EP4487402A1 - Batterie avec circuit de maintenance intégré, véhicule et procédé associés - Google Patents

Batterie avec circuit de maintenance intégré, véhicule et procédé associés

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EP4487402A1
EP4487402A1 EP23706630.3A EP23706630A EP4487402A1 EP 4487402 A1 EP4487402 A1 EP 4487402A1 EP 23706630 A EP23706630 A EP 23706630A EP 4487402 A1 EP4487402 A1 EP 4487402A1
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EP
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battery
state
electrochemical element
maintenance circuit
maintenance
Prior art date
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Pending
Application number
EP23706630.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jérôme COUMONT
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SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery and an associated battery maintenance method.
  • batteries are used for several applications, in particular for starting the engine or to supply critical systems in the event of failure of their main power supply. This implies that an aircraft generally includes between 1 and 4 batteries per device.
  • a battery comprising a casing, the casing defining an interior space, the battery comprising a set of internal elements, the internal elements being inserted into the interior space, the set of internal elements comprising:
  • the maintenance circuit being able to obtain a measurement of a parameter relating to the state of health of the at least one electrochemical element.
  • the battery has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the management system has at least two states, an operational state and a failure state, the maintenance circuit being capable of discharging the battery to a state of charge less than or equal to a threshold value when the management system is in the fault state, the threshold value being between 10% and 50%.
  • the battery comprises a device for activating the maintenance circuit comprising a dry contact.
  • the parameter relating to the state of health of the at least one electrochemical element is the internal resistance and/or the capacitance.
  • the battery further comprises a contactor interposed between a pole of the at least one electrochemical element and an output terminal and the maintenance circuit comprises a current control unit delivered by the at least one electrochemical element, the current control unit being positioned between the contactor and a pole of the at least one electrochemical element.
  • the current control unit comprises a regulating device, the regulating device being, for example, a transistor.
  • the maintenance circuit also comprises an electrical protection device for the maintenance circuit.
  • the protection device is a fuse.
  • the description also proposes a vehicle, in particular an aircraft, comprising a battery as described above.
  • the description also relates to a method for maintaining a battery comprising a casing, the casing defining an interior space, the battery comprising a set of internal elements, the internal elements being inserted into the interior space, the set of elements internal comprising:
  • the maintenance circuit being suitable for obtaining a measurement of a parameter relating to the state of health of the at least one electrochemical element, the maintenance method comprising:
  • FIG. 1 is a schematic representation of a vehicle comprising batteries
  • FIG. 2 is a schematic representation of the elements of a battery of Figure 1.
  • a vehicle 10 is shown schematically in Figure 1. More specifically, the vehicle 10 is an aircraft 10.
  • An aircraft is a means of transport capable of rising and moving at altitude within the Earth's atmosphere.
  • aircraft 10 is an airplane.
  • the aircraft 10 is a helicopter.
  • the aircraft 10 of FIG. 1 comprises two batteries 12: a first battery 14 used when starting the aircraft 10 and a second battery 16 used as an emergency power supply.
  • Each of these first and second batteries 14 and 16 are similar and have the different units visible in Figure 2.
  • a battery 12 comprises one or more current accumulators also called electrochemical generators, cells or elements. These elements will be denoted electrochemical elements 18 in the remainder of the description.
  • An electrochemical cell 18 is an electrical generating device in which chemical energy is converted into electrical energy.
  • the chemical energy comes from the electrochemically active compounds deposited on at least one face of electrodes arranged in the electrochemical element 18.
  • the electrical energy is produced by electrochemical reactions during discharge of the accumulator.
  • SOC state of charge of an electrochemical element 18
  • SOC state of charge of an electrochemical element 18
  • the SOC state of charge is expressed as a percentage of a maximum state of charge.
  • the electrodes arranged in a container, are electrically connected to current output terminals 20 and 22 (respectively a positive output terminal 20 and a negative output terminal 22) which ensure electrical continuity between the electrodes and an electrical consumer to which the electrochemical element 18 is associated.
  • a battery 12 can be divided into modules, each module being composed of one or more electrochemical elements 18 connected between them in series and/or in parallel.
  • a battery 12 can for example comprise one or more parallel branches of electrochemical cells connected in series and/or one or more parallel branches of modules connected in series.
  • the two electrochemical elements 18 have a positive pole 24 and a negative pole 26.
  • the positive pole 24 is connected to the positive output terminal 20 and the negative pole 26 is connected to the negative output terminal 22.
  • the electrochemical elements 18 are lithium-ion elements
  • the battery 12 further comprises a unit 28 for securing the battery 12 in the event of a malfunction.
  • the security unit 28 makes it possible to isolate the electrochemical elements 18 from the electronic components powered by the battery 12.
  • the security unit 28 comprises a fuse 30 and a contactor 32.
  • fuse 30 is connected to positive output terminal 20 while contactor 32 is connected to negative output terminal 22.
  • the security unit 28 may comprise two contactors 32 instead of just one, each contactor 32 being connected to a respective output terminal 20 and 22 of the battery 12.
  • the battery 12 also has other units for controlling the electrochemical elements 18.
  • the battery 12 comprises a management system 34 for the electrochemical elements 18, a maintenance circuit 36 for the electrochemical elements 18 and an activation device 40 for the maintenance circuit 36.
  • Such a management system 34 makes it possible in particular to organize and control the charging and discharging of the battery 12, to balance the charging and discharging of the various electrochemical elements 18 of the battery 12 with respect to each other.
  • the management system 34 has at least two states, an operational state and a failure state. As its name indicates, in the operational state, the management system 34 is capable of ensuring all of its functions, whereas, in the failure state, the management system 34 is not capable of perform at least one of its functions.
  • the management system 34 goes into the fault state when the management system 34 detects an anomaly with respect to the expected operation of the battery 12. For example, the management system 34 can consider that a current or Too high voltages or a faulty contactor are faults justifying entering the fault state.
  • the management system 34 comprises a set of measurement sensors 42, a balancing unit 44 and a first electronic control circuit 46.
  • the set of measurement sensors 42 comprises three sensors, namely: a voltage sensor 48 capable of measuring the voltage across the terminals of the electrochemical elements 18, a current sensor 50 capable of measuring the current delivered by the electrochemical elements 18 and a temperature sensor 52 capable of measuring the temperature of the electrochemical elements 18.
  • the balancing unit 44 is suitable for carrying out the balancing of the electrochemical elements 18.
  • the balancing unit 44 includes a set of balancing resistors not shown to maintain good readability of Figure 2.
  • Each balancing resistor is associated with a respective electrochemical element 18 and has an on and off state.
  • the balancing resistor In the activated state, the balancing resistor is connected to the electrochemical element 18 to discharge it while in the deactivated state, the balancing resistor is not connected to the electrochemical element 18.
  • the switching of 'a state to another state is, for example, achieved by a tilting of an electronically controlled switch.
  • the balancing resistors corresponding to the electrochemical elements 18 having the highest charge states are placed in the activated state to homogenize the charge states of all the electrochemical elements 18.
  • the first electronic control circuit 46 is suitable for controlling the set of measurement sensors 42 and the balancing unit 44.
  • the first electronic control circuit 46 is also able to control the electrochemical elements 18 and the security unit 28.
  • the first electronic control circuit 46 is also able to process the measurements from the sensors.
  • the first electronic control circuit 46 is an electronic circuit designed to manipulate and/or transform data represented by electronic or physical quantities in registers of the computer and/or memories into other similar data corresponding to physical data in the register memories or other types of display devices, transmission devices or storage devices.
  • the first control electronic circuit 46 includes a single-core or multi-core processor (such as a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a microcontroller, and a digital signal processor (DSP)), programmable logic circuit (such as application-specific integrated circuit (ASIC), field-programmable gate array (FPGA), programmable logic device (PLD), and programmable logic arrays (PLA)), a state machine, a logic gate and discrete hardware components.
  • a single-core or multi-core processor such as a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a microcontroller, and a digital signal processor (DSP)
  • programmable logic circuit such as application-specific integrated circuit (ASIC), field-programmable gate array (FPGA), programmable logic device (PLD), and programmable logic arrays (PLA)
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field-programmable gate array
  • PLD programmable logic device
  • PLA programmable logic arrays
  • the maintenance circuit 36 is able to obtain a measurement of a parameter relating to the state of health of the electrochemical elements 18.
  • the state of health is often referred to by the abbreviation SOH which refers to the English name of “State of Health”.
  • SOH The state of health SOH makes it possible to estimate the aging of the battery 12 between a new state and an end of life state, or more generally, between an initial state and a final state.
  • a parameter relating to the state of health is any parameter involved in the state of health, such as, for example, the values of temperature, voltage or current of the electrochemical elements 18.
  • the maintenance circuit 36 comprises a current control unit 54, a protection device 58 and a second electronic control circuit 60.
  • the current control unit 54 is a current control unit delivered by the electrochemical elements 18.
  • the current control unit 54 in association with the second electronic control circuit 60 and the current measurement makes it possible to regulate and control the discharge current.
  • the current control unit 54 includes a resistor 55 and a current regulator 56.
  • the regulation device 56 is connected on the one hand to a terminal 64 of the resistor 55 and on the other hand to the protection device 58.
  • the regulating device 56 acts both as a current regulator and as a switch.
  • the regulating device 56 has as such an open state and a closed state.
  • the regulation device 56 is, for example, a transistor, in particular an insulated-gate field-effect transistor.
  • a transistor is more often referred to as a MOSFET transistor, the acronym MOSFET referring to the corresponding English name of “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” literally translating as “field effect transistor with metal-oxide-semiconductor structure”.
  • the regulation device 56 can comprise more than one transistor, for example two transistors in series.
  • the protection device 58 is an electrical protection device for the elements of the maintenance circuit 36.
  • the protection device 58 is a fuse.
  • the protection device 58 is in series with the current control unit 54.
  • the whole of the protection device 58 and of the current control unit 54 thus forms a branch 66 in parallel with the electrochemical elements 18.
  • the branch 66 extends between two ends 68 and 70, the first end 68 of the branch 66 being connected to the negative pole 26 of the electrochemical elements 18 and to the contactor 32.
  • the second electronic control circuit 60 is able to implement a set of functions. These functions are maintenance functions and correspond to steps in a battery maintenance process 12.
  • the second electronic control circuit 60 can be made in the same way as the first electronic control circuit 46.
  • the first electronic control circuit 46 and the second electronic control circuit 60 are combined, that is to say that these electronic control circuits are produced as a single computer.
  • the computer elements involved in performing the maintenance functions are part of a separate partition from the computer element(s) performing the functions of the first electronic control circuit 46, so that the maintenance functions are isolated from the functions of the first electronic control circuit 46.
  • the activation device 40 of the maintenance circuit 36 is capable of activating or deactivating the maintenance circuit 36.
  • the activation device 40 thus allows an operator to control the second electronic control circuit 60 from outside.
  • the exterior is defined with respect to the casing 72 which the battery 12 comprises.
  • the housing 72 indeed delimits an interior space 74.
  • the electrochemical elements 18, the management system 34 of the electrochemical elements 18, the maintenance circuit 36 of the electrochemical elements 18 and the contactor 32 are elements inserted into the interior space 74. As such, they are internal elements of the battery 12.
  • the management system 34 and the maintenance circuit 36 are thus each an on-board circuit integrated into the battery 12.
  • Housing 72 is provided with positive output terminal 20 and negative output terminal 22.
  • the activation device 40 comprises a dry contact 76 having ends 78 and 80 and connections 82 and 84 connected to a respective end 78 or 80 of the dry contact 76.
  • a dry contact 76 is an electrical contact with no potential difference between its two terminals, unlike a resistor for example.
  • the dry contact 76 can therefore be activated by an operator by connecting a terminal to the dry contact 76.
  • the maintenance circuit 36 is activated whereas when the dry contact 76 is not activated, the maintenance circuit 36 is deactivated.
  • Ends 78 and 80 are on case 72 of battery 12.
  • the first connection 82 connects the first end 78 of the dry contact 76 to the second end 70 of the branch 66.
  • the maintenance circuit 36 of FIG. 2 is able to perform several functions which are now described. An operator can perform a maintenance operation using the maintenance circuit 36.
  • the operator connects to the dry contact 76 a terminal on a connection terminal present on the box 72, the terminal and the maintenance circuit 36 thus being connected by a wired connection.
  • the terminal and the maintenance circuit 36 can communicate by wireless communication.
  • the terminal is, for example, a tablet serving as a man-machine interface.
  • the terminal thus allows the operator to control the maintenance circuit 36 and in particular its functions.
  • the operator asks the maintenance circuit 36 to perform a first function corresponding to providing a discharge function for the electrochemical elements 18.
  • the maintenance circuit 36 is, here, in fact capable of discharging the electrochemical elements 18 up to a state-of-charge threshold, and this even if the management system 34 is in the fault state.
  • the state of charge threshold is less than or equal to a threshold value.
  • the threshold value is between 10% and 50%, preferably between 20% and 30%, or even equal to 30%.
  • the maintenance circuit 36 controls the balancing unit 44 to activate all the balancing resistors and thus discharge the electrochemical elements 18.
  • the maintenance circuit 36 stops the activation of the balancing resistors as soon as the state of charge is less than or equal to the desired state of charge threshold.
  • the second electronic control circuit 60 controls the state of the regulation device 56.
  • the second electronic control circuit 60 activates the regulation device 56 to discharge the electrochemical elements 18 and opens it when the elements electrochemical cells 18 have a state of charge less than or equal to the desired state of charge threshold.
  • the maintenance circuit 36 is able to determine the value of the state of charge on the basis of the measurements of the set of measurement sensors 42.
  • the maintenance circuit 36 makes it possible to measure the capacity of the electrochemical elements 18. For this, the maintenance circuit 36 causes the electrochemical elements 18 to be balanced and charged to a chosen state of charge.
  • Maintenance circuit 36 places contactor 32 in an open state.
  • the temperature sensor 52 measures the temperature at this full state of charge.
  • the second electronic control circuit 60 then controls the regulation device 56 lets the desired current flow.
  • the electrochemical elements 18 then discharge to their minimum voltage.
  • the current sensor 50 measures the value of the current delivered by the electrochemical elements 18.
  • the second electronic control circuit 60 deduces from the current values measured over time a measurement of the capacitance.
  • the second electronic control circuit 60 compares the capacitance thus measured with a reference capacitance value.
  • the reference capacitance value is obtained using the measured temperature.
  • This comparison makes it possible to determine the presence of a discrepancy between the capacity of the battery 12 and the capacity expected for it.
  • the result of the comparison is displayed on the operator's terminal and recorded in a memory of the battery 12 forming part of one of the electronic control circuits.
  • the second electronic control circuit 60 determines the state of health SOH from the ratio of the measured capacity to the capacity of the battery 12 in new or initial condition under the same measurement conditions (in particular under the same temperature).
  • the capacity decreases with aging, reflecting a loss of available energy.
  • the expression state of health SOH related to the capacity of the battery 12 is often used or its abbreviation SOHC which refers to the corresponding English name of “State of Health related to battery Capacity”.
  • the SOHC parameter is displayed on the terminal and stored in the aforementioned memory.
  • the maintenance circuit 36 makes it possible to measure the internal resistance of the electrochemical elements 18.
  • the maintenance circuit 36 imposes a complete discharge on the electrochemical elements 18.
  • the current sensor 50 measures the value of the current delivered by the electrochemical elements 18 and the voltage sensor 48 measures the value of the voltage across the terminals of the electrochemical elements 18.
  • the second electronic control circuit 60 deduces from the measured values the value of the internal resistance of the electrochemical elements 18, this being the ratio between the voltage and the current.
  • the second electronic control circuit 60 compares the internal resistance thus measured with a reference internal resistance value
  • the internal resistance value is obtained using the measured temperature.
  • This comparison helps to determine if the internal resistance matches the internal resistance.
  • the result of the comparison is displayed on the operator's terminal and recorded in a memory of the battery 12 forming part of one of the electronic control circuits.
  • the second electronic control circuit 60 determines the state of health SOH by calculating the ratio of the internal resistance thus measured by measuring the voltage and the current on the internal resistance of the battery 12 in the new or initial state in the same measurement conditions (in particular under the same temperature conditions).
  • the internal resistance increases with the aging of the battery 12, reflecting a loss of power.
  • the expression state of health SOH related to the internal resistance of the battery 12 is often used or its abbreviation SOHR which refers to the corresponding English name of “State of Health related to battery Resistance”.
  • the SOHR parameter is displayed on the terminal and stored in the aforementioned memory.
  • the maintenance circuit 36 thus makes it possible to carry out maintenance operations integrated into the battery 12. This makes it possible to avoid the use of an additional device intended to carry out these maintenance and repair operations and thus make maintenance easier.
  • the maintenance circuit 36 thus makes it possible to carry out maintenance on the ground of aircraft 10 without external equipment.
  • the maintenance circuit 36 makes it possible to carry out checks on the proper functioning of the battery 12, by measuring the capacity or the internal resistance of the battery 12.
  • the maintenance circuit 36 makes it possible to discharge the battery 12 even if the battery 12 is in a faulty state.
  • the maintenance circuit 36 can be activated by the operator via the activation device 40 and controlled by the terminal. This makes it possible to activate the maintenance circuit 36 only on the ground during the maintenance phase. The operator can activate this function via a man-machine interface.

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Abstract

La présente invention concerne une batterie (12) comportant un boîtier (72), le boîtier (72) définissant un espace intérieur (74), la batterie (12) comprenant un ensemble d'éléments internes, les éléments internes étant insérés dans l'espace intérieur (74), l'ensemble d'éléments internes comportant : - au moins un élément électrochimique (18), - un système de gestion (34) de l'au moins un élément électrochimique (18), et - un circuit de maintenance (36) de l'au moins un élément électrochimique (18), le circuit de maintenance (36) étant propre à obtenir une mesure d'un paramètre relatif à l'état de santé de l'au moins un élément électrochimique (18).

Description

Batterie avec circuit de maintenance intégré, véhicule et procédé associés
La présente invention concerne une batterie et un procédé de maintenance de la batterie associé.
Dans le domaine de l’aviation, les batteries sont utilisées pour plusieurs applications, notamment au démarrage du moteur ou pour alimenter des systèmes critiques en cas de défaillance de leur alimentation principale. Cela implique qu’un aéronef comprend en général entre 1 et 4 batteries par appareil.
Par ailleurs, pour des questions environnementales, il est envisagé de recourir à des moteurs hybrides kérosène - électricité. Ceci conduira à une augmentation de l’utilisation des batteries et donc à la présence de batteries supplémentaires dans l’aéronef.
Chacune de ces batteries faisant l’objet d’opérations de maintenance pour assurer la sécurité du vol de l’aéronef, la maintenance des batteries est une activité qui va prendre de plus en plus de temps.
Il existe donc un besoin pour des batteries présentant une maintenance plus aisée, permettant en particulier le transport des batteries en mode défaillant dans le respect de la règlementation en vigueur.
A cet effet, la description décrit une batterie comportant un boîtier, le boîtier définissant un espace intérieur, la batterie comprenant un ensemble d’éléments internes, les éléments internes étant insérés dans l’espace intérieur, l’ensemble d’éléments internes comportant :
- au moins un élément électrochimique,
- un système de gestion de l’au moins un élément électrochimique, et
- un circuit de maintenance de l’au moins un élément électrochimique, le circuit de maintenance étant propre à obtenir une mesure d’un paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique.
Selon des modes de réalisation particuliers, la batterie présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le système de gestion présente au moins deux états, un état opérationnel et un état de défaillance, le circuit de maintenance étant propre à décharger la batterie jusqu’à un état de charge inférieur ou égal à une valeur de seuil lorsque le système de gestion est dans l’état de défaillance, la valeur de seuil étant comprise entre 10% et 50%. - la batterie comprend un dispositif d’activation du circuit de maintenance comportant un contact sec.
- le paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique est la résistance interne et/ou la capacité.
- la batterie comporte, en outre, un contacteur intercalé entre un pôle de l’au moins un élément électrochimique et une borne de sortie et le circuit de maintenance comporte une unité de contrôle du courant délivré par l’au moins un élément électrochimique, l’unité de contrôle du courant étant positionnée entre le contacteur et un pôle de l’au moins un élément électrochimique.
- l’unité de contrôle du courant comporte un dispositif de régulation, le dispositif de régulation étant, par exemple, un transistor.
- le circuit de maintenance comprend également un dispositif de protection électrique du circuit de maintenance.
- le dispositif de protection est un fusible.
La description propose également un véhicule, notamment un aéronef, comportant une batterie telle que décrite précédemment.
La description concerne aussi un procédé de maintenance d’une batterie comportant un boîtier, le boîtier définissant un espace intérieur, la batterie comprenant un ensemble d’éléments internes, les éléments internes étant insérés dans l’espace intérieur, l’ensemble d’éléments internes comportant :
- au moins un élément électrochimique,
- un système de gestion de l’au moins un élément électrochimique, et
- un circuit de maintenance de l’au moins un élément électrochimique, le circuit de maintenance étant propre à obtenir une mesure d’un paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique, le procédé de maintenance comprenant :
- l’envoi d’une commande au circuit de maintenance pour obtenir une mesure d’un paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique.
Dans la présente description, l’expression « propre à » signifie indifféremment « adapté pour », « adapté à » ou « configuré pour ».
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’un véhicule comportant des batteries, et
- la figure 2 est une représentation schématique des éléments d’une batterie de la figure 1. Un véhicule 10 est représenté schématiquement sur la figure 1. Plus précisément, le véhicule 10 est un aéronef 10.
Un aéronef est un moyen de transport capable de s'élever et de se mouvoir en altitude, au sein de l'atmosphère terrestre.
Ici, l’aéronef 10 est un avion.
En variante, l’aéronef 10 est un hélicoptère.
Par ailleurs, il pourrait être considéré d’autres types de véhicules, comme des véhicules automobiles ou des véhicules ferroviaires (trains, métro ou tramway).
L’aéronef 10 de la figure 1 comporte deux batteries 12 : une première batterie 14 utilisée au démarrage de l’aéronef 10 et une deuxième batterie 16 utilisée comme alimentation de secours.
Chacune de ces première et deuxième batteries 14 et 16 sont similaires et présentent les différentes unités visibles à la figure 2.
De manière connue en soi, une batterie 12 comprend un ou plusieurs accumulateurs de courant appelés aussi générateurs électrochimiques, cellules ou éléments. Ces éléments seront notés éléments électrochimiques 18 dans la suite de la description.
Un élément électrochimique 18 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'élément électrochimique 18. L'énergie électrique est produite par des réactions électrochimiques au cours d'une décharge de l'accumulateur.
L’état de charge d’un élément électrochimique 18 est souvent désigné par l’abréviation SOC qui renvoie à la dénomination anglaise de « State of Charge ».
L’état de charge SOC est exprimé en pourcentage d’un état de charge maximale.
Les électrodes, disposées dans un conteneur, sont connectées électriquement à des bornes de sortie 20 et 22 de courant (respectivement une borne de sortie positive 20 et une borne de sortie négative 22) qui assurent une continuité électrique entre les électrodes et un consommateur électrique auquel l'élément électrochimique 18 est associé.
Afin d'augmenter la puissance électrique délivrée, on peut associer plusieurs éléments électrochimiques 18 étanches entre eux pour former une batterie 12. Ainsi, une batterie 12 peut être divisée en modules, chaque module étant composé d'un ou plusieurs éléments électrochimiques 18 reliés entre eux en série et/ou en parallèle. Ainsi, une batterie 12 peut par exemple comporter une ou plusieurs branches parallèles d'éléments électrochimique reliés en série et/ou une ou plusieurs branches parallèles de modules reliés en série. Dans un souci de simplification du propos, il est décrit un cas à deux éléments électrochimiques 18 en série dans ce qui suit, sachant que la transposition à d’autres agencements (un unique élément ou plus de deux éléments) est immédiate.
Les deux éléments électrochimiques 18 présentent un pôle positif 24 et un pôle négatif 26.
Dans l’exemple de la figure 1 , le pôle positif 24 est relié à la borne de sortie positive 20 et le pôle négatif 26 est relié à la borne de sortie négative 22.
A titre d’exemple, les éléments électrochimiques 18 sont des éléments lithium-ion
Par ailleurs, la batterie 12 comporte, en outre, une unité de sécurisation 28 de la batterie 12 en cas de dysfonctionnement.
L’unité de sécurisation 28 permet d’isoler les éléments électrochimiques 18 des composants électroniques alimentés par la batterie 12.
Dans l’exemple décrit, l’unité de sécurisation 28 comporte un fusible 30 et un contacteur 32.
A titre d’exemple, le fusible 30 est relié à la borne de sortie positive 20 tandis que le contacteur 32 est relié à la borne de sortie négative 22.
D’autres réalisations de l’unité de sécurisation 28 sont bien entendu possibles.
Notamment, l’unité de sécurisation 28 peut comporter deux contacteurs 32 au lieu d’un seul, chaque contacteur 32 étant relié à une borne de sortie 20 et 22 respective de la batterie 12.
La batterie 12 comporte également d’autres unités permettant de contrôler les éléments électrochimiques 18.
Dans cet exemple, la batterie 12 comporte un système de gestion 34 des éléments électrochimiques 18, un circuit de maintenance 36 des éléments électrochimiques 18 et un dispositif d’activation 40 du circuit de maintenance 36.
Le système de gestion 34 est un système propre à gérer les éléments électrochimiques 18.
Un tel système de gestion 34 permet notamment d'organiser et de contrôler la charge et la décharge de la batterie 12, pour équilibrer la charge et la décharge des différents éléments électrochimiques 18 de la batterie 12 les uns par rapport aux autres.
Dans l’exemple décrit, le système de gestion 34 présente au moins deux états, un état opérationnel et un état de défaillance. Comme son nom l’indique, dans l’état opérationnel, le système de gestion 34 est propre à assurer l’ensemble de ses fonctions alors que, dans l’état de défaillance, le système de gestion 34 n’est pas capable d’assurer au moins une de ses fonctions. En pratique, le système de gestion 34 se met dans l’état de défaillance lorsque le système de gestion 34 détecte une anomalie par rapport au fonctionnement attendu de la batterie 12. Par exemple, le système de gestion 34 peut considérer qu’un courant ou tension trop élevés ou un contacteur défaillant sont des anomalies justifiant d’entrer dans l’état de défaillance.
Le système de gestion 34 comporte un ensemble de capteurs de mesure 42, une unité d’équilibrage 44 et un premier circuit électronique de contrôle 46.
Dans le présent cas, l’ensemble de capteurs de mesure 42 comporte trois capteurs, à savoir : un capteur de tension 48 propre à mesurer la tension aux bornes des éléments électrochimiques 18, un capteur de courant 50 propre à mesurer le courant délivré par les éléments électrochimiques 18 et un capteur de température 52 propre à mesurer la température des éléments électrochimiques 18.
Les capteurs de l’ensemble de capteurs de mesure 42 sont placés entre le fusible 30 et le contacteur 32.
L’unité d’équilibrage 44 est propre à réaliser l’équilibrage des éléments électrochimiques 18.
Pour cela, l’unité d’équilibrage 44 comporte un ensemble de résistances d'équilibrage non représentées pour conserver une bonne lisibilité de la figure 2.
Chaque résistance d’équilibrage est associée à un élément électrochimique 18 respectif et présente un état activé et désactivé.
Dans l’état activé, la résistance d’équilibrage est connectée à l’élément électrochimique 18 pour le décharger alors que dans l’état désactivé, la résistance d’équilibrage n’est pas connectée à l’élément électrochimique 18. Le basculement d’un état à un autre état est, par exemple, réalisé par un basculement d’un commutateur commandé électroniquement.
Pour réaliser un équilibrage des éléments électrochimiques 18, les résistances d’équilibrage correspondant aux éléments électrochimiques 18 présentant les états de charges les plus élevées sont placées dans l’état activé pour homogénéiser les états de charge de l’ensemble des éléments électrochimiques 18.
Le premier circuit électronique de contrôle 46 est propre à contrôler l’ensemble de capteurs de mesure 42 et l’unité d’équilibrage 44.
Le premier circuit électronique de contrôle 46 est également propre à contrôler les éléments électrochimiques 18 et l’unité de sécurisation 28.
Selon les applications, le premier circuit électronique de contrôle 46 est également propre à traiter les mesures issues des capteurs. Le premier circuit électronique de contrôle 46 est un circuit électronique conçu pour manipuler et/ou transformer des données représentées par des quantités électroniques ou physiques dans des registres du calculateur et/ou des mémoires en d'autres données similaires correspondant à des données physiques dans les mémoires de registres ou d'autres types de dispositifs d'affichage, de dispositifs de transmission ou de dispositifs de mémorisation.
En tant qu’exemples spécifiques, le premier circuit électronique de contrôle 46 comprend un processeur monocœur ou multicœurs (tel qu’une unité de traitement centrale (CPU), une unité de traitement graphique (GPU), un microcontrôleur et un processeur de signal numérique (DSP)), un circuit logique programmable (comme un circuit intégré spécifique à une application (ASIC), un réseau de portes programmables in situ (FPGA), un dispositif logique programmable (PLD) et des réseaux logiques programmables (PLA)), une machine à états, une porte logique et des composants matériels discrets.
Le circuit de maintenance 36 est propre à obtenir une mesure d’un paramètre relatif à l’état de santé des éléments électrochimiques 18.
L’état de santé est souvent désigné sous l’abréviation SOH qui renvoie à la dénomination anglaise de « State of Health ». L’état de santé SOH permet d’estimer le vieillissement de la batterie 12 entre un état neuf et un état fin de vie, ou plus généralement, entre un état initial et un état final.
Un paramètre relatif à l’état de santé est tout paramètre impliqué dans l’état de santé, comme par exemple, les valeurs de température, de tension ou de courant des éléments électrochimiques 18.
D’autres exemples seront donnés dans la suite de la description.
Le circuit de maintenance 36 comporte une unité de contrôle du courant 54, un dispositif de protection 58 et un deuxième circuit électronique de contrôle 60.
L’unité de contrôle du courant 54 est une unité de contrôle du courant délivré par les éléments électrochimiques 18.
L’unité de contrôle du courant 54 en association avec le deuxième circuit électronique de contrôle 60 et la mesure de courant permet de réguler et asservir le courant de décharge.
L’unité de contrôle du courant 54 est intercalée entre le contacteur 32 et les éléments électrochimiques 18.
Plus précisément, l’unité de contrôle du courant 54 comporte une résistance 55 et un dispositif de régulation de courant 56.
La résistance 55 présente deux bornes 62 et 64, une borne 62 étant reliée d’une part au contacteur 32 et d’autre part au pôle négatif 26 des éléments électrochimiques 18 et l’autre borne 64 étant reliée indirectement au pôle positif 24 des éléments électrochimiques 18.
Le dispositif de régulation 56 est reliée d’une part à une borne 64 de la résistance 55 et d’autre part au dispositif de protection 58.
La résistance 55 et le dispositif de régulation 56 sont ainsi en série.
Le dispositif de régulation 56 joue à la fois un rôle de régulateur de courant et un rôle de commutateur.
A ce titre de rôle de commutateur, le dispositif de régulation 56 présente à ce titre un état ouvert et un état fermé.
Le dispositif de régulation 56 est, par exemple, un transistor, notamment un transistor à effet de champ à grille isolée. Un tel transistor est plus souvent dénommé transistor MOSFET, l’acronyme MOSFET renvoyant à la dénomination anglaise correspondante de « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » se traduisant littéralement par « transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur ».
Dans un tel cas, le dispositif de régulation 56 effectue le rôle de régulateur en fonctionnant dans son régime linéaire.
Pour améliorer la régulation, le dispositif de régulation 56 peut comporter plus d’un transistor, par exemple deux transistors en série.
Le dispositif de protection 58 est un dispositif de protection électrique des éléments du circuit de maintenance 36.
Selon l’exemple décrit, le dispositif de protection 58 est un fusible.
En outre, dans la figure 2, le dispositif de protection 58 est en série avec le l’unité de contrôle du courant 54.
L’ensemble du dispositif de protection 58 et de l’unité de contrôle du courant 54 forme ainsi une branche 66 en parallèle des éléments électrochimiques 18. La branche 66 s’étend entre deux extrémités 68 et 70, la première extrémité 68 de la branche 66 étant reliée au pôle négatif 26 des éléments électrochimiques 18 et au contacteur 32.
Le deuxième circuit électronique de contrôle 60 est propre à mettre en œuvre un ensemble de fonctions. Ces fonctions sont des fonctions de maintenances et correspondent à des étapes d’un procédé de maintenance de la batterie 12.
Certaines de ces fonctions seront décrites plus précisément dans la suite de la description.
D’un point de vue physique, le deuxième circuit électronique de contrôle 60 peut être réalisé de la même manière que le premier circuit électronique de contrôle 46. Dans certains modes de réalisations avantageux, le premier circuit électronique de contrôle 46 et le deuxième circuit électronique de contrôle 60 sont confondus, c’est-à-dire que ces circuits électroniques de contrôle sont réalisés comme un unique calculateur.
Dans un tel cas, les éléments du calculateur impliqués dans la réalisation des fonctions de maintenance font partie d’une partition distincte de la ou des éléments du calculateur réalisant les fonctions du premier circuit électronique de contrôle 46, de sorte que les fonctions de maintenance sont isolées par rapport aux fonctions du premier circuit électronique de contrôle 46.
Le dispositif d’activation 40 du circuit de maintenance 36 est propre à activer ou désactiver le circuit de maintenance 36.
Le dispositif d’activation 40 permet ainsi à un opérateur de contrôler le deuxième circuit électronique de contrôle 60 depuis l’extérieur.
L’extérieur est défini par rapport au boîtier 72 que comporte la batterie 12.
Le boîtier 72 délimite en effet un espace intérieur 74.
Les éléments électrochimiques 18, le système de gestion 34 des éléments électrochimiques 18, le circuit de maintenance 36 des éléments électrochimiques 18 et le contacteur 32 sont des éléments insérés dans l’espace intérieur 74. A ce titre, ce sont des éléments internes de la batterie 12.
Le système de gestion 34 et le circuit de maintenance 36 sont ainsi chacun un circuit embarqué et intégré à la batterie 12.
Le boîtier 72 est pourvu de la borne de sortie positive 20 et de la borne de sortie négative 22.
Le dispositif d’activation 40 comporte un contact sec 76 comportant des extrémités 78 et 80 et des connexions 82 et 84 reliées à une extrémité 78 ou 80 respective du contact sec 76.
Un contact sec 76 est un contact électrique sans différence de potentiel entre ses deux bornes, au contraire d’une résistance par exemple.
Le contact sec 76 est donc activable par un opérateur en venant brancher un terminal sur le contact sec 76.
En activant le contact sec 76, le circuit de maintenance 36 est activé alors que lorsque le contact sec 76 n’est pas activé, le circuit de maintenance 36 est désactivé.
Les extrémités 78 et 80 sont sur le boîtier 72 de la batterie 12.
La première connexion 82 relie la première extrémité 78 du contact sec 76 à la deuxième extrémité 70 de la branche 66.
Comme expliqué précédemment, en utilisation, le circuit de maintenance 36 de la figure 2 est capable de réaliser plusieurs fonctions qui sont maintenant décrites. Un opérateur peut réaliser une opération de maintenance en utilisant le circuit de maintenance 36.
On suppose ici que la maintenance est réalisée alors que l’aéronef 10 est au sol.
L’opérateur vient brancher sur le contact sec 76 un terminal sur une borne de connexion présente sur le boîtier 72, le terminal et le circuit de maintenance 36 étant ainsi reliés par une connexion filaire.
En variante, le terminal et le circuit de maintenance 36 peuvent communiquer par une communication sans fil.
Le terminal est, par exemple, une tablette servant d’interface homme-machine.
Le terminal permet ainsi à l’opérateur de contrôler le circuit de maintenance 36 et notamment ses fonctions.
A titre d’exemple, l’opérateur demande au circuit de maintenance 36 de réaliser une première fonction correspondant à assurer une fonction de décharge des éléments électrochimiques 18.
Le circuit de maintenance 36 est, ici, en effet propre à décharger les éléments électrochimiques 18 jusqu’à un seuil d’état de charge, et ce même si le système de gestion 34 est dans l’état de panne.
Le seuil d’état de charge est inférieur ou égal à une valeur de seuil.
La valeur de seuil est comprise entre 10% et 50%, de préférence comprise entre 20% et 30%, voire égale à 30%.
Selon un premier exemple de réalisation, le circuit de maintenance 36 commande l’unité d’équilibrage 44 pour activer toutes les résistances d'équilibrage et ainsi décharger les éléments électrochimiques 18.
Le circuit de maintenance 36 arrête l’activation des résistances d'équilibrage dès que l’état de charge est inférieur ou égal au seuil d’état de charge souhaité.
Selon un deuxième exemple de réalisation, le deuxième circuit électronique de contrôle 60 commande l’état du dispositif de régulation 56. Le deuxième circuit électronique de contrôle 60 active le dispositif de régulation 56 pour décharger les éléments électrochimiques 18 et l’ouvre lorsque les éléments électrochimiques 18 présentent un état de charge inférieur ou égal au seuil d’état de charge souhaité.
Dans cet exemple de réalisation, le circuit de maintenance 36 est propre à déterminer la valeur de l’état de charge sur la base des mesures de l’ensemble de capteurs de mesure 42.
Comme exemple de deuxième fonction, le circuit de maintenance 36 permet de mesurer la capacité des éléments électrochimiques 18. Pour cela, le circuit de maintenance 36 fait en sorte que les éléments électrochimiques 18 soient équilibrés et chargés à un état de charge choisi.
Le circuit de maintenance 36 place le contacteur 32 dans un état ouvert.
Par ailleurs, le capteur de température 52 mesure la température à cet état de charge complet.
Le deuxième circuit électronique de contrôle 60 commande ensuite le dispositif de régulation 56 laisse passer le courant voulu.
Les éléments électrochimiques 18 se déchargent alors à leur tension minimale.
Pendant la décharge, le capteur de courant 50 mesure la valeur du courant délivré par les éléments électrochimiques 18.
En activant un compteur de temps, le deuxième circuit électronique de contrôle 60 déduit des valeurs de courant mesurées au cours du temps une mesure de la capacité.
Le deuxième circuit électronique de contrôle 60 compare ensuite la capacité ainsi mesurée à une valeur de capacité de référence.
La valeur de capacité de référence est obtenue en utilisant la température mesurée.
Cette comparaison permet de déterminer la présence d’un écart entre la capacité de la batterie 12 et la capacité attendue pour celle-ci.
Le résultat de la comparaison est affiché sur le terminal de l’opérateur et enregistré dans une mémoire de la batterie 12 faisant partie de l’un des circuits électroniques de contrôle.
Par exemple, il est envoyé un message simple du type « comportement normal » ou « dysfonctionnement ».
Alternativement, le deuxième circuit électronique de contrôle 60 détermine l’état de santé SOH à partir du rapport de la capacité mesurée sur la capacité de la batterie 12 à l’état neuf ou initial dans les mêmes conditions de mesure (notamment dans les mêmes conditions de température).
De fait, la capacité diminue avec le vieillissement, traduisant une perte d’énergie disponible. Dans un tel cas, l’expression état de santé SOH lié à la capacité de la batterie 12 est souvent utilisée ou son abréviation SOHC qui renvoie à la dénomination anglaise correspondante de « State of Health related to battery Capacity ».
Dans un tel cas, le paramètre SOHC est affiché sur le terminal et mémorisé dans la mémoire précitée.
Comme exemple de troisième fonction, le circuit de maintenance 36 permet de mesurer la résistance interne des éléments électrochimiques 18.
Similairement au cas de la deuxième fonction, le circuit de maintenance 36 impose une décharge complète aux éléments électrochimiques 18. Pendant la décharge, le capteur de courant 50 mesure la valeur du courant délivré par les éléments électrochimiques 18 et le capteur de tension 48 mesure la valeur de la tension aux bornes des éléments électrochimiques 18.
Le deuxième circuit électronique de contrôle 60 déduit des valeurs mesurées la valeur de la résistance interne des éléments électrochimiques 18, celle-ci étant le rapport entre la tension et le courant.
Le deuxième circuit électronique de contrôle 60 compare ensuite la résistance interne ainsi mesurée à une valeur de résistance interne de référence
La valeur de résistance interne est obtenue en utilisant la température mesurée.
Cette comparaison permet de déterminer si la résistance interne correspond à la résistance interne.
Le résultat de la comparaison est affiché sur le terminal de l’opérateur et enregistré dans une mémoire de la batterie 12 faisant partie de l’un des circuits électroniques de contrôle.
Par exemple, il est envoyé un message simple du type « comportement normal » ou « dysfonctionnement ».
Alternativement, le deuxième circuit électronique de contrôle 60 détermine l’état de santé SOH en calculant le rapport de la résistance interne ainsi mesurée par mesure de la tension et du courant sur la résistance interne de la batterie 12 à l’état neuf ou initial dans les mêmes conditions de mesure (notamment dans les mêmes conditions de température).
De fait, la résistance interne augmente avec le vieillissement de la batterie 12, traduisant une perte de puissance. Dans un tel cas, l’expression état de santé SOH lié à la résistance interne de la batterie 12 est souvent utilisée ou son abréviation SOHR qui renvoie à la dénomination anglaise correspondante de « State of Health related to battery Resistance ».
Dans un tel cas, le paramètre SOHR est affiché sur le terminal et mémorisé dans la mémoire précitée.
Bien entendu, bien d’autres fonctions sont envisageables et les fonctions précitées peuvent être combinées.
Par exemple, il pourrait être envisagé de mettre en œuvre à la fois la deuxième fonction et la troisième fonction et d’afficher un paramètre de SOH dépendant des paramètres SOHC et SOHC.
Le circuit de maintenance 36 permet ainsi de réaliser des opérations de maintenance intégrées dans la batterie 12. Cela permet d’éviter l’emploi d’un dispositif additionnel destiné à assurer ces opérations de maintenance et de réparation et ainsi rendre la maintenance plus aisée. Le circuit de maintenance 36 permet ainsi d’assurer la maintenance au sol d'aéronefs 10 sans équipements externes.
En particulier, le circuit de maintenance 36 permet de réaliser des vérifications du bon fonctionnement de la batterie 12, à travers la mesure de la capacité ou de la résistance interne de la batterie 12.
En particulier, le circuit de maintenance 36 permet de décharger la batterie 12 même si la batterie 12 est dans un état défaillant.
En outre, le circuit de maintenance 36 peut être activé par l’opérateur via le dispositif d’activation 40 et contrôlé par le terminal. Cela permet d’activer le circuit de maintenance 36 uniquement au sol pendant la phase de maintenance. L'opérateur peut activer cette fonction via une interface homme machine.

Claims

REVENDICATIONS
1. Batterie (12) comportant un boîtier (72), le boîtier (72) définissant un espace intérieur (74), la batterie (12) comprenant un ensemble d’éléments internes, les éléments internes étant insérés dans l’espace intérieur (74), l’ensemble d’éléments internes comportant :
- au moins un élément électrochimique (18),
- un système de gestion (34) de l’au moins un élément électrochimique (18), et
- un circuit de maintenance (36) de l’au moins un élément électrochimique (18), le circuit de maintenance (36) étant propre à obtenir une mesure d’un paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique (18).
2. Batterie selon la revendication 1 , dans lequel le système de gestion (34) présente au moins deux états, un état opérationnel et un état de défaillance, le circuit de maintenance (36) étant propre à décharger la batterie (12) jusqu’à un état de charge inférieur ou égal à une valeur de seuil lorsque le système de gestion (34) est dans l’état de défaillance, la valeur de seuil étant comprise entre 10% et 50%.
3. Batterie selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la batterie 12 comprend un dispositif d’activation (40) du circuit de maintenance (36) comportant un contact sec (76).
4. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique (18) est la résistance interne et/ou la capacité.
5. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la batterie (12) comporte, en outre, un contacteur (32) intercalé entre un pôle (24, 26) de l’au moins un élément électrochimique (18) et une borne de sortie (20, 22) et le circuit de maintenance (36) comporte une unité de contrôle du courant (54) délivré par l’au moins un élément électrochimique (18), l’unité de contrôle du courant (54) étant positionnée entre le contacteur (32) et un pôle (24, 26) de l’au moins un élément électrochimique (18).
6. Batterie selon la revendication 5, dans lequel l’unité de contrôle du courant (54) comporte un dispositif de régulation (56), le dispositif de régulation (56) étant, par exemple, un transistor.
7. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit de maintenance (36) comprend également un dispositif de protection (58) électrique du circuit de maintenance (36).
8. Batterie selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de protection (58) est un fusible.
9. Véhicule (10), notamment un aéronef (10), comportant une batterie (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Procédé de maintenance d’une batterie (12) comportant un boîtier (72), le boîtier (72) définissant un espace intérieur (74), la batterie (12) comprenant un ensemble d’éléments internes, les éléments internes étant insérés dans l’espace intérieur (74), l’ensemble d’éléments internes comportant :
- au moins un élément électrochimique (18),
- un système de gestion (34) de l’au moins un élément électrochimique (18), et
- un circuit de maintenance (36) de l’au moins un élément électrochimique (18), le circuit de maintenance (36) étant propre à obtenir une mesure d’un paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique (18), le procédé de maintenance comprenant :
- l’envoi d’une commande au circuit de maintenance (36) pour obtenir une mesure d’un paramètre relatif à l’état de santé de l’au moins un élément électrochimique (18).
EP23706630.3A 2022-02-28 2023-02-27 Batterie avec circuit de maintenance intégré, véhicule et procédé associés Pending EP4487402A1 (fr)

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