent the use of this device as soon as said internal resistance is greater than a resistance threshold chosen such that the device still has the capacity to melt the fuse.
  • estimation means suitable for estimating the internal resistance of the device for example the internal resistance of the device. electrochemical cell
  • securing means adapted to limit and / or prevent the use of this device as soon as said internal resistance is greater than a resistance threshold chosen such that the device still has the capacity to melt the fuse.
  • the invention rather proposes to monitor the state of aging of the cell. cell so that the user can be invited, preferably in a preventive manner, to have his accumulator battery serviced before the cell can no longer develop the electrical power necessary to melt the fuse.
  • Other advantageous and non-limiting characteristics of the protection system according to the invention taken individually or in any technically possible combination, are as follows:
  • - Said resistance threshold is equal to the internal resistance beyond which the device no longer has the capacity to blow the fuse, within a safety margin
  • - Said device comprising two electrical connection terminals, there is provided a switch adapted to automatically close the electrical circuit between the two terminals in the event of overpressure in said device;
  • the estimation means are suitable for estimating said internal resistance only if one or more or all of the following conditions are met:
  • the estimation means are designed to attempt to estimate said internal resistance periodically
  • the securing means are adapted to warn a user of an upcoming limitation and / or a next impediment to use of the device by the securing means if the internal resistance is greater than a second resistance threshold;
  • the security means are adapted to limit the use of the device if the internal resistance is greater than a third threshold
  • the third threshold is strictly greater than the second threshold
  • the securing means are adapted to prevent the use of the device if the internal resistance is greater than said resistance threshold, which resistance threshold is strictly greater than the third threshold.
  • the invention also relates to an accumulator battery comprising an electrochemical cell equipped with a protection system as mentioned above.
  • the invention also provides a method of protecting a device with variable internal resistance, such as an electrochemical cell, equipped with a fuse. protection, comprising:
  • FIG. 1 is a schematic view of a motor vehicle equipped with an accumulator battery according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of an electrochemical cell of the storage battery of Figure 1;
  • FIG. 3 is an electrical model of the electrochemical cell of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a graph illustrating the variation of the voltage at the terminals of the electrochemical cell of FIG. 2 when the latter receives a current step
  • FIG. 5 is a graph illustrating this current step
  • FIG. 6 is a graph showing in the form of dots the result of tests carried out on the electrochemical cell of FIG. 2, the ordinate representing a measured voltage difference and the abscissa an intensity difference delivered by the cell;
  • FIG. 7 is a graph showing the variation over time of the intensity delivered by the electrochemical cell of FIG. 2 during these tests;
  • FIG. 8 is a graph representing, as a function of time, the rate of variation of the intensity delivered by the electrochemical cell of FIG. 2 during these tests;
  • FIG. 9 is a graph showing the variation of the measured internal resistance of the electrochemical cell of FIG. 2 as a function of its charge level.
  • FIG 1 there is shown very schematically a motor vehicle 10 which has two drive wheels 16.
  • the motor vehicle 10 shown in Figure 1 therefore comprises at least one electric motor 15 for driving the two drive wheels 16 in rotation. It also includes an accumulator battery 11 which makes it possible to supply this electric motor 15 with current, via an inverter 14. [0035]
  • This accumulator battery 11 comprises a storage box which houses a large number of electrochemical cells 20.
  • the motor vehicle 1 also comprises a means 18 for measuring the temperature of this accumulator battery 11, for example in the form of a temperature probe located inside the battery storage box accumulators 11.
  • It also comprises means 19 for acquiring the voltage Ubatt at the terminals of each electrochemical cell 20 and the intensity Ibatt supplied or received by each of these electrochemical cells 20.
  • the motor vehicle 1 comprises a computer 12 which comprises a processor and a memory, and which is equipped with various input and output interfaces 13.
  • the computer 10 is adapted to receive input signals coming from the measuring means 18 and acquisition 19. It is thus adapted to acquire the internal temperature T of the battery of accumulators 11, as well as the voltage Ubatt at the terminals of each electrochemical cell 20 and the current Ibat delivered or received by each of these cells.
  • the computer 12 stores a computer application, consisting of computer programs comprising instructions whose execution by the processor allows the implementation by the computer 12 of the process described below.
  • the computer 12 is adapted to communicate with a security system 17 of the accumulator battery 11.
  • this security system 17 comprises in particular a display screen 17 'arranged on the dashboard of the vehicle, as well as a 17 "control element for the charge of the accumulator battery.
  • the electrochemical cell 20 comprises a casing 29 which houses electrochemical components 21 (here two electrodes immersed in an electrolyte based on lithium ion), and two terminals 22 (negative), 23 ( positive) respectively connected to these two electrodes.
  • the electrochemical cell 20 is equipped with a partly integrated and partly remote protection system.
  • the remote part of this protection system comprises the aforementioned security system 17.
  • the integrated part of this protection system comprises a fuse 25 and a switch 26 housed in the casing 29.
  • the switch 26 is connected between the two terminals 22, 23 of the cell. It is delivered in the open state and it is adapted to close automatically in the event of an overpressure in the casing 29. It comprises for this purpose a pressure-sensitive membrane.
  • the fuse 25 for its part connects the positive terminal 23 of the electrochemical cell 20 to the corresponding electrode. It is designed to melt (and open the circuit) when it is crossed by a current of intensity Ibatt greater than a determined intensity threshold.
  • this fuse 25 and this switch 26 thus makes it possible to protect the accumulator battery 11 against the risk of explosion and fire.
  • an electrochemical cell 20 ages as the charge and discharge cycles to which it is subjected.
  • the accumulator battery protection system 11 includes estimation means (here formed by the computer 12) suitable for estimating the internal resistance Ri of each electrochemical cell 20, and
  • the security system 17 is adapted to limit and / or prevent the use of the accumulator battery 11 when this internal resistance Ri is greater than a first resistance threshold SRI, this threshold being chosen such that each cell electrochemical 20 has the capacity to melt its fuse 25 as long as its internal resistance Ri is lower than this first resistance threshold SRI.
  • the electric circuit 21 comprises an ideal voltage source 30, a resistor 31 and a parallel RC circuit, connected in series with each other.
  • the ideal voltage source 30 has a voltage value which depends on the BSOC charge level of the electrochemical cell 20. It will be recalled here that the BSOC charge level represents, in percentage, the quantity of electrical energy remaining in the cell. cell. Its value is therefore 100% when the cell is fully charged, and 0% when it is fully discharged.
  • Resistor 31 represents the internal resistance Ri of the electrochemical cell 20. It depends in particular on the state of aging of this cell.
  • the parallel RC circuit comprises a resistor 32 and a capacitor 33 connected in parallel. It illustrates the fact that the cell has a non-response time null in case of charge and discharge.
  • the resistance and capacitance values are here chosen as a function of the measurable response time of the cell.
  • the computer 12 is then programmed to calculate this internal resistance Ri periodically, with a sampling frequency that is neither too large nor too small (typically of the order of a second).
  • it is programmed to calculate an estimate of this internal resistance Ri only when certain conditions of use of the electrochemical cell 20 are met.
  • FIGS. 7 and 8 there is then illustrated the variations over time of the intensity Ibatt delivered by the electrochemical cell 20 and of the rate of variation of this intensity.
  • the instants corresponding to the points of FIG. 6 situated along the affine line have been marked with points. It has thus been observed that the intensity and the rate of variation of this intensity had to meet particular conditions of use so that the results of the estimation of the internal resistance Ri are reliable.
  • the estimation of the internal resistance Ri is reliable if the cell is in the discharge phase, if it delivers an intensity of between 5 and 40A and if the variation of this intensity between two instants of successive sampling is sufficiently large (here, if the rate of change of the current ôlbatt / ôt is greater than 1 A / s).
  • the computer 12 proceeds in a loop, repeating the steps described below in an iterative manner. These steps are implemented in the same way for each electrochemical cell 20. To simplify the present description, we will then focus hereinafter only on one of these cells.
  • the computer acquires the internal temperature T of the accumulator battery 11. It also acquires values of voltage Ubatt and intensity Ibatt for the electrochemical cell 20.
  • the computer 12 determines whether the conditions of use of the electrochemical cell 20 are met to estimate the internal resistance Ri of this cell.
  • the computer determines whether the electrochemical cell 20 is in the discharge phase, if the intensity Ibatt of the current delivered by the cell is within a range of predefined values (here between 5 and 40A), if the rate variation of the intensity Ibatt of the current delivered by the device 20 is greater than a predefined variation threshold (here of 1A / s), and if the internal temperature of the accumulator battery 11 is within a predefined temperature range (here from 45 to 55 ⁇ ).
  • a range of predefined values here between 5 and 40A
  • a rate variation of the intensity Ibatt of the current delivered by the device 20 is greater than a predefined variation threshold (here of 1A / s)
  • a predefined temperature range here from 45 to 55 ⁇ .
  • the computer measures the AU and DI values and then deduces therefrom an estimate of the internal resistance Ri on the basis of the aforementioned "Math.1" equation. Otherwise, the process is reinitialized. At this stage, the computer 12 can directly consider this estimate as a good approximation of the internal resistance Ri of the electrochemical cell 20.
  • this estimate will be combined with several other estimates made previously, so as to obtain a better estimate of the internal resistance Ri. It is thus for example possible to obtain an average over a sliding window encompassing several hundred previous results (for example 500 or 1000), and to consider that the internal resistance Ri is equal to this average, which will avoid any false measurement.
  • the computer 12 compares this internal resistance with at least one resistance threshold.
  • this internal resistance Ri is compared with three resistance thresholds SRI, SR2, SR3.
  • the first resistance threshold SRI has the most restricted security mage while the second threshold SR2 has the largest security margin, so that we can write:
  • the method is reinitialized. This corresponds to the case where the internal resistance Ri indicates that the electrochemical cell 20 is in good condition and that if the switch 26 is closed, this cell will have the electrical power necessary to melt the fuse 25.
  • the computer 12 is programmed to control the display on the display screen 17 ′ of a message intended for the driver. This message is then intended to warn the driver that his accumulator battery 11 will be unusable in a restricted number of charge cycles.
  • the message may for example display that the accumulator battery 11 will no longer be usable after five charging cycles and that it must therefore be changed or revised accordingly.
  • the computer 12 is programmed to control the display on the display screen 17 ′ of a message intended for the driver, warning him that his battery will be unusable in a very small number of charge cycles.
  • the computer 12 is also programmed to send to the control element 17 "a signal indicating to it that it will only have to allow a reduced number of recharging cycles of the battery (for example one or two), then subsequently preventing any recharging. drums.
  • the computer 12 is programmed to control the display on the display screen 17 ′ of a message intended for the driver warning him that his battery can no longer be recharged.
  • the computer 12 is also programmed to send the control element 17 "a signal indicating to it that it will have to prevent any new recharging of the battery.
  • the protection system could be used on devices other than electrochemical cells of accumulator batteries.
  • devices other than electrochemical cells of accumulator batteries could be used on devices other than electrochemical cells of accumulator batteries.

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Abstract

L'invention concerne un système de protection d'un dispositif (20) à résistance interne variable, comportant un fusible de protection (25) apte à fondre lorsqu'il est traversé par un courant d'intensité supérieure à un seuil d'intensité. Selon l'invention, le système comporte en outre des moyens d'estimation adaptés à estimer la résistance interne dudit dispositif, et des moyens de sécurisation adaptés à limiter et/ou à empêcher l'utilisation dudit dispositif lorsque ladite résistance interne est supérieure à un seuil de résistance au-delà duquel ledit fusible de protection est inopérant.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L’INVENTION : SYSTÈME DE PROTECTION D'UN DISPOSITIF A RÉSISTANCE
INTERNE VARIABLE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention concerne de manière générale la sécurité des batteries d’accumulateurs.
[0002] Elle concerne plus particulièrement un système de protection d'un dispositif à résistance interne variable, tel qu’une cellule électrochimique de batterie d’accumulateurs, ce système de protection comportant un fusible apte à fondre lorsqu’il est traversé par un courant d'intensité supérieure à un seuil d’intensité prédéfini.
[0003] Elle concerne également un procédé de protection d’un tel dispositif.
[0004] L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation de batteries d’accumulateurs pour véhicules électriques ou hybrides.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0005] Les véhicules électriques et hybrides sont en effet équipés de batteries d’accumulateurs alimentant en courant des moteurs électriques permettant de propulser ces véhicules.
[0006] Comme l’enseigne le document US2017005384, une telle batterie d’accumulateurs comporte généralement plusieurs modules qui intègrent chacun un grand nombre de cellules électrochimiques distinctes.
[0007] Ces cellules utilisent des composés chimiques pour stocker de l’énergie électrique, qui sont potentiellement dangereux en cas de surcharge de la cellule. [0008] Un système commun pour sécuriser une batterie d’accumulateurs consiste alors à surveiller individuellement la tension aux bornes de chaque cellule et à couper le courant en cas de surcharge. La mise en oeuvre de cette solution technique nécessite malheureusement l’utilisation de nombreux composants onéreux, connectés de façon redondante pour atteindre le degré de sécurité souhaité.
[0009] Une autre solution, décrite dans le document US2017005384, consiste à équiper chaque cellule de son propre dispositif de sécurité intégré. Ce dispositif de sécurité comprend alors, d’une part, un fusible connecté entre les composés chimiques et la borne positive de la cellule, et, d’autre part, un interrupteur à pression connecté entre les deux bornes de cette même cellule.
[0010] Ainsi, en cas de surpression dans la cellule, l’interrupteur se ferme, ce qui crée un court-circuit dans la cellule et provoque la fusion du fusible, mettant ainsi la batterie d’accumulateurs en sécurité.
[0011] Un premier inconvénient de cette solution est que cette fusion génère une panne immobilisante pour le véhicule.
[0012] Un second inconvénient, que le demandeur a observé et qui s’avère être plus grave que le premier, est qu’il arrive que la fusion du fusible ne s’opère pas lors de la mise en court-circuit de la cellule, générant un risque de feu ou d’explosion de la batterie d’accumulateurs.
PRESENTATION DE L'INVENTION
[0013] Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose d’améliorer la sécurité de la batterie d’accumulateurs en ajoutant un moyen informatique de détection du vieillissement de la batterie. [0014] Plus particulièrement, on propose selon l’invention un système de protection tel que défini dans l’introduction, dans lequel il est prévu des moyens d’estimation adaptés à estimer la résistance interne du dispositif (par exemple la résistance interne de la cellule électrochimique), et des moyens de sécurisation adaptés à limiter et/ou à empêcher l’utilisation de ce dispositif dès que ladite résistance interne est supérieure à un seuil de résistance choisi de telle manière que le dispositif ait toujours la capacité de faire fondre le fusible.
[0015] Le demandeur a en effet constaté que lorsque l’état de vieillissement d’une cellule électrochimique est avancé, et que par conséquent sa résistance interne est trop élevée, la puissance électrique que cette cellule peut développer n’est pas toujours suffisante pour faire fondre le fusible.
[0016] Au lieu d’employer un fusible plus petit (ce qui pourrait être problématique en cas de forte sollicitation de la cellule puisque le fusible pourrait fondre de façon indésirable), l’invention propose plutôt de surveiller l’état de vieillissement de la cellule de façon à ce que l’usager puisse être invité, préférentiellement de façon préventive, à faire réviser sa batterie d’accumulateurs avant que la cellule ne puisse plus développer la puissance électrique nécessaire pour faire fondre le fusible. [0017] D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du système de protection conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- ledit seuil de résistance est égal à la résistance interne au-delà de laquelle le dispositif n’a plus la capacité de faire fondre le fusible, à une marge de sécurité près ;
- ledit dispositif comportant deux bornes de connexion électrique, il est prévu un interrupteur adapté à fermer automatiquement le circuit électrique entre les deux bornes en cas de surpression dans ledit dispositif ;
- les moyens d’estimation sont adaptés à estimer ladite résistance interne seulement si une ou plusieurs ou toutes les conditions suivantes sont réunies :
-> si le dispositif est en phase de décharge,
-> si l’intensité du courant débité par le dispositif est comprise dans une plage de valeurs prédéfinies,
-> si la variation temporelle de l’intensité du courant débité par le dispositif est supérieure à un seuil de variation prédéfini,
-> si la température interne dudit dispositif est dans une plage de températures prédéfinie ;
- les moyens d’estimation sont conçus pour tenter d’estimer ladite résistance interne de façon périodique ;
- les moyens de sécurisation sont adaptés à avertir un usager d’une prochaine limitation et/ou d’un prochain empêchement d’utilisation du dispositif par les moyens de sécurisation si la résistance interne est supérieure à un second seuil de résistance ;
- les moyens de sécurisation sont adaptés à limiter l’utilisation du dispositif si la résistance interne est supérieure à un troisième seuil ;
- le troisième seuil est strictement supérieur au second seuil ;
- les moyens de sécurisation sont adaptés à empêcher l’utilisation du dispositif si la résistance interne est supérieure audit seuil de résistance, lequel seuil de résistance est strictement supérieur au troisième seuil.
[0018] L’invention porte aussi sur une batterie d’accumulateurs comportant une cellule électrochimique équipée d’un système de protection tel que précité.
[0019] L’invention propose également un procédé de protection d'un dispositif à résistance interne variable, tel qu’une cellule électrochimique, équipé d’un fusible de protection, comportant :
- une étape d’estimation de la résistance interne dudit dispositif,
- une étape de comparaison de la résistance interne avec au moins un seuil de résistance au-delà duquel le fusible de protection est inopérant, et, si la résistance interne est supérieure audit seuil de résistance, et
- une étape de sécurisation au cours de laquelle l’utilisation du dispositif est empêchée ou limitée, de telle sorte que le dispositif a toujours la capacité de faire fondre le fusible.
[0020] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
[0021] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
[0022] Sur les dessins annexés :
[0023] [Fig. 1] est une vue schématique d’un véhicule automobile équipé d’une batterie d’accumulateurs conforme à l’invention ; [0024] [Fig. 2] est une vue schématique d’une cellule électrochimique de la batterie d’accumulateurs de la figure 1 ;
[0025] [Fig. 3] est une modélisation électrique de la cellule électrochimique de la figure 2 ;
[0026] [Fig. 4] est un graphique illustrant la variation de la tension aux bornes de la cellule électrochimique de la figure 2 lorsque cette dernière reçoit un échelon de courant ;
[0027] [Fig. 5] est un graphique illustrant cet échelon de courant ;
[0028] [Fig. 6] est un graphique représentant sous la forme de points le résultat de tests effectués sur la cellule électrochimique de la figure 2, l’ordonnée représentant un écart de tension mesuré et l’abscisse un écart d’intensité délivrée par la cellule ;
[0029] [Fig. 7] est un graphique représentant la variation dans le temps de l’intensité débitée par la cellule électrochimique de la figure 2 lors de ces tests ; [0030] [Fig. 8] est un graphique représentant, en fonction du temps, le taux de variation de l’intensité débitée par la cellule électrochimique de la figure 2 lors de ces tests ;
[0031] [Fig. 9] est un graphique représentant la variation de la résistance interne mesurée de la cellule électrochimique de la figure 2 en fonction de son niveau de charge.
[0032] Sur la figure 1 , on a représenté très schématiquement un véhicule automobile 10 qui comporte deux roues motrices 16.
[0033] Il s’agit ici d’un véhicule électrique. En variante, il pourrait également s’agir d’un véhicule hybride.
[0034] Le véhicule automobile 10 représenté sur la figure 1 comporte donc au moins un moteur électrique 15 permettant d’entraîner les deux roues motrices 16 en rotation. Il comporte également une batterie d’accumulateurs 11 qui permet d’alimenter ce moteur électrique 15 en courant, via un onduleur 14. [0035] Cette batterie d’accumulateurs 11 comporte un boîtier de stockage qui loge un grand nombre de cellules électrochimiques 20.
[0036] Le véhicule automobile 1 comporte également un moyen de mesure 18 de la température de cette batterie d’accumulateurs 11 , se présentant par exemple sous la forme d’une sonde de température implantée à l’intérieur du boîtier de stockage de la batterie d’accumulateurs 11 .
[0037] Il comporte également des moyens d’acquisition 19 de la tension Ubatt aux bornes de chaque cellule électrochimique 20 et de l’intensité Ibatt débitée ou reçue par chacune de ces cellules électrochimiques 20.
[0038] Pour piloter ses différents organes, le véhicule automobile 1 comporte un calculateur 12 qui comprend un processeur et une mémoire, et qui est équipé de différentes interfaces 13 d'entrée et de sortie.
[0039] Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 10 est adapté à recevoir des signaux d'entrée provenant des moyens de mesure 18 et d’acquisition 19. Il est ainsi adapté à acquérir la température interne T de la batterie d’accumulateurs 11 , ainsi que la tension Ubatt aux bornes de chaque cellule électrochimique 20 et l’intensité Ibat débitée ou reçue par chacune de ces cellules.
[0040] Grâce à sa mémoire, le calculateur 12 mémorise une application informatique, constituée de programmes d’ordinateur comprenant des instructions dont l’exécution par le processeur permet la mise en oeuvre par le calculateur 12 du procédé décrit ci-après.
[0041] Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 12 est adapté à communiquer avec un système de sécurisation 17 de la batterie d’accumulateurs 11. Ici, ce système de sécurisation 17 comporte notamment un écran d’affichage 17’ disposé sur le tableau de bord du véhicule, ainsi qu’un élément de contrôle 17" de la charge de la batterie d’accumulateurs.
[0042] Sur la figure 2, on a représenté l’une des cellules électrochimiques 20 de la batterie d’accumulateurs de la figure 1.
[0043] On considérera ici que ces cellules sont toutes de la même référence et sont connectées en série les unes des autres. Dans cet exposé, on s’intéressera alors plus particulièrement à une seule d’entre elles.
[0044] Comme le montre la figure 2, la cellule électrochimique 20 comporte une enveloppe 29 qui loge des composants électrochimiques 21 (ici deux électrodes plongées dans un électrolyte à base d’ion lithium), et deux bornes 22 (négative), 23 (positive) respectivement connectées à ces deux électrodes.
[0045] Ici, la cellule électrochimique 20 est équipée d’un système de protection en partie intégrée et en partie déportée.
[0046] La partie déportée de ce système de protection comprend le système de sécurisation 17 précité. [0047] La partie intégrée de ce système de protection comporte un fusible 25 et un interrupteur 26 logés dans l’enveloppe 29.
[0048] L’interrupteur 26 est connecté entre les deux bornes 22, 23 de la cellule. Il est livré à l’état ouvert et il est adapté à se fermer automatiquement en cas de surpression dans l’enveloppe 29. Il comporte à cet effet une membrane sensible à la pression.
[0049] Il permet ainsi, notamment en cas de surcharge électrique susceptible de provoquer un incendie, de placer la cellule électrochimique 20 en court-circuit. [0050] Le fusible 25 connecte pour sa part la borne 23 positive de la cellule électrochimique 20 à l’électrode correspondante. Il est prévu pour fondre (et ouvrir le circuit) lorsqu’il est traversé par un courant d'intensité Ibatt supérieure à un seuil d’intensité déterminé.
[0051] Il est donc notamment prévu pour fondre lorsque l’interrupteur 26 place la cellule électrochimique 20 en court-circuit.
[0052] L’association de ce fusible 25 et de cet interrupteur 26 permet ainsi de protéger la batterie d’accumulateurs 11 des risques d’explosion et d’incendie. [0053] Comme on le sait une cellule électrochimique 20 vieillit au fur et à mesure des cycles de charge et de décharge auxquels elle est soumise.
[0054] Lorsqu’elle vieillit, sa résistance interne Ri croît. Il peut alors arriver que ses composants électrochimiques 21 ne soient plus en capacité de développer une puissance électrique suffisante pour faire fondre le fusible 25.
[0055] C’est la raison pour laquelle, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention :
- le système de protection de la batterie d’accumulateurs 11 comporte des moyens d’estimation (ici formés par le calculateur 12) adaptés à estimer la résistance interne Ri de chaque cellule électrochimique 20, et
- le système de sécurisation 17 est adapté à limiter et/ou à empêcher l’utilisation de la batterie d’accumulateurs 11 lorsque cette résistance interne Ri est supérieure à un premier seuil de résistance SRI, ce seuil étant choisi de telle manière que chaque cellule électrochimique 20 ait la capacité de faire fondre son fusible 25 tant que sa résistance interne Ri est inférieure à ce premier seuil de résistance SRI .
[0056] La façon dont la résistance interne Ri de chaque cellule électrochimique 20 est calculée sera décrite ci après.
[0057] Pour comprendre ces calculs, on peut tout d’abord modéliser la cellule électrochimique 20 sous la forme du circuit électrique 21 de la figure 3.
[0058] Sur cette figure, le circuit électrique 21 comporte une source de tension idéale 30, une résistance 31 et un circuit RC parallèle, connectés en série les uns des autres.
[0059] La source de tension idéale 30 présente une valeur de tension qui dépend du niveau de charge BSOC de la cellule électrochimique 20. On rappellera ici que le niveau de charge BSOC représente, en pourcentage, la quantité d’énergie électrique restant dans la cellule. Sa valeur est donc de 100% lorsque la cellule est complètement chargée, et de 0% lorsqu’elle est complètement déchargée. [0060] La résistance 31 représente la résistance interne Ri de la cellule électrochimique 20. Elle dépend notamment de l’état de vieillissement de cette cellule.
[0061] Le circuit RC parallèle comporte une résistance 32 et une capacité 33 connectées en parallèle. Il illustre le fait que la cellule a un temps de réponse non nul en cas de charge et de décharge. Les valeurs de résistance et de capacité sont ici choisies en fonction du temps de réponse mesurable de la cellule.
[0062] Sur les figures 4 et 5, on a alors représenté la tension Ubatt aux bornes de la cellule électrochimique 20 et l’intensité Ibatt qui la traverse lorsqu’elle reçoit un courant de charge se présentant sous la forme d’un échelon de courant de valeur DI. On y observe une variation instantanée de la tension lors de cette mise en charge, de valeur AV, laquelle variation se poursuit ensuite progressivement jusqu’à atteindre un seuil.
[0063] Compte tenu de la modélisation considérée de la cellule électrochimique 20, la résistance interne Ri de la cellule peut être obtenue au moyen de l’équation :
[0064] [Math. 1]
Ri = AV / Al
[0065] Le calculateur 12 est alors programmé pour calculer cette résistance interne Ri de façon périodique, avec une fréquence d’échantillonnage ni trop grande ni trop réduite (typiquement de l’ordre de la seconde).
[0066] Préférentiellement, il est programmé pour calculer une estimation de cette résistance interne Ri seulement lorsque certaines conditions d’utilisation de la cellule électrochimique 20 sont réunies.
[0067] Il a en effet été observé que la fiabilité de l’estimation de cette résistance interne Ri pouvait dépendre des conditions d’utilisation de cette cellule.
[0068] Alors, pour déterminer les conditions nécessaires pour réaliser une bonne estimation de cette résistance interne Ri, il a été réalisé une série de tests dont les résultats sont illustrés sur la figure 6 sous la forme de points.
[0069] Lors de ces tests, les valeurs DI et AV ont été mesurées dans différentes conditions d’utilisation de la cellule électrochimique 20. Si aucune de ces conditions n’avait eu d’influence sur les résultats, l’ensemble des points aurait du être aligné le long d’une droite affine de pente égale à la résistance interne Ri de la cellule.
[0070] Tel n’a toutefois pas été le cas.
[0071] Sur les figures 7 et 8, on a alors illustré les variations dans le temps de l’intensité Ibatt débitée par la cellule électrochimique 20 et du taux de variation de cette intensité. [0072] On a marqué par des points les instants correspondant aux points de la figure 6 situés le long de la droite affine. On a ainsi pu constater que l’intensité et le taux de variation de cette intensité devaient répondre à des conditions d’utilisation particulières pour que les résultats de l’estimation de la résistance interne Ri soient fiables.
[0073] On a ainsi pu observer que l’estimation de la résistance interne Ri est fiable si la cellule est en phase de décharge, si elle débite une intensité comprise entre 5 et 40A et si la variation de cette intensité entre deux instants d’échantillonnage successifs est suffisamment grande (ici, si le taux de variation du courant ôlbatt/ôt est supérieur à 1 A/s).
[0074] Sur la figure 9, on a également tracé les résultats des tests de façon à observer l’influence du niveau de charge BSOC et de la température interne de la cellule sur l’estimation de la résistance interne Ri.
[0075] On a ainsi pu observer que si la température interne T de la cellule n’est pas assez élevée (25 degrés sur la courbe C1), une légère variation de température peut affecter les résultats de l’estimation de la résistance interne Ri. On préférera ainsi travailler entre 45Ό (courbe C2 ) et 550 (courbe C3).
[0076] On a également pu observer que le niveau de charge BSOC de la cellule électrochimique 20 n’avait que peu d’influence sur les résultats de l’estimation de la résistance interne Ri pour autant que ce niveau de charge soit compris entre 40 et 75%.
[0077] Différentes conditions d’utilisation de la cellule électrochimique 20 ont ainsi pu être trouvées et sélectionnées comme étant nécessaires pour obtenir une estimation fiable de la résistance interne Ri.
[0078] Ces données étant maintenant bien expliquées, on peut décrire la façon selon laquelle le calculateur 12 du véhicule automobile 10 procède de façon à sécuriser l’utilisation de chaque cellule électrochimique 20 dans la batterie d’accumulateurs 11 .
[0079] Pour cela, le calculateur 12 procède en boucle, en répétant les étapes décrites ci-après de façon itérative. Ces étapes sont mises en oeuvre de la même façon pour chaque cellule électrochimique 20. Pour simplifier le présent exposé, on ne s’intéressera alors ci-après qu’à une de ces cellules.
[0080] Au cours d’une première étape, le calculateur acquiert la température interne T de la batterie d’accumulateurs 11 . [0081] Il acquiert également des valeurs de tension Ubatt et d’intensité Ibatt pour la cellule électrochimique 20.
[0082] Au cours d’une seconde étape, le calculateur 12 détermine si les conditions d’utilisation de la cellule électrochimique 20 sont réunies pour estimer la résistance interne Ri de cette cellule.
[0083] Pour cela, le calculateur détermine si la cellule électrochimique 20 est en phase de décharge, si l’intensité Ibatt du courant débité par la cellule est comprise dans une plage de valeurs prédéfinies (ici entre 5 et 40A), si le taux de variation de l’intensité Ibatt du courant débité par le dispositif 20 est supérieur à un seuil de variation prédéfini (ici de 1A/s), et si la température interne de la batterie d’accumulateurs 11 est comprise dans une plage de températures prédéfinie (ici de 45 à 55Ό).
[0084] Bien entendu, en variante, les plages précitées pourraient être différentes. On pourrait en outre considérer un nombre différents de conditions d’utilisation des cellules.
[0085] Ici, si ces conditions sont réunies, le calculateur mesure les valeurs AU et DI puis en déduit une estimation de la résistance interne Ri sur la base de l’équation « Math.1 » précitée. Dans le cas contraire, le procédé se réinitialise. [0086] A ce stade, le calculateur 12 peut directement considérer cette estimation comme une bonne approximation de la résistance interne Ri de la cellule électrochimique 20.
[0087] Toutefois, ici, cette estimation sera combinée avec plusieurs autres estimations réalisées précédemment, de façon à obtenir une meilleure estimation de la résistance interne Ri. On peut ainsi par exemple réaliser une moyenne sur une fenêtre glissante englobant plusieurs centaines de résultats précédents (par exemple 500 ou 1000), et considérer que la résistance interne Ri est égale à cette moyenne, ce qui évitera toute fausse mesure.
[0088] Une fois l’évaluation de la résistance interne Ri obtenue, le calculateur 12 comparer cette résistance interne avec au moins un seuil de résistance. [0089] En pratique, ici, cette résistance interne Ri est comparée avec trois seuils de résistance SRI , SR2, SR3.
[0090] Ces trois seuils de résistance SRI , SR2, SR3 sont égaux, à trois marges de sécurité près, à la valeur de la résistance interne Ri au-delà de laquelle on considère qu’il n’est plus possible d’assurer à l’usager que la cellule électrochimique 20 aura encore la puissance électrique nécessaire pour faire fondre le fusible 25.
[0091 ] Les marges de sécurité considérées sont différentes.
[0092] Le premier seuil de résistance SRI a la mage de sécurité la plus restreinte tandis que le second seuil SR2 a la marge de sécurité la plus grande, si bien qu’on peut écrire :
[0093] [Math. 2]
SR1>SR3>SR2
[0094] Quatre cas sont alors envisageables, selon que la résistance interne est comprise dans l’un ou l’autre des quatre intervalles définis par ces seuils.
[0095] Ainsi, si la résistance interne Ri est inférieure ou égale à ces trois seuils, le procédé est réinitialisé. Cela correspond au cas où la résistance interne Ri indique que la cellule électrochimique 20 est en bon état et qu’en cas de fermeture de l’interrupteur 26, cette cellule aura la puissance électrique nécessaire pour faire fondre le fusible 25.
[0096] Si la résistance interne Ri est comprise entre le second et le troisième seuil SR2, SR3, ce qui signifie que la cellule électrochimique 20 est dans un état de vieillissement avancé mais qu’elle reste en mesure de faire fondre le fusible 25, le calculateur 12 est programmé pour commander l’affichage sur l’écran d’affichage 17’ d’un message à destination du conducteur. Ce message est alors prévu pour avertir le conducteur que sa batterie d’accumulateurs 11 sera inutilisable dans un nombre de cycles de charge restreints. Le message peut par exemple afficher que la batterie d’accumulateurs 11 ne sera plus utilisable après cinq cycles de charge et qu’elle doit donc être changée ou révisée en conséquence. [0097] Si la résistance interne Ri est comprise entre le troisième et le premier seuils SRI , SR3, ce qui signifie que la cellule électrochimique 20 est dans un état de vieillissement très avancé et qu’elle reste tout juste en mesure de faire fondre le fusible 25, le calculateur 12 est programmé pour commander l’affichage sur l’écran d’affichage 17’ d’un message à destination du conducteur, l’avertissant que sa batterie sera inutilisable dans un nombre très réduit de cycles de charge. Le calculateur 12 est en outre programmé pour envoyer à l’élément de contrôle 17" un signal lui indiquant qu’il devra seulement permettre un nombre réduit de cycles de recharge de la batterie (par exemple un ou deux), puis empêcher ensuite toute recharge de la batterie. [0098] Enfin, si la résistance interne Ri est supérieure au premier seuil SRI, ce qui signifie que la cellule électrochimique 20 est dans un état de vieillissement trop avancé pour être certain qu’elle soit encore en mesure de faire fondre le fusible 25, le calculateur 12 est programmé pour commander l’affichage sur l’écran d’affichage 17’ d’un message à destination du conducteur l’avertissant que sa batterie ne pourra plus être rechargée. Le calculateur 12 est en outre programmé pour envoyer à l’élément de contrôle 17" un signal lui indiquant qu’il devra empêcher toute nouvelle recharge de la batterie.
[0099] La présente invention n’est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.
[0100] Ainsi, le système de protection pourrait être utilisé sur des dispositifs autres que des cellules électrochimiques de batteries d’accumulateurs. A titre d’exemple,

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Système de protection pour un dispositif (20) à résistance interne (Ri) variable, tel qu’une cellule électrochimique de batterie d’accumulateurs (11), ce système de protection comportant un fusible (25) apte à fondre lorsqu’il est traversé par un courant d'intensité (Ibatt) supérieure à un seuil d’intensité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des moyens d’estimation (12) adaptés à estimer la résistance interne (Ri) dudit dispositif (20), et
- des moyens de sécurisation (17) adaptés à limiter et/ou à empêcher l’utilisation dudit dispositif (20) dès que ladite résistance interne (Ri) est supérieure à un seuil de résistance (SRI) choisi de telle manière que le dispositif (20) ait toujours la capacité de faire fondre le fusible (25).
[Revendication 2] Système de protection selon la revendication précédente, dans lequel, ledit dispositif (20) comportant deux bornes (22, 23) de connexion électrique, il est prévu un interrupteur (26) adapté à fermer automatiquement le circuit électrique entre les deux bornes (22, 23) en cas de surpression dans ledit dispositif (20).
[Revendication 3] Système de protection selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d’estimation (12) sont adaptés à estimer ladite résistance interne (Ri) seulement si une, ou plusieurs, ou toutes les conditions suivantes sont réunies :
- si le dispositif (20) est en phase de décharge, - si l’intensité (Ibatt) du courant débité par le dispositif (20) est comprise dans une plage de valeurs prédéfinies,
- si la variation temporelle de l’intensité (Ibatt) du courant débité par le dispositif (20) est supérieure à un seuil de variation prédéfini,
- si la température interne dudit dispositif (20) est comprise dans une plage de températures prédéfinies.
[Revendication 4] Système de protection selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d’estimation (12) sont conçus pour tenter d’estimer ladite résistance interne (Ri) de façon périodique.
[Revendication 5] Système de protection selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de sécurisation (17) sont adaptés à avertir un usager d’une prochaine limitation et/ou d’un prochain empêchement d’utilisation du dispositif (20) par les moyens de sécurisation (17) si la résistance interne (Ri) est supérieure à un second seuil de résistance (SR2).
[Revendication 6] Système de protection selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de sécurisation (17) sont adaptés à limiter l’utilisation du dispositif (20) si la résistance interne (Ri) est supérieure à un troisième seuil (SR3).
[Revendication 7] Système de protection selon les deux revendications précédentes, dans lequel le troisième seuil (SR3) est strictement supérieur au second seuil (SR2).
[Revendication 8] Système de protection selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de sécurisation (17) sont adaptés à empêcher l’utilisation du dispositif (20) si la résistance interne (Ri) est supérieure audit seuil de résistance (SRI ).
[Revendication 9] Batterie d’accumulateurs (11 ) comportant au moins une cellule électrochimique (20) équipée d’un système de protection conforme à l’une des revendications précédentes.
[Revendication 10] Procédé de protection d'un dispositif (20) à résistance interne (Ri) variable, tel qu’une cellule électrochimique, le dispositif (20) étant équipé d’un fusible (25), caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape d’estimation (12) de la résistance interne (Ri) dudit dispositif (20),
- une étape de comparaison de la résistance interne (Ri) avec au moins un seuil de résistance (SRI), puis, si la résistance interne (Ri) est supérieure audit seuil de résistance (SRI),
- une étape de sécurisation (17) au cours de laquelle l’utilisation du dispositif (20) est empêchée ou limitée, de telle sorte que le dispositif (20) a toujours la capacité de faire fondre le fusible (25).
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