FR2878381A1 - Procede de charge d'une batterie - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un procédé de charge d'une batterie (3) comportant une phase de charge (23) avec un courant régulé (Ic), en laissant la tension (Ubat) varier librement, tant que ladite tension est en-dessous d'une tension seuil (U1). Selon l'invention, le signal du courant de charge (lc) est du type en rampe permettant de charger efficacement la batterie (3) tout en ne bornant pas l'intensité dudit courant de charge.L'invention trouve son application notamment dans le domaine de l'automobile.
Description
Procédé de charge d'une batterie
L'invention se rapporte à un procédé de charge rapide d'une batterie.
Dans les procédés de charge de batterie, il existe deux types de famille. La première vise à optimiser le rendement énergétique et faradique de la charge. Le rendement énergétique doit être compris dans les explications ci-après comme le rapport entre le nombre de watts/heure délivré par la batterie chargée sur le nombre de watts/heure utilisé pour o charger cette batterie. Le rendement faradique doit être compris dans les explications ci-après comme le rapport entre le nombre d'ampères/heure fourni par la batterie lorsqu'elle se décharge sur le nombre d'ampères/heure fourni à la batterie lors de sa charge. Cette première famille vise donc à optimiser la charge de la batterie. Un procédé connu de cette première famille résulte en une charge à l'aide d'un courant faible constant. Cela a cependant pour conséquence de nécessiter un temps de charge long.
La deuxième famille est du type charge rapide. En effet, contrairement à la première famille, elle privilégie le raccourcissement du temps de charge. Un procédé connu selon cette famille résulte en une charge à tension constante en laissant le courant varier librement. Si le temps de charge est considérablement raccourci, cela a cependant pour conséquence des rendements énergétique et faradique très mauvais, ce qui, au final, accélère le vieillissement de la batterie.
Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un procédé de charge rapide d'une batterie de rendement énergétique et faradique similaire à celui de ladite première famille.
A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de charge d'une batterie comportant une phase de charge avec un courant régulé, en laissant la tension varier librement, tant que ladite tension est en- dessous d'une tension seuil caractérisé en ce que le signal du courant de charge est du type en rampe permettant de charger efficacement la batterie tout en ne bornant pas l'intensité dudit courant de charge.
Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - le procédé comporte plusieurs phases successives de ladite charge avec un courant régulé jusqu'à ce que la capacité nominale de la batterie soit atteinte pour permettre de o charger rapidement et efficacement la batterie - dans une première variante, la pente de!ladite rampe de courant est identique entre deux desdites phases de charge; dans une deuxième variante, la pente de ladite rampe de courant est différente entre deux desdites phases de charge et, préférentiellement, la pente de ladite rampe de courant décroît entre la première et la dernière desdites phase de charge; - la pente de ladite rampe de courant régulé est continue lors 20 d'au moins une desdites phases de charge; - la pente de ladite rampe de courant régulé est discontinue lors d'au moins une desdites phases de charge, ladite rampe de courant régulé comportant au moins deux pentes différentes consécutives, la dernière pente étant plus faible que la première afin d'éviter le dépassement de ladite tension seuil; - ladite tension seuil est la tension maximale de la batterie; -le procédé comporte, en outre, une phase finale de charge avec une tension régulée par rapport à une tension de consigne en laissant varier librement le courant jusqu'à une valeur seuil ou pendant une durée prédéfinie pour permettre une charge plus complète de la batterie; - ladite tension de consigne est la tension maximale de la batterie.
D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquelles: s - la figure 1 est une représentation schématique du système de charge conforme à l'invention; - la figure 2 est un organigramrne d'un procédé de charge conforme à l'invention; - la figure 3 est un graphique représentant un exemple de io charge conforme à l'invention.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, on peut voir un système de charge conforme à l'invention généralement annoté 1. Il est utilisé pour charger un accumulateur d'électricité, c'est-à-dire une batterie 3 entre ses bornes 5 et 7.
Le système de charge 1 comporte principalement des moyens de détection 9 et un dispositif de régulation de la charge 11. Les moyens de détection comportent principalement un voltmètre 13 monté en parallèle entre les bornes 5 et 7 de la batterie 3 et un ampèremètre 15 monté en série entre le dispositif de régulation de la charge 11 et la batterie 3. Ils permettent de détecter respectivement Ubat et Ic, c'est-à-dire respectivement la tension aux bornes de la batterie 3 et le courant qui y transite.
Le dispositif de régulation de la charge 11 comporte essentiellement une unité de commande 17, une mémoire de stockage de procédés 19 et une source d'alimentation 21. L'unité de commande 17 reçoit en permanence les informations des moyens de détection 9 ce qui lui permet de déterminer entre autre la totalité d'ampère/heure et de watt/heure qui transitent entre la batterie 3 et le dispositif de régulation de la charge 11. En fonction de ces données, elle est alors apte à commander la source d'alimentation 21 en suivant un des procédés enregistrés dans la mémoire de stockage de procédés 19.
Dans l'exemple illustré à la figure 2, on peut voir un organigramme de procédé de charge conforme à l'invention. Lors de la phase 23, l'unité de commande 17 gère la source d'alimentation 21 en fonction de la mémoire de stockage 19 pour appliquer à la batterie 3 une charge de courant régulé.
Le signal du courant le est du type en rampe, c"est-à-dire qu'au cours de la charge, l'unité de commande 17 gère ce signal, grâce à l'ampèremètre 15 et à la source d'alimentation 21, de façon à ce qu'il croisse continûment en fonction du temps en io partant de zéro. Cette rampe de courant I, de charge est appliquée par l'unité de commande 17 jusqu'à que ce que cette dernière détecte, au moyen du voltmètre 13, qu'une tension seuil U1 aux bornes de la batterie 3 est atteinte, c'est-à-dire lorsque la tension Ubat égale la tension U1.
Préférentiellement, cette tension seuil U1 est la tension maximum Umax de la batterie 3 (variable suivant sa construction), c'est-à-dire la tension à partir de laquelle des réactions secondaires sont générées dans la batterie 3. Ces réactions ne doivent, en effet, pas intervenir car elles sont synonymes de pertes d'énergie par chaleur et, comme expliqué ciavant dans le cas des procédés de charge de la deuxième famille, de rendement énergétique et faradique médiocre.
Grâce à ce procédé de charge, le courant I, de charge peut donc atteindre de hautes valeurs instantanées sans pour autant être néfaste à l'état de santé de la batterie 3 ou à la charge elle-même.
Lorsque la tension seuil U1 de la phase 23 est atteinte, l'unité de commande initie la phase 25. Lors de cette dernière, l'unité de commande 17 vérifie si le total d'ampères/heure déjà 3o fournis par la source d'alimentation 21 est supérieur ou égale à la capacité nominale Cnom de la batterie 3. Cette valeur est, comme la tension maximale Umax, une grandeur dépendante de la construction de la batterie 3. A titre d'exemple, une batterie de type prismatique qui comporte six éléments du type NickelMétal-Hydrure (ci-après NiMH) possède généralement une tension nominale Unom de 7,2 volts, une tension maximale Umax de 9 volts et une capacité nominale Cnom de 6,5 ampères/heure.
Ainsi lors de la phase 25, si la capacité nominale Cnom de la batterie 3 en cours de charge n'est pas dépassée, c'est-à-dire strictement inférieure, l'unité de commande 17 initie à nouveau la phase 23. De manière préférée, la phase 23 est réinitialisée uniquement quand la tension Ubat entre les bornes 5 et 7 est inférieure à la tension maximale Umax de la batterie 3.
o La pente P de la rampe de courant I, doit être choisie en fonction de la batterie 3 à charger. En effet, suivant les réponses en charge de courant Ic, la tension seuil U1 est atteinte plus ou moins rapidement. Ainsi d'une part, il est intéressant d'utiliser une pente P abrupte pour améliorer la rapidité de charge de chaque phase 23. Mais d'autre part, une pente P trop inclinée, c'est-à-dire trop verticale, induit une quantité de courant aux bornes de la batterie telle qu'une partie de l'énergie électrique est dissipée sous forme de chaleur ce qui au global détériore la qualité de charge du procédé de charge. A titre d'exemple, pour la batterie NiMH citée ci-avant, un bon compromis de pente P est compris entre 0,25 et 0,35 ampère/seconde.
Préférentiellement, la pente P de rampe de courant I, entre deux phases 23 consécutives est différente. Ainsi de manière préférée, les pentes P entre la première rampe de courant le et la dernière rampe décroissent successivement, c'est-à-dire que le nombre d'ampère/seconde de la pente P est diminuée entre la première et la dernière phase 23 du procédé de charge pour permettre le raccourcissement du temps de 3o charge.
La phase 23 est par conséquent répétée jusqu'à ce que le dispositif de régulation de la charge 11 fournisse à la batterie 3 l'équivalent de sa capacité nominale Cnom. Cela permet d'éviter la détérioration de la batterie 3 en ne dépassant pas ses caractéristiques électriques. En effet, une surcharge trop importante (dépassement de plus de 10 ro de Cnom par exemple) risque d'engendrer un échauffement néfaste aux performances de la batterie.
Préférentiellement, lorsque la condition de la phase 25 est remplie, l'unité de commande 17 initie la phase finale 27. Cette dernière consiste en une charge en tension régulée par rapport à une tension consigne Ucons en laissant le courant I, varier librement. Ainsi, l'unité de commande 17 impose, grâce au voltmètre 13 et à la source d'alimentation 21, une tension Io Ubat constante aux bornes 5 et 7 par rapport à une tension consigne Ucons. Cela permet de compléter la charge de la batterie 3 de manière optimale.
De manière préférée, l'unité de commande 17 régule la tension Ubat jusqu'à ce qu'elle détecte, au moyen de l'ampèremètre 15, un courant le qui descende jusqu'à une valeur seuil Il prédéterminée. De plus, la tension Ucons est choisie égale à la tension maximale Umax de la batterie en cours de charge. En effet, lorsque cette tension Ucons est maintenue, le courant I, aux bornes de la batterie 3 diminue car l'impédance interne de la batterie augmente. Enfin, lorsque le courant seuil Il est atteint aux bornes de la batterie 3, le procédé de charge est arrêté, la batterie est alors complètement chargée.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les pentes P des rampes de courant lors de la phase peuvent ne pas être continues. En effet, pour chaque phase 23, au moins deux pentes P, P' peuvent être prévues consécutivement pour notamment éviter de dépasser la tension seuil U, de la batterie 3. Ainsi la première pente P posséderait, par exemple, un nombre d'ampères/seconde supérieur à la deuxième pente P', le passage de la pente P à P' se faisant lorsque la tension Ubat se rapprocherait d'un intervalle déterminé par rapport à la tension seuil U1. Cela pourrait notamment être utile pour freiner l'augmentation de la tension Ubat au voisinage de la tension seuil U1 afin d'autoriser à l'unité de commande 17 une gestion facilitée de son approche. Néanmoins, la pente P de la rampe peut être continue pour simplifier le nombre de procédés à enregistrer dans la mémoire de stockage 19.
Il peut également être prévu une phase initiale visant à identifier la tension Umax et la capacité nominale Cnom de la batterie 3. Cette phase pourrais: être rendue possible par exemple en enregistrant une base de données des caractéristiques de batteries connues dans la mémoire de i0 stockage 19. L'opérateur n'aurait alors qu'à choisir, parmi les références de la base de données, le type de batterie qu'il souhaite charger.
De plus lors de la phase 23, la valeur initiale du courant le de charge peut être différente de zéro. II est également possible d'intervertir la condition de fin de la phase 27 en modifiant la détection d'un courant seuil Il par un maintien pendant une durée prédéterminée. De la même manière, la condition de fin de la phase 25 pourrait être une durée prédéterminée mais également un nombre de répétitions prédéterminées de la phase 23 en remplacement du dépassement de la capacité nominale Cnom de la batterie 3 en cours de charge.
Dans l'exemple illustré à la figure 3 est représenté un graphique des mesures réalisées lors de l'application d'un procédé conforme à l'invention. Le procédé de charge a été appliqué sur une batterie NiMH dont les caractéristiques sont Unom = 7,2 V, Umax = 9,0 V et Cnom = 6,5 A/h.
Les paramètres choisis pour le procédé sont: - les pentes P de rampe de courant le de la charge sont choisies continues, identiques entre chaque phase 23 et 3o égales à 0,294 A/h en partant de la valeur zéro; - la tension seuil U, de chaque phase 23 est égale à la tension maximum Umax de la batterie 3, c'est-à-dire 9 V; - la condition de la phase 25 est choisie comme le dépassement de la capacité nominale Cnom de la batterie 3.
On peut voir que les paramètres choisis ont impliqués une répétition de vingt-sept rampes de courant I, selon la phase 23 dont la première rampe culmine à cinquante ampères et un temps de charge de vingt-huit minutes.
Suite à cette expérience, des tests permettant de calculer les rendements ont été réalisés afin de vérifier si les rendements énergétiques (ciaprès RE) et faradiques (RF) sont bien similaires à ceux des procédés de charge de la première famille citée ci-dessus, de comparer les temps de charge puis ro de vérifier l'influence de la température sur la durée de charge.
Les tests pour déterminer les rendements ont été réalisés par rapport à un procédé de charge à courant constant de 3 A (procédé du type de première famille) jusqu'à ce qu'une tension seuil U1 soit dépassée. Cette valeur U, est choisie comme la tension maximale Uma,< de la batterie 3. Pour les deux protocoles, on procède à la charge d'une batterie identique puis on attend une heure avant de les décharger à la capacité nominale Cnom de la batterie 3.
On peut alors en déduire les rendements suivants: RF 0 C 20 C 40 C selon l'invention 90,2 % 97,0 % 98,8 % première famille 89,7 % 96,4 % 98, 3 0/0 RE 0 C 20 C 40 C selon l'invention 74,8 % 84,2 % 85,7 % première famille 75,4 % 85,0 % 85,8 % On remarque que les rendements sont effectivement similaires entre le procédé conforme à l'invention et le procédé de la première famille expliqué ci-dessus.
Les temps de charge sont les suivants: 1 temps de charge 0 C 20 C 40 C selon l'invention 40 min 24 min 23 min première famille 120 min 120 min 120 min s On peut voir que le procédé de charge de la première famille n'est pas sensible à la température environnante contrairement à celui du procédé conforme à l'invention. Néanmoins, le temps de charge du procédé conforme à l'invention est au minimum trois fois plus rapide, c'est-àdire io qu'il est possible de charger trois fois plus de batteries dans le même temps.
En conclusion, le procédé de charge conforme à l'invention est particulièrement efficace lorsqu'il est réalisé à des températures entre vingt et quarante degrés.
Claims (12)
1. Procédé de charge d'une batterie (3) comportant une phase de charge (23) avec un courant régulé (I,), en laissant la tension (Ubat) varier librement, tarit que ladite tension est en- dessous d'une tension seuil (U1) caractérisé en ce que le signal du courant de charge (Ic) est du type en rampe permettant de charger efficacement la batterie (3) tout en ne bornant pas l'intensité dudit courant de charge.
2. Procédé de charge d'une batterie (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs phases successives de ladite charge (23) avec un courant régulé (le) jusqu'à ce que la capacité nominale (Cnom) de la batterie (3) soit atteinte pour permettre de la charger rapidement et efficacement.
1s
3. Procédé de charge d'une batterie (3) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pente (P) de ladite rampe de courant (Io) est identique entre deux desdites phases de charge (23).
4. Procédé de charge d'une batterie (3) selon la revendication 20 2, caractérisé en ce que la pente de ladite rampe de courant est différente entre deux desdites phases de charge (23).
5. Procédé de charge d'une batterie (3) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pente (P) de ladite rampe de courant (Io) décroît entre la première et la dernière desdites phase de charge (23).
6. Procédé de charge d'une batterie (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pente (P) de ladite rampe de courant régulé (Io) est continue lors d'au moins une desdites phases de charge (23). >>
7. Procédé de charge d'une batterie (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pente (P) de ladite rampe de courant régulé (Ie) est discontinue lors d'au moins une desdites phases de charge (23).
8. Procédé de charge d'une batterie (3) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite rampe de courant régulé (Ic) de ladite au moins une desdites phases de charge (23) comporte au moins deux pentes (P, P') différentes consécutives, la dernière pente (P') étant plus faible que la première (P) afin w d'éviter le dépassement de ladite tension seuil (U1).
9. Procédé de charge d'une batterie (3) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite tension seuil (U1) est la tension maximale de la batterie (Umax).
10. Procédé de charge d'une batterie (3) selon l'une des 1s revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une phase finale de charge (27) avec une tension régulée (Ubat) par rapport à une tension de consigne (Usons) en laissant varier librement le courant (Ic) jusqu'à un courant seuil (l,) pour permettre une charge plus complète de la batterie (3).
11. Procédé de charge d'une batterie (3) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une phase finale de charge (27) avec une tension régulée (Ubat) par rapport à une tension de consigne (Usons) en laissant varier librement le courant (Ic) pendant une durée prédéterminée pour permettre une charge plus complète de la batterie (3).
12. Procédé de charge d'une batterie selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que ladite tension de consigne (Usons) 30 est la tension maximale (Umax) de la batterie.
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2004
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