FR2543367A1

FR2543367A1 - Battery of cells with end-of-life signal, formed of elements connected in series

Info

Publication number: FR2543367A1
Application number: FR8304749A
Authority: FR
Inventors: Claude Imhoff
Original assignee: Gipelec SA
Current assignee: Gipelec SA
Priority date: 1983-03-23
Filing date: 1983-03-23
Publication date: 1984-09-28
Also published as: FR2543367B1

Abstract

This battery of cells with end-of-life signal is formed of N elements connected in series and split into two groups 10 and 20. The number N is determined by the desired nominal voltage. The first group 10 brings together a small number n of elements with a capacitance CA corresponding to the minimum lifetime desired for the battery in its end-use framework and produces a small but easily detectable voltage, the disappearance of which constitutes the end-of-life signal. The second group 20 brings together the N-n remaining elements, with a capacitance CB greater than that CA of the elements of the first group and produces a voltage lower than the nominal voltage but still sufficient for the end use, the difference of the capacitances CB-CA being determined by the desired duration of the end-of-life signal. A diode 30 mounted in parallel, in the sense which does not cross over the first group of elements 10, short-circuits the latter when it is discharged.

Description

Batterie de piles à signal de fin de vie formée d'éléments connectés en série
De nombreux équipements électriques pour signalisation, téléphone, alarme, sont alimentés par des générateurs primaires constitués d'un groupage en série de piles électrochimiques. Dans les applications de sécurité, il est nécessaire d'avoir un moyen de prévoir l'approche de la fin de décharge du générateur afin de pouvoir procéder à son remplacement à temps.End-of-life signal battery consisting of elements connected in series
Many electrical equipment for signaling, telephone, alarm, are powered by primary generators consisting of a grouping in series of electrochemical cells. In safety applications, it is necessary to have a means of predicting the approach of the end of discharge of the generator so that it can be replaced in time.

Avec les piles électrochimiques à tension de décharge décroissante en fonction du temps, cas des couples Zinc/Bioxyde de manganèse en milieu salin ou à tension de décharge présentant deux paliers, cas des couples
Lithium/Chromate d'argent, le suivi de la tension en cours de fonctionnement permet facilement de prévoir l'approche de la fin de décharge du générateur. Il n'en va pas de même avec les piles électrochimiques à tension de décharge constante en fonction du temps, cas du couple
Zinc/air alcalin, dvautant plus que, dans un montage série, l'épuisement d'un élément entraîne une chute de tension très supérieure à la tension nominale de cet élément (phénomène d'inversion) et donc une chute encore plus brutale de la tension de l'ensemble.With electrochemical cells with decreasing discharge voltage as a function of time, case of Zinc / Manganese dioxide pairs in saline medium or with discharge voltage having two stages, case of couples
Lithium / Silver chromate, monitoring the voltage during operation makes it easy to predict the approach of the end of discharge of the generator. It is not the same with electrochemical cells with constant discharge voltage as a function of time, case of the torque
Zinc / alkaline air, dvoit more than, in a series assembly, the exhaustion of an element involves a drop in tension much higher than the nominal tension of this element (phenomenon of inversion) and thus an even more brutal drop of the tension of the whole.

La présente invention a pour but une batterie de piles qui soit formée d'un groupage en série d'éléments ou de blocs d'éléments en paral le le et qui présente, même dans le cas d'éléments à tension de décharge constante, une tension globale de décharge à deux paliers, un premier palier correspondant à la tension nominale de fonctionnement normale de la batterie et un deuxième palier à l'approche de la fin de décharge de la batterie correspondant à une tension inférieure à la tension nominale mais encore suffisante pour l'utilisation. The object of the present invention is a battery of cells which is formed by a grouping in series of cells or blocks of cells in parallel and which, even in the case of cells with constant discharge voltage, overall discharge voltage at two levels, a first level corresponding to the nominal normal operating voltage of the battery and a second level near the end of the battery discharge corresponding to a voltage lower than the nominal voltage but still sufficient for use.

Elle a pour objet une batterie de piles à signal de fin de vie formée de N éléments ou blocs d'éléments en parallèle connectés en série et répartis en deux groupes, N étant déterminé par la tension nominale désirée, un premier groupe rassemblant un petit nombre n d'éléments ou de blocs d'une capacité CA qui correspond à la durée de vie minimale souhaitée pour la batterie dans le cadre de son utilisation et engendrant une tension faible mais facilement détectable dont la disparition constitue le signal de fin de vie de la batterie, et un deuxième groupe de N-n éléments ou de blocs d'une capacité CB supérieure à celle CA des éléments ou blocs précédents, engendrant une tension inférieure à la tension nominale de la batterie d'une amplitude encore suffisante pour l'utilisation, la différence de capacité COB CL étant déterminée en fonction de la durée souhaitée du signal de fin de vie. It relates to a battery of end-of-life signal batteries formed of N cells or blocks of cells in parallel connected in series and divided into two groups, N being determined by the desired nominal voltage, a first group gathering a small number n of elements or blocks with an AC capacity which corresponds to the minimum lifespan desired for the battery in the context of its use and generating a low but easily detectable voltage whose disappearance constitutes the end of life signal of the battery, and a second group of Nn elements or blocks with a capacity CB greater than that CA of the preceding elements or blocks, generating a voltage lower than the nominal voltage of the battery of an amplitude still sufficient for use, the COB CL capacity difference being determined as a function of the desired duration of the end-of-life signal.

Une ou plusieurs diodes sont montées en parallèle, dans le sens non traversant, sur le premier groupe de blocs d'éléments afin de court-circuiter la résistance élevée qu'ils présentent lorsqu'ils sont déchargés. One or more diodes are mounted in parallel, in the non-traversing direction, on the first group of element blocks in order to short-circuit the high resistance which they present when they are discharged.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des revendications jointes et de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel - la figure 1 est un ensemble de diagrammes illustrant les formes des tensions de décharge en cours de fonctionnement d'éléments de piles de même capacité réalisées avec différents couples électrochimiques, - la figure 2 représente le schéma électrique d'une batterie de piles selon l'invention - et la figure 3 est un diagramme illustrant la forme de la tension de décharge en cours de fonctionnement d'une batterie selon l'invention formée de piles utilisant le couple zinc/air alcalin. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the appended claims and from the description below of an embodiment given by way of example. This description will be made with reference to the drawing in which - FIG. 1 is a set of diagrams illustrating the shapes of the discharge voltages during operation of cells of the same capacity produced with different electrochemical couples, - FIG. 2 represents the electrical diagram of a battery of batteries according to the invention - and FIG. 3 is a diagram illustrating the shape of the discharge voltage during operation of a battery according to the invention formed of batteries using the zinc / alkaline air couple .

Les diagrammes de la figure 1 illustrent les variations des tensions de décharge en cours de fonctionnement d'éléments de piles de même capacité réalisées avec différents couples électrochimiques, en a un couple Zinc/Bio#yde de manganèse, en b un couple Lithium/Chromate d'argent et en c un couple Zinc/air alcalin. Il est clair, qu'avec un couple Zinc/Bioxyde de manganèse où la tension de fonctionnement décroit régulièrement au cours du temps ou avec un couple Lithium/Chromate d'argent où la tension de fonctionnement passe par deux paliers successifs avant de chuter brutalement, il est facile de prévoir l'approche de fin de décharge par la détection de franchissement d'un seuil par la tension de fonctionnement.Il n'en va pas de même avec un couple tel que Zinc/air alcalin où la tension de fonctionnement reste pratiquement constante pendant toute la décharge avant de s'effondrer brutalement. The diagrams in FIG. 1 illustrate the variations in the discharge voltages during operation of cells of the same capacity produced with different electrochemical couples, in a a Zinc / Bio # yde couple of manganese, in b a Lithium / Chromate couple of silver and in c a Zinc / alkaline air couple. It is clear, that with a Zinc / Manganese dioxide couple where the operating voltage decreases regularly over time or with a Lithium / Chromate silver couple where the operating voltage passes through two successive stages before dropping sharply, it is easy to predict the approach of end of discharge by the detection of crossing of a threshold by the operating voltage. It is not the same with a couple such as Zinc / alkaline air where the operating voltage remains practically constant throughout the discharge before collapsing suddenly.

Pour permettre néanmoins de prévoir l'approche de fin de décharge dans le cas d'une batterie formée par la mise en série de piles à tension de décharge constante on recrée au niveau de la batterie une tension de décharge àvdeux paliers par la combinaison d'éléments de piles de capacités différentes. Cette batterie comporte, comme représentée à la figure 2, N éléments de piles à tension de décharge constante connectés en série et répartis on deux groupes 10 et 20, l'un 10 rassemblant un petit nombre n éléments en série d'une capacité CA qui correspond à la durée souhaitée pour le premier palier de décharge et engendrant une tension égale à la différence de tension souhaitée entre les deux paliers de décharge, et l'autre 20 rassemblant les N-n éléments restants d'une capacité CB supérieure à celle CA des éléments du premier groupe.Une diode de contournement 30 est montée en parallèle, dans le sens bloqué, sur le groupe 10 des éléments de piles de moindre capacité CA
La figure 3 illustre la variation de la tension de décharge de la batterie précédente au cours de son fonctionnement. Cette tension commence par rester pratiquement constante tant que la batterie n'a pas délivré une capacité CA. Arrivée à ce stade, elle chute brutalement d'une quantité A U en raison de l'épuisement du groupe 10 des éléments de pile de moindre capacité. Elle se maintient ensuite, sensiblement au nouveau niveau atteint, jusqu'à ce que la batterie ait délivré une capacité CB après quoi, le deuxième groupe 20 d'éléments de piles s'épuise à son tour provoquant une chute brutale de la tension délivrée.To allow nevertheless to foresee the approach of end of discharge in the case of a battery formed by the placing in series of batteries with constant discharge voltage, a discharge voltage is recreated at two levels by the combination of battery cells of different capacities. This battery comprises, as shown in FIG. 2, N cells of constant discharge voltage cells connected in series and divided into two groups 10 and 20, one 10 gathering a small number n cells in series with an AC capacity which corresponds to the desired duration for the first discharge stage and generating a voltage equal to the desired voltage difference between the two discharge stages, and the other 20 gathering the Nn remaining elements of a capacity CB greater than that of the elements of the first group. A bypass diode 30 is mounted in parallel, in the blocked direction, on group 10 of the cells of lower AC capacity.
FIG. 3 illustrates the variation of the discharge voltage of the preceding battery during its operation. This voltage begins to remain practically constant until the battery has delivered AC capacity. Arriving at this stage, it drops suddenly by an AU quantity due to the exhaustion of group 10 of the lower capacity stack cells. It then remains, substantially at the new level reached, until the battery has delivered a capacity CB after which, the second group 20 of battery cells in turn depletes causing a sudden drop in the voltage delivered.

Lorsque le groupe 10 de n éléments de piles de moindre capacité est épuisé, il présente une résistance interne considérable qui est shuntée par la diode de contournement 30. Cette diode 30 limite la chute de tension t U entre les deux paliers de décharge à
#U:nU +
A
UA étant la tension aux#bornes de chaque élément du groupe 10 et g V la chute de tension dans la diode 30 lorsqu'elle est saturée. Cette dernière peut être remplacée par une série de diodes montées chacune en parallèle sur chaque élément de moindre capacité. La chute de tensinon & V est alors à multiplier par le nombre de diodes. Là où les diodes peuvent être mises en place lors du groupage des piles ou lors de la fabrication dans le cas d'une batterie.When the group 10 of n smaller capacity battery cells is exhausted, it exhibits a considerable internal resistance which is shunted by the bypass diode 30. This diode 30 limits the voltage drop t U between the two discharge bearings at
#U: nU +
AT
UA being the voltage at the # terminals of each element of group 10 and g V the voltage drop in diode 30 when it is saturated. The latter can be replaced by a series of diodes each mounted in parallel on each element of lower capacity. The fall in tensinon & V must then be multiplied by the number of diodes. Where the diodes can be installed during grouping of the batteries or during manufacture in the case of a battery.

Les capacités CA et CB peuvent être obtenues selon leur valeur, à partir d'un seul élément ou d'un bloc de plusieurs éléments en parallèle. Capacities CA and CB can be obtained according to their value, from a single element or from a block of several elements in parallel.

Le choix de la capacité CA est dicté par le courant d'utilisation et la durée souhaitée du premier palier de décharge, celui de la capacité CB par le courant d'utilisation et la durée globale souhaitée des premier et deuxième paliers de décharge, celui du nombre N-n d'éléments de piles ou de blocs d'éléments de pilesen parallèle de capacité CB du groupe 20 de manière à obtenir#avec ces seuls éléments de piles un niveau de tension encore compatible avec l'utilisation et celui du nombre n d'éléments de piles ou de blocs d'éléments de piles en parallèle de capacité CA par l'amplitude hU de la chute de tension souhaitée entre les deux paliers de décharge, cette amplitude devant être suffisante pour que le passage du premier au deuxième palier de décharge soit facilement détecté.The choice of the AC capacity is dictated by the use current and the desired duration of the first discharge stage, that of the CB capacity by the use current and the desired overall duration of the first and second discharge stages, that of the number Nn of battery cells or blocks of battery cells in parallel with capacity CB of group 20 so as to obtain # with these battery cells alone a voltage level still compatible with the use and that of the number n of cells or blocks of cells of cells in parallel with capacity CA by the amplitude hU of the desired voltage drop between the two discharge stages, this amplitude having to be sufficient for the passage from the first to the second discharge stage is easily detected.

Dans la pratique il faut également, prendre en considération des contraintes à la fois économiques et volumiques qui n'autorisent pas une fixation arbitraire des quantités de matières actives telles que les durées souhaitées pour les deux paliers de décharge soient effectivement obtenues. En outre, les capacités théoriques introduites, calculables électrochimiquement avec précision ne sont restituées qu'avec un coefficient de rendement inférieure à un et une dispersion naturelle répondant à une loi de probabilité gaussienne.Le choix des capacités CA et CB des deux groupes d'éléments de piles s'effectue en optimisant les risques au niveau choisi dans le cadre de cette loi de probabilité à partir des relations
i T1 = CA - k16 A i T2 = (cob 2 k26 B) - (CA + k3 6 )
T2 : (CB k G ) 3 A dans lesquelles
i est le courant moyen d'utilisation,
T1 est la durée du premier palier de décharge de la batterie,
T2 est la durée du deuxième palier de décharge de la batterie, 6
A A et 6 B les écarts types respectifs des capacités pratiques obtenues pour les deux familles d'éléments,
k1, k2 et k3 sont des coefficients correspondant au niveau des probabilités désirées.In practice, it is also necessary to take into account both economic and volume constraints which do not allow an arbitrary fixing of the quantities of active materials such that the durations desired for the two discharge stages are actually obtained. In addition, the theoretical capacities introduced, which can be calculated electrochemically with precision, are only restored with a coefficient of efficiency less than one and a natural dispersion responding to a Gaussian probability law. The choice of capacities CA and CB of the two groups of elements of batteries is carried out by optimizing the risks at the level chosen within the framework of this probability law from relationships
i T1 = CA - k16 A i T2 = (cob 2 k26 B) - (CA + k3 6)
T2: (CB k G) 3 A in which
i is the average current of use,
T1 is the duration of the first battery discharge stage,
T2 is the duration of the second battery discharge stage, 6
AA and 6 B the respective standard deviations of the practical capacities obtained for the two families of elements,
k1, k2 and k3 are coefficients corresponding to the level of the desired probabilities.

Par exemple, dans le cas où l'on désire une batterie de 6 éléments de pile Zinc/air alcalin pouvant débiter un courant de 130 mA avec une tension située dans une plage de 7,5 volts à 5 volts compatible avec l'utilisation et ayant un premier palier de décharge d'une durée supérieure à 1000 heures et un deuxième palier de décharge d'une durée supérieure à 25 heures, le premier groupe d'éléments 10 se réduira à un seul shunté par une diode La chute de tension entre les deux paliers de décharge constituant le signal de fin de vie sera celle d'un élément (1,2 volts) augmentée de la tension de saturation de la diode (0X25 volt). For example, if you want a battery of 6 Zinc / alkaline air cell elements capable of delivering a current of 130 mA with a voltage in the range of 7.5 volts to 5 volts compatible with the use and having a first discharge level lasting more than 1000 hours and a second discharge level lasting longer than 25 hours, the first group of elements 10 will be reduced to a single shunted by a diode The voltage drop between the two discharge stages constituting the end-of-life signal will be that of an element (1.2 volts) increased by the saturation voltage of the diode (0X25 volt).

Pendant le premier palier la batterie fournira environ 7,2 volts et pendant le deuxième 5,7 volts.During the first stage the battery will supply approximately 7.2 volts and during the second 5.7 volts.

L'analyse statistique des résultats expérimentaux permet de vérifier le caractère gaussien de la loi de probabilité et d'estimer les écarts types respectifs à :
6
6 A = 6 Ah B : '1,7 Ah
En prenant pour objectif une probabilité de respect des seuils minimaux pour T1 et T2 de l'ordre de 0,99 on aboutit aux valeurs 3 pour le coefficient k1 et 1,5 pour les coefficients k2 et k3.Statistical analysis of the experimental results makes it possible to verify the Gaussian nature of the probability law and to estimate the respective standard deviations at:
6
6 A = 6 Ah B: '1.7 Ah
By taking as objective a probability of compliance with the minimum thresholds for T1 and T2 of the order of 0.99, we arrive at values 3 for the coefficient k1 and 1.5 for the coefficients k2 and k3.

L'application de ces diverses valeurs aux deux relations précédentes permet d'obtenir pour la capacité CA la valeur de 150 Ah et pour la capacité C B la valeur de 170 Ah. The application of these various values to the two preceding relations makes it possible to obtain for the capacity CA the value of 150 Ah and for the capacity C B the value of 170 Ah.

Bien entendu, on peut, sans sortir du cadre de l'invention -modi- fier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. Of course, it is possible, without departing from the scope of the invention - to modify certain provisions or to replace certain means by equivalent means.

Claims

1 / Battery of end-of-life signal batteries formed by N blocks of parallel battery cells connected in series to obtain the desired nominal voltage, each block being able to be reduced to a single cell, characterized in that said N blocks are divided into two groups, a first group (10) gathering a number n of blocks with an AC capacity which corresponds to the minimum desired lifetime for the battery in the context of its use and generating a voltage whose disappearance constitutes the end-of-life signal, and a second group (20) of Nn blocks with a capacity CB greater than that CA of the blocks of the preceding group (10) generating an amplitude voltage alone sufficient for use, the difference in CB-CA capacities being determined as a function of the duration of the end-of-life signal.

2 / battery of batteries according to claim 1, characterized in that a diode (30) is connected in parallel in the non-traversing direction, on the first group (10).

3 / battery of batteries according to claim 1, characterized in that a diode is connected in parallel, in the non-traversing direction, on each block of the first group (10).

4 / Battery of batteries according to one of the preceding claims characterized in that its batteries are of the Zinc / alkaline air type.