FR2707438A1

FR2707438A1 - Dispositif de chargement de batteries électriques.

Info

Publication number: FR2707438A1
Application number: FR9308473A
Authority: FR
Inventors: Chabbert Philippe; Marouby Daniel; Petit Michel
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 1995-01-13
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: DE4421749A1; FR2707438B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de chargement de batteries électriques. Le dispositif comprend des moyens (41) pour délivrer un courant de charge (I) à la batterie (2). Il est constitué en outre d'un microcontroleur (42) relié à une mémoire (45), à des interfaces (43) et à des moyens (44) de lecture de la tension (U) aux bornes de la batterie (2). Des consignes sont préalablement stockées dans la mémoire (45). La valeur du courant de charge (I) est commandée par le microcontroleur (42) par l'intermédiaire des interfaces (43), la valeur du courant de charge étant fonction de la tension aux bornes de la batterie (2) lue par le microcontroleur (42) et d'une consigne lue par le microcontroleur (42) dans la mémoire (45). Application: Chargement de batteries, notamment destinées à la traction de véhicules électriques.

Description

DISPOSITIF DE CHARGEMENT DE BATTERIES ELECTRIQUES

La présente invention concerne un dispositif de chargement de batteries électriques. Elle s'applique notamment au chargement de batteries de traction pour véhicules électriques ou aux batteries d'onduleurs. Plus généralement, elle s'applique par exemple aux chargements de batteries électriques o il est nécessaire de respecter certaines conditions propres à

la fiabilité, à la sécurité o à la durée de vie de ces dernières.

Il est connu de charger des batteries électriques en connectant celles- ci à des sources de courant jusqu'à ce qu'elles atteignent une tension nominale donnée. Un premier inconvénient de ce type de chargement est dû au fait qu'une fois chargée à cette tension nominale, les batteries continuent à consommer du courant, ce surplus de courant chargé risquant fortement de les endommager. Il est possible d'utiliser un minuteur et d'ouvrir les circuits de chargement au bout d'un temps donné, cependant en début de chargement des batteries, la charge de ces dernières n'étant pas connue, la définition de la durée de chargement devient hasardeuse. A ce premier inconvénient, s'ajoute un deuxième inconvénient ayant lui aussi pour effet de détériorer les batteries, notamment en diminuant leur durée de vie. Cet inconvénient est dû au fait que les chargements connus, notamment celui précité, ne permettent pas de respecter aisément les consignes de charges

spécifiées par les fabricants de batteries.

Le non respect de ces spécifications diminue la durée de vie de

celles-ci, quand il ne les endommage pas.

Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités, notamment en permettant le chargement des batteries conformément aux

spécifications des fabricants.

A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de chargement d'une batterie électrique, comprenant des moyens pour délivrer un courant de charge à la batterie, caractérisé en ce qu'il est constitué en outre au moins d'un microcontroleur relié à une mémoire, à des interfaces et à des moyens de lecture de la tension aux bornes de la batterie, au moins une consigne de courant de charge et de tension de la batterie étant préalablement stockée dans la mémoire, la valeur du courant de charge étant commandée par le microcontroleur par l'intermédiaire des interfaces, la valeur du courant de charge étant fonction de la tension aux bornes de la batterie lue par le microcontroleur et d'une consigne lue par le

microcontroleur dans la mémoire.

L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet de charger les batteries à leur tension nominale sans surplus de courant, qu'elle permet en outre de surveiller des paramètres de conditionnement tels que la température par exemple, qu'elle améliore le rendement électrique des opérations de chargement, qu'elle s'adapte à tous types de batteries et

qu'elle est économique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront

à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui

représentent: - la figure 1, une illustration d'un chargement d'une batterie; - les figures 2 et 3, deux exemples de consignes de chargement; - la figure 4, le synoptique d'un dispositif de chargement selon l'invention; - la figure 5, des courbes de charge préalablement stockées dans une mémoire; - la figure 6, un dispositif selon l'invention comportant des moyens de lecture de l'état d'une source d'énergie destinée au chargement d'une batterie; - la figure 7, deux spécifications de courbes de charge; - la figure 8, un dispositif selon l'invention comportant des moyens de lecture de la température de la batterie; - la figure 9, un dispositif selon l'invention comportant des moyens de correction du facteur de puissance quand la source d'énergie est un réseau d'alimentation électrique alternatif; - la figure 10, une mise en parallèle de plusieurs dispositifs selon

I''invention.

La figure 1, illustre le chargement d'une batterie électrique. La sortie d'un dispositif de chargement 1 est reliée à une batterie. Cette liaison est par exemple réalisée par deux fils, un premier étant connecté au pôle positif de la batterie et le second étant connecté au pôle négatif de la batterie. L'entrée du dispositif de chargement 1 est reliée à la sortie d'une source 3 d'énergie électrique. Cette dernière peut être par exemple un réseau de distribution électrique 50Hz, aisément disponible. Le dispositif de chargement 1 se comporte vis à vis de la batterie 2 comme une source de courant. Le dispositif de chargement comprend donc essentiellement des moyens pour délivrer un courant. Sous l'effet de son courant de charge, la

batterie 2 voit sa tension augmenter jusqu'à atteindre sa tension nominale.

Le bon entretien de la batterie, et notamment sa durée de vie, dépendent du respect de son chargement par rapport aux spécifications de chargement fournies par le fabricant. Plus le respect de ces consignes est approché, plus la batterie possède une longue durée de vie ainsi notamment qu'une

bonne fiabilité.

Les figures 2 et 3, présentent deux exemples de consignes de chargement fournies par des fabricants de batterie, ces consignes sont illustrées par des courbes donnant la tension U de la batterie en fonction du temps t et par des courbes donnant le courant de charge I de la batterie en

fonction du temps t.

Les courbes 21, 22 illustrent par exemple la consigne de chargement d'une batterie au plomb. Une courbe 21 illustre la valeur de la tension U aux bornes de la batterie, cette tension U étant fonction du courant de charge I de la batterie, ce courant I étant illustrée par une courbe 22 partant d'un courant maximum IM. Si au temps to de début de chargement de la batterie, la batterie présente à ses bornes une tension de départ Uo inférieure à sa tension nominale UN, sa tension croit jusqu'à cette dernière sous la charge du courant maximum IM, cette charge s'effectuant par exemple à courant sensiblement constant. Une fois la tension nominale UN de la batterie atteinte, le courant de charge I décroît par exemple brutalement puis plus lentement jusqu'à s'annuler. Le chargement de la batterie peut s'effectuer sous un courant supérieur au courant maximum IM spécifié par le fabricant, mais dans ce cas avec un risque de détérioration de la batterie et surtout avec pour effet notamment de diminuer la durée de

vie de la batterie.

Les courbes 31, 32 présentent un autre exemple de consigne de chargement d'une batterie. Une courbe 31 illustre la valeur de la tension U aux bornes de la batterie fonction du courant de charge I de la batterie, le

courant I étant illustré par une courbe 32.

Si au temps to de début de chargement de la batterie, cette dernière présente une tension de départ U'o à ses bornes inférieure à sa tension nominale U'N, sa tension croit par exemple jusqu'à une valeur intermédiaire Uc sous la charge d'un courant maximum I'M, cette charge s'effectuant à courant constant. Une fois cette dernière atteinte, le courant de charge décroît par exemple jusqu'à une valeur minimum Im. Pendant cette décroissance, la tension aux bornes de la batterie reste égale à une valeur constante qui est celle de la tension intermédiaire Uc. Une fois le courant minimum Im atteint, la tension aux bornes de la batterie croit par o10 exemple de nouveau, jusqu'à sa valeur nominale U'N, à courant de charge constant égal au courant minimum Im. Pour des raisons de fiabilité et de durée de vie de la batterie, notamment le courant de charge I ne doit pas

être supérieur au courant maximum 'M ou inférieur au courant minimum Im.

La figure 4, présente le synoptique d'un dispositif de chargement 1 selon l'invention. Celui-ci comprend des moyens 41 de délivrance d'un courant. Ces moyens 41, se comportant comme une source de courant vis à vis de la batterie 2 à charger, comprennent notamment des bobinages, des condensateurs et des circuits semi-conducteurs de puissance disposés selon une architecture connue de l'homme du métier. Les moyens 41 de délivrance de courant sont connectés à leur entrée de puissance à la sortie de la source 3 d'énergie électrique et sont connectés à leur sortie à l'entrée de la batterie 2 pour délivrer à celle-ci un courant de charge I. Le dispositif selon l'invention est constitué en outre d'un microcontroleur 42, d'interfaces 43, de moyens 44 de lecture de la tension U aux bornes de la batterie et

d'une mémoire 45.

Le microcontroleur 42 commande la valeur du courant de charge I délivré par les moyens 41 de délivrance par l'intermédiaire des circuits d'interfaces 43. Ceux-ci reçoivent par exemple sur un port d'entrée, une valeur numérisée de la valeur du courant de charge I à délivrer, cette valeur numérisée étant transmise par le microcontroleur. Les moyens d'interface 43

comprennent par exemple un ou plusieurs convertisseurs numérique-

analogique transformant la valeur de courant numérisée en valeur analogique. Cette dernière est par exemple ensuite transmise par des moyens d'amplification, contenus dans les circuits d'interface 43, aux moyens 41 de délivrance de courant. Dans le cas o ces derniers sont constitués de circuits de puissance à découpage et o la valeur du courant peut être commandée par un facteur de forme représentant le temps de conduction de semi-conducteurs de puissance par période de découpage, le microcontroleur peut directement délivrer la valeur numérisée du facteur de forme précitée, celle-ci étant ensuite par exemple convertie analogiquement puis amplifiée, les circuits d'amplifications du signal analogique obtenu commandant alors les semi- conducteurs de puissance. Les moyens de conversion numérique-analogique peuvent par exemple être contenus dans

le microcontroleur.

Les moyens 44 de lecture de la tension U aux bornes de la batterie 2 sont reliés au microcontroleur 42 pour permettre à celui-ci de lire

cette tension, ou du moins une valeur représentative de cette dernière.

La mémoire 45 est reliée au microcontroleur 42. Elle peut être par exemple intégrée à ce dernier. Elle contient des consignes de chargement de la batterie, notamment celles spécifiées par des fabricants. Ainsi, comme l'illustre la figure 5, des courbes de charge sont par exemple préalablement

stockées dans la mémoire 45 ayant été pour cela numérisée.

Pour réaliser cette numérisation, les courbes 21, 22, 31, 32 précitées sont par exemple échantillonnées, les valeurs d'échantillonnage étant stockées dans la mémoire 45. Ces courbes sont par exemple des courbes en tension U et en courant I du type de celles présentées par les figures 2 et 3. D'autres types de courbes de charge peuvent être évidemment stockées. Un compteur et une base de temps intégrés ou non dans le microcontroleur permettent au microcontroleur de commander le courant de charge I en fonction du temps à partir des consignes stockées dans la mémoire 45, ces consignes étant notamment les courbes de charge

précitées qui sont fonction du temps.

Comme l'illustre la figure 6, en option, le dispositif selon l'invention peut par exemple contenir des moyens 61 de lecture de l'état de la source 3, cette dernière étant par exemple un réseau d'alimentation électrique. Ces moyens 61 peuvent par exemple être des deuxièmes moyens de lecture de tension, ces moyens de lecture de tension lisant la

tension aux bornes de la source.

Selon l'état de la tension de la source, le microcontroleur peut jouer sur la commande du courant de charge I de la batterie, à condition notamment que celui-ci ne dépasse pas les limites maximum et minimum spécifiées par les consignes mémorisées. En cas de sous-tension de la source, pour surcharge par exemple, le microcontroleur peut alors diminuer

la valeur du courant de charge.

Dans le cas o la source 3 est un réseau d'alimentation électrique domestique ou industrielle, des conditions de prix avantageuses sont

généralement faites à certaines heures de la journée, la nuit notamment.

Relié à une horloge, le dispositif selon l'invention peut alors commander le courant de charge I en fonction des heures de la journées. Pour un type de courbes de charges donné, la mémoire peut par exemple stocker une courbe en tension et une courbe en courant pour les heures à tarif élevé, et stocker une courbe en tension et une courbe en courant pour les heures à tarif économique. Plus généralement, elle peut stocker des courbes adaptées à chaque tarif ou d'autres types de contraintes d'exploitation du

réseau.

La figure 7, illustre un cas d'application à deux tarifs en proposant

deux spécifications de courbes de charge.

A un premier tarif correspondent par exemple les courbes de tension 21 et de courant 22 fonctions du temps t présentées par la figure 2;

a un deuxième tarif correspondent par exemple des courbes 71, 72.

La courbe en courant 72 possède une valeur de courant maximum IMS moindre que la valeur de courant maximum IM du premier tarif. Le chargement de la batterie conformément à cette courbe en courant 72 s'opère par exemple en période de consommation électrique maximum et donc lorsqu'il est préférable de ne pas prélever des pointes de courant excessives. En cas de chargement conformément à cette courbe en courant 72, le courant de charge étant moindre, [a tension nominale UN de la batterie est atteinte au bout d'un temps plus long que dans le cas d'application de la courbe en courant 22 du premier tarif comme l'illustre la courbe en tension 71. Une fois la tension nominale UN atteinte, le microcontroleur commande la décroissance du courant de charge conformément à l'une des deux courbes en courant 22, 72 selon le tarif choisi, les courbes en courant 22, 72 et en tension 21, 71 étant stockées

dans la mémoire 45.

La figure 8 présente un mode de réalisation du dispositif 1 de chargement selon l'invention comprenant en outre des moyens 81 de lecture de la température de la batterie 2. Ces derniers peuvent notamment améliorer la qualité et l'efficacité du chargement de la batterie 2. En effet, les courbes de charge 21, 22, 31, 32, 71, 72 présentées par les figures 2, 3 et 7, ainsi que d'autres types de courbes de charges non représentées peuvent être paramétrées en fonction de la température de la batterie à charger, de telle façon par exemple qu'en cas d'augmentation de la température de la batterie, le courant de charge diminue. Les différentes courbes de charge paramétrées en fonction de la température sont par exemple stockées dans

la mémoire 45.

Dans le cas o la source d'énergie 3 est un réseau d'alimentation électrique alternatif, le dispositif 1 selon l'invention comprend par exemple des moyens 51 de correction du facteur de puissance. Ces moyens 91 absorbent le courant sinusoïdal en phase sur le réseau d'alimentation 3 afin

de limiter les harmoniques de courant et d'améliorer le facteur de puissance.

Des moyens de redressement de la tension et des moyens de filtrage sont par exemple disposés entre le réseau d'alimentation 3 et les moyens 91 de

correction du facteur de puissance.

Il peut être avantageux de permettre au dispositif selon l'invention de reconnaître le type de batterie qu'il a à charger. Dans ce cas, plusieurs consignes étant préalablement stockées dans la mémoire 45, le dispositif 1 comporte alors par exemple des moyens 92 d'identifier le type de batterie à charger de façon à savoir quelle consigne ou quelle famille de consignes lui appliquer, les consignes étant notamment fonction du type de batterie à charger, les courbes d'une famille de consignes étant par exemple paramétrées en fonction de l'état de la source 3 ou de la température de la batterie 2. Ces moyens d'identification du type de batterie à charger sont par exemple constitués d'un code à barres placé sur la batterie et caractéristique de son type, et de moyens de lecture de ce code à barres, ces moyens étant par exemple des moyens de lecture à infrarouge connus de l'homme du métier. Ces derniers sont par exemple reliés au

microcontroleur, au moyen d'une liaison série par exemple.

Le microcontroleur interprète alors le code à barres qui lui indique le type de batterie à charger. Cette interprétation est par exemple réalisée grâce à une table de correspondance mémorisée dans la mémoire 45, cette table mettant en correspondance le code à barres, détecté par le microcontroleur, avec la consigne ou la famille de consignes destinée à la batterie dont le type a été identifié. Les moyens 92 d'identification du type de batterie peuvent être constitués d'autres moyens de reconnaissance, une tension auxiliaire de la batterie par exemple, ou encore un code numérique codé sur quelques bits reliés à un port d'entrée parallèle connecté au microcontroleur, la valeur de chaque bit étant matérialisée par la connection ou non, d'un plot ou d'un cavalier à un potentiel de référence, de quelques

volts notamment.

Dans le cas o une batterie nécessite un courant de charge supérieur au courant maximum que peut délivrer un dispositif 1 selon l'invention, plusieurs dispositifs 1 de chargement selon l'invention peuvent

être mis en parallèle.

La figure 10 illustre une telle mise en parallèle. La sortie de la source 3 est reliée à l'entrée de plusieurs dispositifs 1 de chargement, leurs

sorties étant reliées en parallèle à l'entrée de la batterie 2.

La commande des courants de charge 11, 12,...I1N délivrés est par exemple attribué à un seul microcontroleur 43, lequel est relié aux moyens 44 de lecture de tension U de la batterie 2. Ce microcontroleur relié aux autres microcontroleurs indique alors à ces derniers la valeur du courant de

charge qu'ils doivent délivrer.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de chargement d'une batterie électrique (2), comprenant des moyens (41) pour délivrer un courant de charge (I) à la batterie (2), caractérisé en ce qu'il est constitué en outre au moins d'un microcontroleur (42) relié à une mémoire (45), à des interfaces (43) et à des moyens (44) de lecture de la tension (U) aux bornes de la batterie (2), au moins une consigne (21, 22, 31, 32, 71, 72) de courant de charge (I) et de tension (U) de la batterie (2) étant préalablement stockée dans la mémoire (45), la valeur du courant de charge (I) étant commandée par le microcontroleur (42) par l'intermédiaire des interfaces (43), la valeur du courant de charge (I) étant fonction de la tension aux bornes de la batterie (2) lue par le microcontroleur (42) et d'une consigne lue par le

microcontroleur (42) dans la mémoire (45).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les consignes sont constituées de courbes numérisées en courant de charge (I)

et en tension (U) aux bornes de la batterie (2), fonctions du temps (t).

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes caractérisé en ce que les consignes (21, 22, 31, 32, 71, 72) sont paramétrées en fonction de l'état d'une source (3) destinée à fournir de l'énergie électrique à la batterie (2), la sortie de la source (3) étant reliée à l'entrée des moyens (41) pour délivrer le courant de charge, des moyens (61) de lecture de l'état de la source (3) étant connectés entre cette source

et le microcontroleur (42).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que les consignes (21, 22, 31, 32, 71, 72) sont paramétrées en fonction de la température de la batterie (2), des moyens (81) de lecture de la température étant connectés entre la batterie

(2) et le microcontroleur (42).

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que les consignes (21, 22, 31, 32, 71, 72)

sont paramètrées en fonction de périodes d'utilisation.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que la source (3) est un réseau

d'alimentation électrique alternatif.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte entre la source (3) et les moyens (41) pour délivrer un courant de

charge, des moyens (51) de correction du facteur de puissance.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que les consignes (21, 22, 31, 32, 71, 72)

sont spécifiées par le fabricant de la batterie (2).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (92) d'identification du type de la batterie (2), les moyens (92) d'identification étant connectés entre la batterie (2) et le microcontroleur (42), les moyens d'identification permettant au contrôleur (42) d'identifier le type de batterie à charger et de commander le courant de charge (I) conformément à une

consigne adaptée au type de la batterie (2).

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'identification (92) sont constitués d'un code à barres appliqué sur la batterie (2) et de moyens de lecture de ce code à barres, ces moyens de lecture étant reliés au microcontroleur (42) qui lit le code à barres, la consigne à appliquer en fonction du code à barres lu étant obtenu grâce à une table de mise en correspondance du code à barres et de la consigne, la

table de correspondance étant stockée dans la mémoire (45).