FR2867319A1 - DC battery discharging device for use in automobile field, has set of tanks, where each tank has case with transistor, and current traversing transistor is adjusted to keep water in lower part of nucleated boiling zone - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE DECHARGE DE BATTERIE PAR COMMANDEBATTERY DISCHARGE DEVICE BY CONTROL
CONTINUE DE TRANSISTORS MOSCONTINUE OF MOS TRANSISTORS
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEURTECHNICAL FIELD AND PRIOR ART
L'invention concerne un dispositif de décharge de batterie. The invention relates to a battery discharge device.
Dans le domaine de l'automobile, par exemple, le dispositif selon l'invention permet de placer une batterie à courant continu dans un état de charge souhaitée plus communément appelé SOC (l'acronyme SOC provient de l'expression en langue anglaise State Of Charge ). In the automotive field, for example, the device according to the invention makes it possible to place a DC battery in a desired state of charge more commonly called SOC (the acronym SOC comes from the English language expression State Of Charge ).
La procédure de mise à SOC d'une batterie passe par la décharge de celleci à courant continu et sous une tension continue. Le courant de décharge Inom est régulé pour être égal, par exemple à la quantité Cnom/20, où Cnom est la capacité nominale de la batterie. La décharge est effectuée pendant une durée déterminée At, le couple (Inom, At) fixant le SOC de la batterie à partir d'un état initial de charge donné. The procedure of setting SOC of a battery passes by the discharge of this battery with direct current and under a continuous tension. The discharge current Inom is regulated to be equal, for example to the quantity Cnom / 20, where Cnom is the nominal capacity of the battery. The discharge is carried out for a determined duration At, the pair (Inom, At) fixing the SOC of the battery from a given initial state of charge.
Différents dispositifs mettant en uvre la décharge de batterie sont actuellement connus. Various devices implementing battery discharge are currently known.
Le brevet chinois CN 13399859 ( Automatic load change-over regulating method for battery discharge machine ) divulgue une décharge de batterie dans des résistances à coefficient de température positif (plus communément appelées résistances CTP) et dans un réseau de fils chauds. Pour obtenir un courant constant en valeur moyenne, le dispositif de décharge utilise une modulation à largeur d'impulsion (plus communément appelée modulation PWM). Le dispositif présente plusieurs inconvénients. En effet, aucun dispositif de dissipation thermique n'est spécifié pour refroidir les résistances CTP et, par ailleurs, la modulation PWM peut induire un certain nombre de problèmes sur certains types de batteries. Chinese Patent CN 13399859 discloses a battery discharge in positive temperature coefficient resistors (more commonly referred to as PTC resistors) and in a hot wire network. To obtain a constant current in average value, the discharge device uses a pulse width modulation (more commonly known as PWM modulation). The device has several disadvantages. Indeed, no heat dissipation device is specified to cool the PTC resistors and, moreover, the PWM modulation can induce a number of problems on certain types of batteries.
La demande de brevet EP 1145404 ( Method of, and circuit for, controlling the discharge of battery ) divulgue un système d'optimisation de l'énergie délivrée par une batterie. L'application est celle des téléphones mobiles, pour laquelle la gestion des consommations est primordiale pour augmenter l'autonomie des systèmes. Un processeur gère dans le temps les différents charges mises en fonctionnement, et plus particulièrement les seuils de coupure pour une batterie vieillissante. Ce dispositif ne s'applique donc pas à une régulation de courant pour une décharge à courant fixe. Par ailleurs, il ne gère pas les problèmes thermiques liés à la dissipation de l'énergie. Patent Application EP 1145404 discloses a system for optimizing the energy delivered by a battery. The application is that of mobile phones, for which the management of consumption is essential to increase the autonomy of the systems. A processor manages over time the different loads put into operation, and more particularly the cutoff thresholds for an aging battery. This device therefore does not apply to a current regulation for a fixed current discharge. Moreover, it does not manage the thermal problems related to the dissipation of the energy.
Le brevet chinois CN 1327288 ( Charge/Discharge type power supply ) divulgue un dispositif de contrôle d'un réseau de batteries et de charges reliées entre elles par des transistors MOS fonctionnant en interrupteurs (mode bloqué/saturé). Ce dispositif ne régule pas le courant, mais le filtre à dérivation du réseau (filtre by-pass). The Chinese patent CN 1327288 (Charge / Discharge type power supply) discloses a device for controlling an array of batteries and charges interconnected by MOS transistors operating as switches (blocked / saturated mode). This device does not regulate the current, but the bypass filter of the network (bypass filter).
Le brevet US 6380715 ( Electric power system ) divulgue un système de régulation de la charge électrique appliquée à une source à l'aide d'une batterie tampon et d'une charge résistive, dont la connexion est gérée en fonction de l'état de charge de la batterie. Le système ne divulgue pas de moyens de régulation du courant. Aucune contrainte thermique n'est mentionnée. US Pat. No. 6,380,715 (Electric power system) discloses a system for regulating the electric charge applied to a source by means of a buffer battery and a resistive load, the connection of which is managed according to the state of battery charge. The system does not disclose current control means. No thermal stress is mentioned.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de décharge de batterie munie de deux bornes. Le dispositif comprend: au moins un module monté entre les deux bornes de la batterie, le module comprenant un réservoir contenant un liquide non conducteur dans lequel est placé un boîtier contenant au moins un transistor MOS dont les bornes de drain et de source sont électriquement reliées, respectivement, à une première borne de la batterie et à une deuxième borne de la batterie, des moyens de commande pour placer le transistor MOS contenu dans le boîtier dans une zone de caractéristique du transistor dite zone de résistance variable et pour asservir le courant qui parcourt le transistor MOS à une valeur telle qu'un échange thermique en régime de convection naturelle avec changement de phase s'établisse dans une zone d'ébullition nucléée entre le boîtier et le liquide non conducteur. DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention relates to a battery discharge device having two terminals. The device comprises: at least one module mounted between the two terminals of the battery, the module comprising a reservoir containing a non-conductive liquid in which is placed a housing containing at least one MOS transistor whose drain and source terminals are electrically connected , respectively, at a first terminal of the battery and at a second terminal of the battery, control means for placing the MOS transistor contained in the housing in a characteristic zone of the transistor called variable resistance zone and for controlling the current which the MOS transistor is traversed to a value such that a heat exchange in natural convection regime with phase change is established in a nucleate boiling zone between the housing and the non-conductive liquid.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le dispositif comprend un circuit de commande de temps de décharge. According to a further feature of the invention, the device comprises a discharge time control circuit.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le circuit de commande de temps de décharge comprend des moyens de sécurité pour éviter une destruction de la batterie. According to another additional characteristic of the invention, the discharge time control circuit comprises safety means to prevent destruction of the battery.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens de commande comprennent un correcteur intégral commandé par une information relative au courant qui parcourt le transistor MOS. According to yet another additional characteristic of the invention, the control means comprise an integral corrector controlled by information relating to the current flowing through the MOS transistor.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le liquide non conducteur est de l'eau déminéralisée. According to yet another additional characteristic of the invention, the non-conductive liquid is deionized water.
Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le récipient est un cylindre de diamètre sensiblement égal à 10cm et contenant sensiblement 1 litre d'eau déminéralisée, une hauteur d'air sensiblement égale à 3cm étant prévue en surface de l'eau pour permettre à de la vapeur d'eau de se condenser dans le récipient. According to yet another additional feature of the invention, the container is a cylinder of diameter substantially equal to 10 cm and containing substantially 1 liter of demineralized water, an air height substantially equal to 3 cm being provided on the surface of the water for allow water vapor to condense in the container.
Le dispositif de décharge de batterie est avantageusement extensible à volonté en multipliant la mise en parallèle des modules aux bornes de la batterie. Un autre avantage de l'invention réside en ce qu'aucune source d'énergie autre que la batterie n'est utilisée. Il est alors possible de décharger la batterie en tout lieu, même là où aucune source d'énergie n'est disponible. Par ailleurs, le coût du dispositif de décharge de batterie selon l'invention est avantageusement très faible, du fait du faible coût des composants (transistors MOS et électronique de commande) qui le constituent. The battery discharge device is advantageously extensible at will by multiplying the paralleling of the modules at the terminals of the battery. Another advantage of the invention is that no energy source other than the battery is used. It is then possible to discharge the battery anywhere, even where no source of energy is available. Moreover, the cost of the battery discharge device according to the invention is advantageously very low, because of the low cost of the components (MOS transistors and control electronics) which constitute it.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
La figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de décharge de batterie selon l'invention. FIG. 1 represents a block diagram of a battery discharge device according to the invention.
La figure 2 représente un dispositif de décharge de batterie selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. FIG. 2 represents a battery discharge device according to the preferred embodiment of the invention.
La figure 3 représente une courbe de variation du coefficient d'échange calorifique de l'eau en fonction de l'élévation de température et, plus particulièrement, une zone de la courbe de variation utilisée selon l'invention. FIG. 3 represents a curve of variation of the heat exchange coefficient of water as a function of the temperature rise and, more particularly, a zone of the variation curve used according to the invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT
PREFERENTIEL DE L'INVENTION La figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de décharge de batterie selon l'invention. PREFERENTIAL OF THE INVENTION FIG. 1 represents a block diagram of a battery discharge device according to the invention.
Le dispositif comprend un ensemble de n réservoirs Ri (i=1, 2, ..., n) montés en parallèle entre les deux bornes d'une batterie 1, un ensemble de n circuits de commande de courant Ki (i=1, 2, ..., n) et un circuit de commande de temps de décharge Td. The device comprises a set of n reservoirs Ri (i = 1, 2, ..., n) connected in parallel between the two terminals of a battery 1, a set of n current control circuits K i (i = 1, 2, ..., n) and a discharge timing control circuit Td.
Chaque réservoir Ri contient un boîtier Bi immergé dans un liquide non conducteur Li. Le boîtier Bi comprend un transistor Ti de type MOS (MOS pour Metal Oxide Semi-conductor ). Les circuits de commande Ki permettent d'alimenter à courant constant les différents transistors Ti. Le circuit de commande Td règle la durée de décharge de la batterie. Le liquide non conducteur Li permet de refroidir le transistor Ti. Each reservoir Ri contains a housing Bi immersed in a non-conductive liquid Li. The housing Bi comprises a MOS transistor type MOS (Metal Oxide Semiconductor MOS). The control circuits Ki make it possible to supply the different transistors Ti with constant current. The control circuit Td sets the duration of discharge of the battery. The non-conductive liquid Li makes it possible to cool the transistor Ti.
Selon l'invention, le liquide Li est non conducteur et doit le rester lors de la décharge. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le liquide non conducteur est de l'eau déminéralisée. Pour que le liquide reste non conducteur, il ne faut pas générer de particules. Cela justifie la mise en boîtier des transistors (montage "Full Pack"). Il est alors également nécessaire de protéger du contact avec le liquide non conducteur les fils de connexion métalliques des transistors par tout moyen connu. Les récipients Ri sont également en matériaux non conducteurs, par exemple en matière plastique. Le volume et la forme des récipients sont déterminés en fonction du flux thermique moyen à évacuer. A titre d'exemple non limitatif, dans le cas d'une décharge constituée de deux transistors MOS (n=2) dissipant sensiblement 60W, un récipient Ri peut être un cylindre de 10cm de diamètre contenant sensiblement 1 litre d'eau déminéralisée et dans lequel il est prévu une hauteur d'environ 3 cm d'air en surface de l'eau pour permettre que de la vapeur puisse se condenser. According to the invention, the liquid Li is non-conductive and must remain so during the discharge. According to the preferred embodiment of the invention, the non-conductive liquid is deionized water. In order for the liquid to remain non-conductive, particles must not be generated. This justifies the packaging of transistors ("Full Pack" assembly). It is then also necessary to protect the metallic connection wires of the transistors from any contact with the non-conductive liquid by any known means. Ri containers are also non-conductive materials, for example plastic. The volume and shape of the containers are determined according to the average heat flow to be evacuated. By way of nonlimiting example, in the case of a discharge consisting of two MOS transistors (n = 2) dissipating substantially 60W, a container Ri may be a cylinder 10cm in diameter containing substantially 1 liter of demineralized water and in which is provided a height of about 3 cm of air on the surface of the water to allow steam to condense.
Selon l'invention, un échange thermique en régime de convection naturelle avec changement de phase s'établit entre le transistor MOS Ti en boîtier et le liquide Li. Le système de décharge de batterie est avantageusement autonome en énergie, puisque aucune autre source d'énergie, autre que la batterie elle- même, n'est nécessaire. Par ailleurs, le système de décharge de batterie est avantageusement extensible à volonté puisqu'il est facilement possible d'ajuster le nombre n de récipients montés en parallèle. According to the invention, a heat exchange in the natural convection regime with phase change is established between the MOS transistor Ti in the case and the liquid Li. The battery discharge system is advantageously autonomous in energy, since no other source of energy, other than the battery itself, is not necessary. Moreover, the battery discharge system is advantageously extensible at will since it is easily possible to adjust the number n of containers mounted in parallel.
Une particularité des transistors MOS est d'avoir une caractéristique de transfert ayant une partie linéaire étendue. La commande des transistors MOS dans cette partie linéaire étendue s'apparente alors à une résistance commandée. D'un composant à l'autre, il peut apparaître une dispersion relativement importante de ces parties linéaires. La mise en parallèle de transistors MOS s'avère alors délicate. Il est alors nécessaire d'asservir de façon autonome chacune des branches montées en parallèle de la batterie. A particularity of the MOS transistors is to have a transfer characteristic having an extended linear part. The control of the MOS transistors in this extended linear part then resembles a controlled resistor. From one component to the other, a relatively large dispersion of these linear parts may appear. The paralleling of MOS transistors then proves to be tricky. It is then necessary to autonomously slave each of the branches mounted in parallel with the battery.
La figure 2 représente un exemple de dispositif de décharge de batterie selon l'invention qui assure cet asservissement. Selon l'exemple de la figure 2, le dispositif comprend quatre récipients R1, R2, R3, R4 comprenant, chacun, un transistor Ti (i=1, 2, 3, 4). Le circuit de commande du transistor Ti est ici un correcteur intégral KIi (i=1, 2, 3, 4) commandé par une information de courant Ii provenant du transistor Ti. La constante de temps du correcteur intégral KIi peut être, par exemple, de l'ordre de la seconde. FIG. 2 represents an example of a battery discharge device according to the invention which provides this servocontrol. According to the example of Figure 2, the device comprises four containers R1, R2, R3, R4 each comprising a transistor Ti (i = 1, 2, 3, 4). The control circuit of the transistor Ti is here an integral corrector KIi (i = 1, 2, 3, 4) controlled by current information Ii from the transistor Ti. The time constant of the integral corrector KIi may be, for example, of the order of one second.
La figure 3 représente une courbe de variation du coefficient h d'échange calorifique de l'eau en fonction de l'élévation de température 00 et, en particulier, la zone de variation du coefficient h plus particulièrement concernée par l'invention. Le coefficient h d'échange calorifique de l'eau est exprimé en W par m x C et l'élévation de température 00 en C. Cette courbe est issue des travaux de A. Nukiyama sur les échanges de chaleur par convection 5 avec changement de phase. Elle montre une variati on importante du coefficient h. La courbe du coefficient h se divise en quatre zones. FIG. 3 represents a curve of variation of the h heat exchange coefficient of the water as a function of the temperature rise θ and, in particular, the zone of variation of the coefficient h more particularly concerned with the invention. The heat exchange coefficient h of water is expressed in W by m × C and the elevation of temperature 00 in C. This curve is derived from the work of A. Nukiyama on convective heat exchange 5 with phase change. . It shows an important variati on of the coefficient h. The curve of the coefficient h is divided into four zones.
- une zone A-B de convection naturelle; une zone B-C-D d'ébullition nucléée; - une zone D-E d'ébullition instable; - une zone E-F-G de vaporisation pelliculaire. a zone A-B of natural convection; a nucleate boiling zone B-C-D; an unstable boiling zone D-E; an E-F-G zone for film spraying.
Selon l'invention, le courant qui parcourt les transistors MOS est réglé de façon à placer le liquide non conducteur Li qui emplit les réservoirs Ri dans la zone d'ébullition nucléée B-C-D et, préférentiellement, dans la partie basse de la zone d'ébullition nucléée B-C qui est hachurée sur la figure 3. Il est alors possible de bénéficier de la chaleur latente de l'eau et, en conséquence, d'extraire le flux thermique à dissiper par le transistor en s'affranchissant du problème classique de capacité thermique du radiateur. En outre, le fait de travailler dans la partie basse de la courbe assure avantageusement une stabilité thermique qui permet d'éviter tout emballement thermique et, partant, le claquage du composant. According to the invention, the current flowing through the MOS transistors is adjusted so as to place the non-conducting liquid Li which fills the reservoirs Ri in the nucleate boiling zone BCD and, preferably, in the lower part of the boiling zone. nucleate BC which is hatched in FIG. 3. It is then possible to benefit from the latent heat of the water and, consequently, to extract the thermal flux to be dissipated by the transistor while avoiding the conventional thermal capacity problem. of the radiator. In addition, the fact of working in the lower part of the curve advantageously provides thermal stability that prevents thermal runaway and, therefore, the breakdown of the component.
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