FR2888417A1

FR2888417A1 - Procede et systeme de charge d'une batterie du type electrochimique

Info

Publication number: FR2888417A1
Application number: FR0507224A
Authority: FR
Inventors: Patrick Sainton; Gilles Gregoire; Franck Ragot
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-01-12
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: FR2888417B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de charge d'une batterie du type électrochimique. Ce procédé comprend les étapes consistant à appliquer (en 10) un courant initial prédéterminé à la batterie et, lorsque la tension aux bornes de la batterie est sensiblement égale à une tension de seuil prédéterminée, appliquer (en 20) un courant de régulation à la batterie tel que la tension aux bornes de celle-ci est sensiblement égale à la tension du seuil prédéterminée. Le courant initial est supérieur à C/3, où C est la valeur de la capacité nominale de la batterie.

Description

La présente invention concerne un procédé et un système de charge d'une

batterie du type électrochimique.

On connaît des procédés de charge d'une telle batterie, comme le procédé de charge connu sous la référence PSA B25 5210. Ce procédé consiste dans un premier temps à appliquer à une batterie d'accumulateurs, par exemple au plomb et d'une capacité nominale de 60Ah, un courant de charge constant de 15A, puis, lorsque la tension aux bornes de la batterie est égale à une tension de seuil de 16V, à lui appliquer un courant de régulation qui asservit sa tension sur la tension de seuil pendant une durée de 24 heures.

De manière typique, le temps d'exécution de ce type de procédé est long pour des rendements faradique et énergétique, ou rendement de charge, peu satisfaisants.

De plus, ce type de procédé induit une élévation importante de la température de la batterie ce qui dégrade son matériau électrolytique et diminue donc sa durée de vie.

Le but de la présente invention est de résoudre le problème susmentionné en proposant un procédé et un système de charge d'une batterie du type électrochimique qui permettent une charge de courte durée tout en assurant un rendement de charge important.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de charge d'une batterie du type électrochimique, comprenant les étapes consistant à appliquer un courant initial prédéterminé à la batterie et, lorsque la tension aux bornes de la batterie est sensiblement égale à une tension de seuil prédéterminée, appliquer un courant de régulation à la batterie tel que la tension aux bornes de celle-ci est sensiblement égale à la tension du seuil prédéterminée, caractérisé en ce que le courant initial est supérieur à C/3, où C est la valeur de la capacité nominale de la batterie.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le courant initial est supérieur à 0,8C; - le courant initial est sensiblement égal à c; - il comprend une étape d'application d'un courant de seuil prédéterminé à la batterie lorsque le courant de régulation est sensiblement égal à ce courant de seuil; - le courant de seuil est inférieur à C/5; - le courant de seuil est sensiblement égal à C/10; - le courant de seuil est sensiblement égal à C/60; - la tension de seuil est une tension sélectionnée pour obtenir, lors de 5 la charge de celle-ci, une élévation minimale de la température de la batterie pour un rendement de charge supérieur à un seuil prédéterminé ; - la tension de seuil est une tension sélectionnée pour obtenir un rendement de charge optimal; - la tension de seuil est comprise dans la plage [13V, 15V] pour une batterie de tension nominale comprise entre environ 11V et environ 13V; - l'étape d'application du courant de seuil consiste à appliquer celui-ci pendant une durée prédéterminée; - la durée prédéterminée est comprise entre 2 heures et 4 heures; et - l'étape d'application du courant de seuil consiste à appliquer celui-ci tant que la tension aux bornes de la batterie est inférieure à une seconde tension de seuil prédéterminée; L'invention a également pour objet un système de charge d'une batterie du type électrochimique, ledit système comprenant: - une chaîne d'acquisition du courant et de la tension aux bornes de la 20 batterie; - des moyens d'application d'un courant de charge à la batterie; et - des moyens de pilotage des moyens d'application du courant de charge comprenant: - des premiers moyens de commande propres à commander les 25 moyens d'application pour que ceux-ci appliquent à la batterie un courant initial prédéterminé ; - des moyens de régulation propres à, lorsque que la tension acquise aux bornes de la batterie est sensiblement égale à la tension de seuil prédéterminée, commander les moyens d'application pour que ceux-ci appliquent à la batterie un courant de régulation tel que la tension aux bornes de celle-ci est sensiblement égale à la tension de seuil prédéterminée, caractérisé en ce que le courant initial est supérieur à C/3, où C est la valeur de la capacité nominale de la batterie.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en relation avec les dessins annexés dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels: - la figure 1 est un organigramme du procédé selon l'invention; - la figure 2A et 2B sont des graphiques illustrant des variations temporelles du courant et de la tension d'une batterie électrochimique chargée conformément au procédé selon l'invention; - la figure 3 est un tableau répertoriant et comparant les résultats de la charge d'une batterie électrochimique conformément à un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention et conformément à un procédé de charge de l'état de la technique; - la figure 4 un tableau répertoriant et comparant les résultats de la charge d'une batterie électrochimique conformément à un autre mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention et conformément au procédé de charge de l'état de la technique; - la figure 5 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation du système de charge selon l'invention; et -la figure 6 est une vue schématique d'un second mode de réalisation 20 du système de charge selon l'invention.

Les figures 1 et 2 illustrent les étapes principales du procédé de charge selon l'invention d'une batterie du type électrochimique, comme par exemple une batterie d'accumulateurs (au plomb, au nickel ou autres) à électrolyte liquide ou étanche pour véhicule automobile.

Dans une première étape 10, un courant de charge initial élevé le, c'està-dire supérieur à C/3 Ampères (A), où C est la valeur de la capacité nominale de la batterie, et de valeur constante prédéterminée, est appliqué à la batterie.

De préférence, le courant initial le est proche de C, par exemple 30 supérieur à 0,8C, et dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le courant le est sensiblement égal à C. Pendant l'application de ce courant le, comme illustrée par les portions de courbes Ac et Av des figures 2A et 2B, la tension aux bornes de la batterie augmente depuis une valeur initiale Vini.

Parallèlement à l'application du courant le, un test est mis en oeuvre, toujours en 10, pour savoir si la tension aux bornes de la batterie atteint une tension de seuil prédéterminée Vs1. Lorsque cela se produit, le procédé consiste alors, dans une deuxième étape 20, à appliquer à la batterie un courant de régulation tel que la tension aux bornes de celleci reste sensiblement égale à la tension de seuil Vs1, comme cela est illustré par les portions de courbes Bc et Bv des figures 2A et 2B.

De manière typique, ce courant de régulation est décroissant, comme le montre la portion Bc de la figure 2A. Parallèlement à l'application de ce courant de régulation, un test est mis en oeuvre, toujours en 20, pour savoir si celui-ci atteint un courant de seuil prédéterminé ls, de préférence inférieur à C/5 A. Lorsque cela se produit, le procédé consiste alors, dans une troisième étape 30, à appliquer à la batterie un courant constant égal au courant de seuil ls, par exemple égal à C/10 A ou C/60 A, comme illustré par la portion de courbe Cc de la figure 2A.

La tension aux bornes de la batterie augmente alors depuis la valeur Vs1, comme cela est illustré par la portion Cv de la figure 2B, et, toujours en 30, un test est mis en oeuvre pour savoir si cette tension atteint une seconde tension de seuil Vs2. Lorsque cela se produit, la charge de la batterie est alors stoppée, aucun courant ne lui étant appliqué, comme cela est illustré par la portion Dc de la figure 2B. Si la batterie n'est pas sollicitée, elle se relaxe et sa tension atteint alors une tension d'équilibre, comme cela est illustré sur la portion Dv de la figure 2B.

Dans un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, les paramètres le, ls, Vs1 et Vs2 du procédé sont déterminés à la fois pour une charge rapide de la batterie, pour des rendements faradique et énergétique importants de cette charge, c'est-à-dire chacun supérieur à un seuil prédéterminé correspondant de préférence à 80%, et pour une élévation minimale de la température de la batterie lors de la charge de celle-ci. A cet effet, le courant de charge initial le est sensiblement égal à c A, le courant de seuil ls est sensiblement égal à C/60 A et les tensions de seuil Vs1 et Vs2 sont comprises dans la plage prédéterminée de tensions [13V, 15V] pour une batterie électrochimique de tension nominale comprise entre environ 11V et environ 13V, par exemple 12V.

En variante, ces paramètres sont choisis à la fois pour une charge rapide et pour des rendements énergétique et faradique optimaux.

A titre d'exemple numérique, pour une batterie d'accumulateurs au plomb à électrolyte liquide, d'une capacité nominale de 60Ah et de tension nominale de 12V (également connue sous la référence batterie L2 ), en choisissant les paramètres du procédé tels que Vsl = 13,7V, Vs2 = 13,8V, le = C A et Is = C/60 A, on obtient les résultats du tableau de la figure 3 qui répertorie et compare la charge de cette batterie conformément au procédé décrit ci-dessus et conformément au procédé PSA B25 5210.

Ces résultats correspondent à la charge d'une batterie neuve qui a été déchargée, avec un courant égal à C/20 A, d'une capacité de C/2 depuis un état initial de charge de 100%. Le rendement faradique d'un procédé de charge est le rapport des ampères-heures chargés en appliquant ce procédé sur les ampères-heures déchargés de la manière susmentionnée. De manière analogue, le rendement énergétique est le rapport des watts-heures chargés sur les watts-heures déchargés.

Comme on peut le constater, le procédé selon l'invention permet de diviser par 5 le temps de charge par rapport au procédé de l'état de la technique, tout en garantissant des rendements faradique et énergétique proches de 100% et 90% respectivement, ainsi qu'une élévation de la température moindre.

En variante, dans un autre mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, l'application du courant Is à la batterie lors de l'étape 30 susmentionnée est réalisée, non pas tant que la tension aux bornes de la batterie est inférieure à la tension de seuil Vs2, mais pendant une durée prédéterminée OT comprise entre 2 heures et 4 heures. De préférence, cette durée AT est sélectionnée en fonction de l'état initial de charge de la batterie.

Dans ce mode de réalisation préféré, les paramètres le, Is, Vsl et Vs2 sont déterminés pour diminuer encore plus le temps de charge de la batterie mais au détriment des rendements faradique et énergétique et de l'élévation de température obtenus avec le mode de réalisation précédent décrit ci-dessus. A cet effet, le courant de charge élevé le est sensiblement égal à c A, le courant de seuil Is est sensiblement égal à C/10 A et les tensions de seuil Vsl et Vs2 sont comprises dans la plage prédéterminée de tensions [13V, 15V] pour une batterie électrochimique de tension nominale de 12V.

A titre d'exemple numérique, pour une batterie d'accumulateurs au plomb du type susmentionné, déchargée comme cela a été décrit ci-dessus, en choisissant les paramètres du procédé tels que Vsl = 14,8V, le = C A et Is = C/10 A et AT = 2 heures, on obtient les résultats du tableau de la figure 4 qui répertorie et compare la charge de cette batterie conformément à ce mode de réalisation du procédé et conformément au procédé PSA B25 5210.

Comme on peut le constater, le temps de charge est divisé par 6 tout en garantissant des rendements faradique et énergétique supérieurs à ceux obtenus avec le procédé de l'état de la technique.

II va maintenant être décrit un système de charge mettant en oeuvre le procédé selon l'invention.

En se référant à la figure 5, une batterie électrochimique 40 est raccordée à un système 42 de charge de celle-ci. Ce système 42 comprend des moyens 44 commandables d'application d'un courant de charge à la batterie 40, par exemple un générateur de courant connecté aux bornes de la batterie 40 comme cela est connu en soi.

Le système 42 comprend également un capteur 46 de courant pour mesurer le courant Ibat appliqué à la batterie, un capteur 48 de tension pour mesurer la tension Vbat aux bornes de la batterie 40 et une unité 50 de pilotage connectée aux capteurs 46, 48 et propre à piloter les moyens 44 d'application en fonction du courant et de la tension mesurés en mettant en oeuvre le procédé de charge selon l'invention.

Cette unité 50 est par exemple mise en oeuvre sous la forme d'un microcontrôleur ou d'un circuit câblé dédié à cette application.

Elle comprend des premiers moyens 52 de comparaison raccordés au capteur 46 de courant et propres à comparer le courant mesuré au courant de seuil Is mémorisé dans des moyens 54 de stockage de données, des seconds moyens 56 de comparaison raccordés au capteur 48 de tension et propres à comparer la tension mesurée à la tension de seuil Vsl mémorisée dans les moyens 54 et des troisièmes moyens 58 de comparaison raccordés au capteur 48 de tension et propres à comparer la tension mesurée à la seconde tension de seuil Vs2 mémorisée dans les moyens 54.

Ces moyens 52, 56, 58 de comparaison sont raccordés à une machine d'états 60 qui déclenche les différentes étapes du procédé selon l'invention, en fonction des résultats délivrés par les moyens de comparaison et d'un signal d'initialisation Init reçu en entrée.

Cette machine d'états 60 est raccordée à des moyens 62 de commande propres à délivrer aux moyens 44 une consigne de courant correspondant au courant de charge élevé le ou au courant de seuil ls, en fonction du signal qu'ils reçoivent de la machine d'états 60.

Enfin, la machine d'états 60 est raccordée à des moyens 64 de régulation connectés à un comparateur 66 formant la différence entre la tension de seuil Vsl, reçue des moyens 54 en tant que consigne de régulation, et la mesure de la tension aux bornes de la batterie 40 reçue du capteur 48. Ces moyens 64 de régulation sont propres à délivrer une consigne de régulation aux moyens 44 pour que ceux-ci délivrent à la batterie un courant correspondant ayant pour effet d'asservir la tension aux bornes de la batterie 40 sur la tension de seuil Vsl. Par exemple, les moyens 64 de régulation sont propres à mettre en oeuvre une loi de régulation du type PID.

Le fonctionnement du système venant d'être décrit est alors le suivant.

Lors de la réception du signal d'initialisation lini, la machine d'états 60 active les moyens 62 de commande pour que ceux-ci délivrent aux moyens 44 la consigne de courant initial élevée le. En réponse à la réception de cette consigne, les moyens 44 appliquent le courant le à la batterie 40.

Lorsque la tension mesurée atteint la tension de seuil Vsl, tel que cela est détecté par les seconds moyens 56 de comparaison, la machine d'états 60 désactive les moyens 62 de commande et active les moyens 64 de régulation qui délivrent alors aux moyens 44 la consigne de régulation. Les moyens 44 appliquent alors le courant de régulation correspondant à la batterie 40.

Lorsque le courant mesuré atteint le courant de seuil ls, tel que cela est détecté par les premiers moyens 52 de comparaison, la machine d'états 60 désactive les moyens 64 de régulation et active les moyens 62 de commande pour que ceux-ci délivrent aux moyens 44 la consigne de courant de seuil ls. En réponse à la réception de cette consigne, les moyens 44 appliquent à la batterie 40 le courant de seuil ls.

Lorsque la tension mesurée atteint la seconde tension de seuil Vs2, tel que cela est détecté par les troisièmes moyens 58 de comparaison, la machine d'états 60 désactive alors les moyens 62 de commande et aucun courant n'est appliqué à la batterie 40, la charge de la batterie étant terminée.

La figure 6 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation du système de charge selon l'invention qui met en oeuvre la variante du procédé de charge décrite ci-dessus.

A la différence du système de la figure 5, ce système ne comprend pas de troisièmes moyens de comparaison pour comparer la mesure de la tension à la seconde tension de seuil Vs2. A la place, le système 42 comprend un compteur de temps 68 raccordé à la machine d'états 60 et à des quatrièmes moyens 70 de comparaison propres à comparer la valeur du compteur 68 à la durée prédéterminée AT mémorisée dans les moyens 54 de stockage de données.

L'unité de pilotage comprend en outre des moyens 72 de détermination de l'état de charge initial de la batterie 40. Ces moyens 72 sont propres à déterminer celui-ci en fonction de la durée de l'application du courant élevé le, c'est-à-dire la durée du palier illustrée sur la courbe Ac de la figure 2A.

Plus particulièrement, les moyens 72 comprennent une cartographie prédéterminée de valeurs d'état de charge en fonction de valeurs de durée de palier, cette cartographie étant déterminée lors d'une étude antérieure.

Les moyens 72 sont également propres à sélectionner la durée AT d'application du courant de seuil ls dans les moyens 54 de stockage de données en fonction de l'état de charge déterminé, la durée AT étant par exemple cartographiée dans ceux-ci en fonction de valeurs prédéterminées d'état de charge.

Le fonctionnement de ce système est analogue à celui de la figure 5, à la différence que, en lieu et place de l'arrêt de l'étape d'application du courant ls à la batterie en fonction de la tension mesurée, la machine d'états 60 initialise et active le compteur 68 lorsque le courant mesuré atteint le courant de seuil ls. Ce dernier débute alors à compter le temps et lorsque la durée d'application du courant de seuil ls à la batterie, c'est-à-dire la valeur du compteur 66, est sensiblement égale à la durée AT, tel que cela est détecté par les quatrièmes moyens 70 de comparaison, la machine d'états 60 désactive les moyens 62 de commande, la charge de la batterie étant terminée. La durée AT est sélectionnée par les moyens 72 à la fin de l'étape d'application du courant élevé le. A la fin de cette phase, conjointement ou antérieurement à l'activation des moyens 64 de régulation, la machine d'états 60 active les moyens 72 qui déterminent en réponse la durée d'application du courant Is. Les moyens 72 déterminent ensuite la fonction de cette durée, l'état de charge initial de la batterie puis sélectionnent la durée T en fonction de l'état de charge déterminé dans les moyens 54 de stockage de données.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de charge d'une batterie du type électrochimique, comprenant les étapes consistant à appliquer (en 10) un courant initial prédéterminé à la batterie et, lorsque la tension aux bornes de la batterie est sensiblement égale à une tension de seuil prédéterminée, appliquer (en 20) un courant de régulation à la batterie tel que la tension aux bornes de celle-ci est sensiblement égale à la tension du seuil prédéterminée, caractérisé en ce que le courant initial est supérieur à C/3, où C est la valeur de la capacité nominale de la batterie.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant initial est supérieur à 0,8C.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le courant initial est sensiblement égal à C.

4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'application (en 30) d'un courant de seuil prédéterminé à la batterie lorsque le courant de régulation est sensiblement égal à ce courant de seuil.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le courant de seuil est inférieur à C/5.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le courant de seuil est sensiblement égal à C/10.

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le courant de seuil est sensiblement égal à C/60.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de seuil est une tension sélectionnée pour obtenir, lors de la charge de celle-ci, une élévation minimale de la température de la batterie pour un rendement de charge supérieur à un seuil prédéterminé.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension de seuil est une tension sélectionnée pour obtenir un rendement de charge optimal.

10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la tension de seuil est comprise dans la plage [13V, 15V] pour une batterie de tension nominale comprise entre environ 11V et environ 13V.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'application du courant de seuil consiste à appliquer celui-ci pendant une durée prédéterminée.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la durée 5 prédéterminée est comprise entre 2 heures et 4 heures.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'étape d'application du courant de seuil consiste à appliquer celui-ci tant que la tension aux bornes de la batterie est inférieure à une seconde tension de seuil prédéterminée.

14. Système de charge d'une batterie du type électrochimique (40), ledit système comprenant: - une chaîne (46, 48) d'acquisition du courant et de la tension aux bornes de la batterie; - des moyens (44) d'application d'un courant de charge à la batterie 15 (40) ; et - des moyens (50) de pilotage des moyens d'application du courant de charge comprenant: - des premiers moyens (62) de commande propres à commander les moyens d'application pour que ceux-ci appliquent à la batterie un courant 20 initial prédéterminé ; - des moyens (64, 66) de régulation propres à, lorsque que la tension acquise aux bornes de la batterie est sensiblement égale à la tension de seuil prédéterminée, commander les moyens d'application pour que ceux-ci appliquent à la batterie un courant de régulation tel que la tension aux bornes de celle-ci est sensiblement égale à la tension de seuil prédéterminée, caractérisé en ce que le courant initial est supérieur à C/3, où C est la valeur de la capacité nominale de la batterie.

15. Système de charge selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est propre à mettre en oeuvre un procédé conforme à l'une quelconque des 30 revendications 2 à 13.