FR2947112A1 - Accumulators e.g. lithium-iron-phosphate accumulators, battery recharging device for e.g. hybrid motor vehicle, has control module to control connections of accumulators in series and application of current on accumulators in charging mode - Google Patents
Accumulators e.g. lithium-iron-phosphate accumulators, battery recharging device for e.g. hybrid motor vehicle, has control module to control connections of accumulators in series and application of current on accumulators in charging mode Download PDFInfo
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE RECHARGE D'UNE BATTERIE D'ACCUMULATEURS DEVICE FOR RECHARGING A BATTERY OF ACCUMULATORS
L'invention concerne les batteries d'accumulateurs électrochimiques. Celles-ci peuvent par exemple être utilisées dans le domaine des transports 5 électriques et hybrides ou les systèmes embarqués. Un accumulateur électrochimique a habituellement une tension nominale de l'ordre de grandeur suivant: 1.2 V pour des batteries de type NiMH, 3.3 V pour une technologie Lithium ion phosphate de fer, LiFePO4, 10 4.2 V pour une technologie de type Lithium ion à base d'oxyde de cobalt. Ces tensions nominales sont trop faibles par rapport aux exigences de la plupart des systèmes à alimenter. Pour obtenir le niveau de tension adéquat, on place en série plusieurs accumulateurs. Pour obtenir de fortes puissances et capacités, on place plusieurs groupes d'accumulateurs en série. Le nombre 15 d'étages (nombre de groupes d'accumulateurs) et le nombre d'accumulateurs en parallèle dans chaque étage varient en fonction de la tension, du courant et de la capacité souhaités pour la batterie. L'association de plusieurs accumulateurs est appelée une batterie d'accumulateurs. The invention relates to electrochemical storage batteries. These can for example be used in the field of electric and hybrid transport or onboard systems. An electrochemical accumulator usually has a nominal voltage of the following order of magnitude: 1.2 V for NiMH type batteries, 3.3 V for Lithium ion iron phosphate technology, LiFePO4, 4.2 V for Lithium ion technology based on of cobalt oxide. These nominal voltages are too low compared to the requirements of most systems to power. To obtain the correct voltage level, several accumulators are placed in series. To obtain high powers and capacities, several groups of accumulators are placed in series. The number of stages (number of accumulator groups) and the number of accumulators in parallel in each stage vary depending on the desired voltage, current, and capacity for the battery. The combination of several accumulators is called a storage battery.
20 La charge d'un accumulateur se traduit par une croissance de la tension à ses bornes. Chaque technologie d'accumulateur présente un profil de charge qui lui est propre, par exemple défini par l'évolution de la tension d'un accumulateur dans le temps pour un courant de charge donné. On considère un accumulateur chargé par exemple lorsque celui-ci a 25 atteint un niveau de tension nominal défini par son processus électrochimique. Si la charge est interrompue avant que cette tension ne soit atteinte, l'accumulateur n'est pas complètement chargé. L'accumulateur peut aussi être considéré comme chargé lorsque la charge a duré un temps prédéterminé ou encore lorsque le courant de charge, alors que l'accumulateur est maintenu à 30 tension constante, a atteint une valeur seuil minimale. Du fait de dispersions de fabrication, les accumulateurs présentent en pratique des caractéristiques différentes. Ces différences, relativement faibles lorsque la batterie est neuve, s'accentuent avec l'usure hétérogène des accumulateurs de la batterie. Même en associant des accumulateurs d'un 35 même lot de fabrication dans une batterie, des dispersions subsistent. La charge de la batterie est généralement supervisée par un dispositif de contrôle à partir de mesures de tension sur les différents accumulateurs. La figure 1 illustre la charge de différents accumulateurs d'une batterie à la fin d'un procédé de charge connu. La plage de fonctionnement d'un 40 accumulateur de type Li - ion à base d'oxyde de cobalt est typiquement comprise entre 2,7 V et 4,2 V. Une utilisation hors de cette plage peut induire une détérioration irréversible des accumulateurs de la batterie. Une surcharge peut conduire à une destruction d'un accumulateur, à son usure accélérée (par dégradation de l'électrolyte), ou à une explosion par un phénomène d'emballement thermique. La charge de tous les accumulateurs est donc interrompue lorsque l'accumulateur le plus chargé atteint la limite haute Vmax de la plage de fonctionnement. La tension de l'accumulateur le moins chargé est alors égale à une tension Vinf qui est inférieure à Vmax. Le dispositif de contrôle interrompt également la décharge de la batterie lorsque l'accumulateur le moins chargé atteint la limite basse Vmin de la plage de fonctionnement. La capacité de la batterie est définie par la différence entre Vinf et Vmin. Par conséquent, plus les dispersions entre les accumulateurs sont importantes, plus la capacité de la batterie est en pratique réduite. Avec une plage de fonctionnement réduite, la capacité de la batterie peut s'avérer relativement limitée en présence de fortes dispersions entre les accumulateurs. Cette baisse de capacité multiplie le nombre de cycles de charge/décharge pour restituer une quantité d'énergie donnée et surtout diminue l'autonomie de la batterie. Pour optimiser la capacité effective d'une batterie, les procédés de charge connus comprennent généralement une phase d'équilibrage de la tension des accumulateurs. Ces procédés visent à homogénéiser les tensions des différents accumulateurs en fin de charge. La demande de brevet US20080169789 décrit un procédé de recharge et de décharge d'une batterie. La charge ou la décharge de la batterie comprennent une phase d'équilibrage lorsqu'une différence de force électromotrice entre des accumulateurs est détectée. Chaque accumulateur est associé à une résistance de décharge dédiée. Au début de la phase d'équilibrage, la tension aux bornes de l'ensemble des accumulateurs est mesurée. Les accumulateurs présentant les tensions les plus élevées se déchargent dans leur résistance, jusqu'à ce que leur tension atteigne la tension de l'accumulateur le moins chargé. Un tel procédé induit des pertes d'énergie par dissipation dans les résistances. De plus, le procédé d'équilibrage induit un nivellement par le bas des charges des accumulateurs. Ce nivellement induit un rallongement du temps de charge de la batterie. Les valeurs des résistances de décharge utilisées étant relativement importantes, les courants de décharge lors de l'équilibrage sont relativement réduits. Par conséquent, pour des batteries de capacité élevée (par exemple de plusieurs centaines d'Ah) sous des tensions élevées (par exemple supérieures à 100 V), la phase d'équilibrage peut rallonger de façon excessive le temps total de la charge. La charge peut ainsi atteindre des durées allant de 50 à 500 heures. De telles durées de charge sont complètement incompatibles avec certaines applications. Par exemple, des batteries implantées dans des véhicules automobiles doivent être rechargées dans des délais brefs pour ne pas grever leur utilisation. The charging of an accumulator results in a growth of the voltage at its terminals. Each battery technology has a charge profile of its own, for example defined by the evolution of the voltage of a battery in time for a given charging current. For example, a charged battery is considered when it has reached a nominal voltage level defined by its electrochemical process. If charging is interrupted before this voltage is reached, the battery is not fully charged. The accumulator can also be considered as charged when the charge has lasted a predetermined time or when the charging current, while the accumulator is kept at a constant voltage, has reached a minimum threshold value. Because of manufacturing dispersions, the accumulators have in practice different characteristics. These differences, relatively small when the battery is new, are accentuated with the heterogeneous wear of the accumulators of the battery. Even by associating accumulators of the same manufacturing batch in a battery, dispersions remain. The charge of the battery is generally supervised by a control device from voltage measurements on the different accumulators. Figure 1 illustrates the charging of different accumulators of a battery at the end of a known charging process. The operating range of a cobalt oxide Li-ion type accumulator is typically between 2.7 V and 4.2 V. Use outside this range can induce irreversible deterioration of the accumulators of the battery. drums. Overcharging can lead to the destruction of an accumulator, its accelerated wear (by electrolyte degradation), or an explosion due to a thermal runaway phenomenon. The charge of all the accumulators is thus interrupted when the most charged accumulator reaches the high limit Vmax of the operating range. The voltage of the least charged accumulator is then equal to a voltage Vinf which is less than Vmax. The control device also interrupts the discharge of the battery when the least charged accumulator reaches the low limit Vmin of the operating range. The capacity of the battery is defined by the difference between Vinf and Vmin. Therefore, the larger the dispersions between the accumulators, the more the capacity of the battery is in practice reduced. With a reduced operating range, the capacity of the battery can be relatively limited in the presence of strong dispersions between the accumulators. This decrease in capacity multiplies the number of charge / discharge cycles to restore a given amount of energy and especially decreases the battery life. To optimize the effective capacity of a battery, the known charging methods generally comprise a phase of balancing the voltage of the accumulators. These methods are intended to homogenize the voltages of the various accumulators at the end of charging. The patent application US20080169789 describes a method for recharging and discharging a battery. The charging or discharging of the battery comprises a balancing phase when a difference in electromotive force between accumulators is detected. Each accumulator is associated with a dedicated discharge resistor. At the beginning of the balancing phase, the voltage across the accumulators is measured. Accumulators with the highest voltages discharge in their resistance until their voltage reaches the voltage of the least charged battery. Such a method induces energy losses by dissipation in the resistors. In addition, the balancing process induces a leveling down of the charges of the accumulators. This leveling induces an extension of the charging time of the battery. The values of the discharge resistors used being relatively large, the discharge currents during balancing are relatively small. Therefore, for batteries of high capacity (for example several hundred Ah) at high voltages (for example greater than 100 V), the balancing phase can excessively lengthen the total time of the load. The charge can thus reach durations ranging from 50 to 500 hours. Such charging times are completely incompatible with certain applications. For example, batteries installed in motor vehicles must be recharged in a short time to avoid encumbering their use.
Le document GB2293059 décrit un procédé d'équilibrage des charges des différents accumulateurs en série d'une batterie. Un dispositif d'équilibrage est utilisé durant une phase d'équilibrage. Les tensions des différents accumulateurs sont initialement mesurées. L'accumulateur le plus chargé est connecté momentanément à un condensateur. Une fois le condensateur chargé, celui-ci est déchargé dans l'accumulateur le moins chargé. Le processus est répété à une certaine fréquence de sorte que les charges des différents accumulateurs sont équilibrées en continu. L'énergie électrique fournie par un accumulateur présentant une charge supérieure n'est donc en théorie pas dissipée mais récupérée par un accumulateur moins chargé. Un tel procédé présente cependant des inconvénients. En pratique, les commutations du dispositif d'équilibrage et la commande du dispositif d'équilibrage entraînent une consommation électrique non négligeable. De plus, le dispositif d'équilibrage présente une structure relativement complexe. En pratique, les courants d'équilibrage entre le condensateur et les accumulateurs sont relativement réduits. Par conséquent, pour des batteries présentant des capacités élevées, l'équilibrage peut rallonger de façon excessive le temps total de la charge. Le temps de charge peut alors être incompatible avec une utilisation fréquente de la batterie, par exemple dans une application automobile. Par ailleurs, durant toute la durée de vie de la batterie, certains défauts peuvent apparaître sur certains accumulateurs. Un défaut sur un accumulateur se traduit généralement soit par la mise en court-circuit de l'accumulateur, soit par une mise en circuit ouvert, soit par un courant de fuite important dans l'accumulateur. Une mise en circuit ouvert ou en court-circuit peut provoquer une défaillance globale de toute la batterie. Etant donné le nombre croissant d'accumulateurs intégrés dans une batterie, le risque de défaillance est nettement accru. Dans le cas de l'apparition d'un courant de fuite important dans un accumulateur d'un étage, la batterie se comporte comme une résistance qui provoque une décharge des accumulateurs de l'étage considéré jusqu'à zéro. En technologie lithium ion, la décharge d'un accumulateur jusqu'à une tension nulle le détériore, ce qui implique son remplacement. Il existe un besoin pour une solution permettant de poursuivre l'utilisation 35 de la batterie même en présence d'un ou plusieurs accumulateurs défaillants. GB2293059 discloses a method of balancing the charges of different accumulators in series of a battery. A balancing device is used during a balancing phase. The voltages of the different accumulators are initially measured. The most charged battery is momentarily connected to a capacitor. Once the capacitor is charged, it is discharged into the least charged battery. The process is repeated at a certain frequency so that the charges of the different accumulators are continuously balanced. The electrical energy supplied by an accumulator with a higher charge is not theoretically dissipated but recovered by a less charged battery. Such a method, however, has disadvantages. In practice, the switching of the balancing device and the control of the balancing device result in a considerable electrical consumption. In addition, the balancing device has a relatively complex structure. In practice, the balancing currents between the capacitor and the accumulators are relatively small. Therefore, for batteries with high capacities, balancing can excessively lengthen the total charge time. The charging time may then be incompatible with frequent use of the battery, for example in an automotive application. Moreover, throughout the life of the battery, some defects may appear on some accumulators. A fault on an accumulator usually results either by shorting the accumulator, or by an open circuit, or by a large leakage current in the accumulator. Open or short-circuiting may cause an overall failure of the entire battery. Given the increasing number of accumulators built into a battery, the risk of failure is significantly increased. In the case of the appearance of a large leakage current in a one-stage accumulator, the battery behaves like a resistor which causes a discharge of the accumulators of the considered stage to zero. In lithium ion technology, the discharge of an accumulator to zero voltage deteriorates, which implies its replacement. There is a need for a solution to continue the use of the battery even in the presence of one or more failing batteries.
L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif de recharge d'une batterie d'accumulateurs, comprenant : 40 -un module de connexion configuré pour être connecté aux bornes de chacun des accumulateurs de la batterie et configuré pour commuter les connexions des accumulateurs pour les connecter alternativement en parallèle ou en série ; -un module de charge apte à fournir un courant de charge au module de connexion ; -un module de commande commandant les connexions des accumulateurs selon différents modes de fonctionnement, commandant la connexion d'accumulateurs en série et l'application du courant de charge sur des accumulateurs dans un mode de charge, et commandant la connexion des accumulateurs en parallèle dans un mode d'équilibrage de leurs tensions. The invention aims to solve one or more of these disadvantages. The invention thus relates to a device for recharging a storage battery, comprising: a connection module configured to be connected to the terminals of each of the accumulators of the battery and configured to switch the connections of the accumulators to connect them; alternately in parallel or in series; a load module capable of supplying a charging current to the connection module; a control module controlling the connections of the accumulators according to different modes of operation, controlling the connection of accumulators in series and the application of the charging current to accumulators in a charging mode, and controlling the connection of the accumulators in parallel in a mode of balancing their tensions.
Selon une variante, le dispositif de recharge comprend un module de mesure de la tension aux bornes des accumulateurs, et le module de commande en mode de charge bascule en mode d'équilibrage lorsque la différence de tension entre deux accumulateurs dépasse un premier seuil. Selon encore une variante, le dispositif de recharge comprend un module de mesure des intensités traversant les accumulateurs, et le module de commande en mode d'équilibrage bascule en mode de charge lorsque les intensités traversant les accumulateurs sont inférieures à un deuxième seuil. Selon une autre variante, le module de commande en mode d'équilibrage bascule en mode de charge après une durée prédéterminée. According to one variant, the recharging device comprises a module for measuring the voltage at the terminals of the accumulators, and the charge mode control module switches to balancing mode when the voltage difference between two accumulators exceeds a first threshold. According to another variant, the recharging device comprises a module for measuring the intensities passing through the accumulators, and the control module in balancing mode switches to charge mode when the intensities passing through the accumulators are lower than a second threshold. According to another variant, the control module in balancing mode switches to charge mode after a predetermined duration.
Selon encore une autre variante, le module de commande interrompt l'équilibrage lorsque la tension aux bornes d'un accumulateur atteint un troisième seuil. Selon une variante, le module de charge est apte à fonctionner alternativement dans un mode de charge à courant constant ou dans un mode de charge à tension constante, le module de commande en mode de charge place le module de charge en mode de charge à intensité constante, et le module de commande présente un mode de finalisation de charge dans lequel il commande la connexion d'accumulateurs en série et le basculement du module de charge dans son mode de charge à tension constante, le module de commande basculant du mode de charge au mode de finalisation de charge lorsque la tension aux bornes d'un accumulateur atteint le troisième seuil. Selon encore une variante, le module de charge applique un courant de charge sous forme d'impulsions, le module de commande basculant en mode d'équilibrage dans l'intervalle séparant deux impulsions successives. According to yet another variant, the control module interrupts the balancing when the voltage across a battery reaches a third threshold. According to one variant, the charging module is able to operate alternately in a constant-current charging mode or in a constant-voltage charging mode, the charging mode control module places the charging module in an intensity charging mode. constant, and the control module has a charge completion mode in which it controls the connection of accumulators in series and the switching of the charging module in its constant voltage charging mode, the charging mode switching module of the charging mode to the charge completion mode when the voltage across an accumulator reaches the third threshold. According to another variant, the load module applies a charging current in the form of pulses, the control module switching to balancing mode in the interval separating two successive pulses.
Selon une autre variante, l'ensemble des accumulateurs sont connectés en série dans le mode de charge et l'ensemble des accumulateurs sont connectés en parallèle dans le mode d'équilibrage. Selon encore une autre variante, le module de commande commande la connexion simultanée d'un groupe d'accumulateurs en série et de l'ensemble des autres accumulateurs en parallèle entre eux, le module de commande commandant l'application d'un courant de charge sur ledit groupe d'accumulateurs durant cette connexion simultanée. Selon une variante, le module de commande est maintenu en mode de charge tant que la tension aux bornes d'un des accumulateurs est inférieure à 5 un quatrième seuil. Selon une autre variante, le quatrième seuil correspond à la valeur inférieure de tension d'un plateau intermédiaire du profil de charge des accumulateurs. L'invention porte également sur un système d'alimentation électrique, 10 comprenant un dispositif de recharge tel que décrit ci-dessus et une batterie comprenant des accumulateurs connectés au module de connexion. Selon une variante, les accumulateurs sont du type LiFePO4. Selon encore une variante, le module de commande comprend un mode d'alimentation d'une charge électrique dans lequel il commande la connexion 15 d'accumulateurs en série et la connexion de la batterie aux bornes de la charge électrique. L'invention porte en outre sur un procédé de recharge d'une batterie d'accumulateurs, comprenant les étapes de : - application d'un courant de charge sur des accumulateurs connectés en 20 série ; -commutation des connexions des accumulateurs pour les connecter en parallèle afin d'équilibrer leurs tensions. According to another variant, all the accumulators are connected in series in the charging mode and all the accumulators are connected in parallel in the balancing mode. According to yet another variant, the control module controls the simultaneous connection of a group of accumulators in series and of all the other accumulators in parallel with each other, the control module controlling the application of a charging current. on said accumulator group during this simultaneous connection. According to a variant, the control module is maintained in charge mode as long as the voltage across one of the accumulators is less than a fourth threshold. According to another variant, the fourth threshold corresponds to the lower voltage value of an intermediate plate of the charge profile of the accumulators. The invention also relates to a power supply system, comprising a recharging device as described above and a battery comprising accumulators connected to the connection module. According to one variant, the accumulators are of the LiFePO4 type. According to another variant, the control module comprises a mode of supplying an electric load in which it controls the connection of accumulators in series and the connection of the battery to the terminals of the electric charge. The invention further relates to a method of recharging a storage battery, comprising the steps of: - applying a charging current to accumulators connected in series; -commutation of the accumulator connections to connect them in parallel in order to balance their voltages.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 25 clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation de la charge de différentes cellules d'une batterie à la fin d'un processus de charge selon l'art antérieur; - la figure 2 est une représentation schématique d'un système 30 d'alimentation électrique incluant une batterie d'accumulateurs ; - la figure 3 est une représentation schématique des connexions électriques entre différents accumulateurs ; -la figure 4 est une représentation schématique des connexions en mode de charge ; 35 -la figure 5 est une représentation schématique des connexions en mode d'équilibrage ; -la figure 6 est un exemple de diagramme illustrant la tension de différents accumulateurs lors d'une charge à courant constant ; - la figure 7 est un logigramme d'un premier exemple de procédé de 40 charge selon l'invention ; -la figure 8 est un logigramme d'un deuxième exemple de procédé de charge selon l'invention ; -la figure 9 représente schématiquement les connexions électriques dans un dispositif de recharge selon une variante. Other features and advantages of the invention will become clear from the description which is given below, for information only and in no way limitative, with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a representation of the load different cells of a battery at the end of a charging process according to the prior art; Figure 2 is a schematic representation of a power supply system including a battery pack; FIG. 3 is a schematic representation of the electrical connections between different accumulators; FIG. 4 is a diagrammatic representation of the connections in charge mode; FIG. 5 is a schematic representation of the connections in balancing mode; FIG. 6 is an exemplary diagram illustrating the voltage of different accumulators during a constant current load; FIG. 7 is a logic diagram of a first example of a charging method according to the invention; FIG. 8 is a logic diagram of a second example of a charging method according to the invention; FIG 9 schematically shows the electrical connections in a charging device according to a variant.
L'invention propose de réaliser une recharge d'une batterie d'accumulateurs en appliquant un courant de charge sur des accumulateurs connectés en série, puis en commutant des connexions des accumulateurs pour les connecter en parallèle, de sorte que les accumulateurs les plus chargés se 10 déchargent dans les accumulateurs les moins chargés pour réaliser un équilibrage de leurs tensions. La figure 2 est une représentation schématique d'un système d'alimentation électrique 1 incluant une batterie 3 d'accumulateurs Al à An et un dispositif de recharge 2. Le dispositif de recharge 2 comprend un module de 15 connexion 4 configuré pour être connecté aux bornes de chacun des accumulateurs Al à An. Le dispositif de recharge 2 comprend également un module de charge 5 connecté au module de connexion 4 pour lui fournir un courant de charge. Le dispositif de recharge 2 comprend par ailleurs un module de commande 6 connecté d'une part au module de charge 5, au module de 20 connexion 4 et à la batterie 3. Dans d'autres cas, le module 5 n'est pas nécessairement piloté par le module 6 : il peut avoir été pré-programmé en tension et en courant. Le module de commande 6 comprend un circuit de pilotage 61, et un circuit de mesure 62 apte à mesure la tension aux bornes de chaque accumulateur et l'intensité traversant chaque accumulateur. Le module 25 de commande 6 peut par exemple être mis en oeuvre sous forme de microcontrôleur. Une charge électrique 7 destinée à être alimentée par la batterie 3 est connectée au module de connexion 4. Le dispositif de recharge 2 comprend notamment un mode d'alimentation de la charge électrique 7 par la batterie 3, un mode de charge de la batterie 3 30 par le module de charge 5, et un mode d'équilibrage des accumulateurs Al à An de la batterie 3. La figure 3 est une représentation schématique des connexions électriques entre différents accumulateurs. Des interrupteurs Ipl+ à Ipn_I+, Ip1- à Ipn_~_ et lsl à Isä_, permettent de raccorder les différents accumulateurs entre eux 35 pour les connecter sélectivement en série ou en parallèle. Un interrupteur Is permet de connecter sélectivement le module de charge 5 aux accumulateurs. Les interrupteurs peuvent par exemple être mis en oeuvre sous la forme de transistors MOSFET de puissance, dont la commutation est commandée par le module de commande 6 en fonction du mode de fonctionnement. De tels 40 transistors peuvent présenter une résistance de conduction très réduite (de l'ordre de 1 mû) et peuvent nécessiter une énergie de commande très réduite. The invention proposes to recharge a storage battery by applying a charging current to series-connected accumulators and then switching battery connections to connect them in parallel, so that the most charged accumulators 10 discharge into the least charged batteries to balance their voltages. FIG. 2 is a schematic representation of a power supply system 1 including a storage battery 3 Al to An and a recharging device 2. The charging device 2 comprises a connection module 4 configured to be connected to the Each recharging device 2 also includes a charging module 5 connected to the connection module 4 to provide a charging current thereto. The recharging device 2 furthermore comprises a control module 6 connected on the one hand to the charging module 5, to the connection module 4 and to the battery 3. In other cases, the module 5 is not necessarily controlled by module 6: it may have been pre-programmed in voltage and current. The control module 6 comprises a control circuit 61, and a measuring circuit 62 able to measure the voltage across each accumulator and the intensity through each accumulator. The control module 6 may for example be implemented as a microcontroller. An electric charge 7 intended to be powered by the battery 3 is connected to the connection module 4. The recharging device 2 comprises in particular a power supply mode of the electric charge 7 by the battery 3, a charging mode of the battery 3 30 by the charging module 5, and a balancing mode accumulators Al to An battery 3. Figure 3 is a schematic representation of the electrical connections between different accumulators. Switches Ipl + to Ipn_I +, Ip1- to Ipn_ ~ _ and lsl to Isä_ are used to connect the different accumulators to each other to connect them selectively in series or in parallel. A switch Is selectively enables the charging module 5 to be connected to the accumulators. The switches may for example be implemented in the form of power MOSFET transistors, the switching of which is controlled by the control module 6 depending on the operating mode. Such transistors may have a very low conduction resistance (of the order of 1 m) and may require a very low control energy.
La figure 4 représente l'état des connexions des accumulateurs lorsque le dispositif de recharge 2 est en mode de charge. Dans ce mode, les interrupteurs Isl à Ise,_, sont fermés et les interrupteurs Ip1+ à Ipro+ et Ipl- à Ipro_ sont ouverts. Ainsi, l'ensemble des accumulateurs Al à An sont connectés en série. Figure 4 shows the state of the accumulator connections when the recharging device 2 is in charging mode. In this mode, the switches Is1 to Ise, _ are closed and the switches Ip1 + to Ipro + and Ip1 to Ipro_ are open. Thus, all accumulators Al to An are connected in series.
L'interrupteur Is est fermé. Ainsi, le module de change 5 peut appliquer un courant de charge pour procéder à la charge de l'ensemble des accumulateurs Al à An connectés en série. Pour alimenter la charge 7, les accumulateurs Al à An pourront être connectés en série, la charge 7 étant alors connectée aux bornes de l'empilement formé par ces accumulateurs. L'interrupteur Is est alors ouvert. La figure 5 représente l'état des connexions des accumulateurs lorsque le dispositif de recharge 2 est en mode d'équilibrage. Dans ce mode, les interrupteurs !si à Isn_1 sont ouverts, tandis que le les interrupteurs Ipl+ à lpn_I+ et Ip1- à Ipn_l_ sont fermés. Ainsi, l'ensemble des accumulateurs Al à An sont connectés en parallèle. L'interrupteur Is est ouvert. Ainsi, les tensions des différents accumulateurs s'équilibrent entre elles par l'intermédiaire des connexions en parallèle formant des liaisons équipotentielles. Les accumulateurs les plus chargés transfèrent une partie de leur charge dans les accumulateurs les moins chargés. Ainsi, l'équilibrage induit non seulement une réduction de la tension des accumulateurs les plus chargés mais également une hausse de la tension des accumulateurs les moins chargés. De plus, un tel équilibrage est avantageusement réalisé avec un minimum de pertes par dissipation électrique, la charge des accumulateurs les plus chargés étant récupérée dans les accumulateurs les moins chargés. Un tel équilibrage peut être réalisé avec des courants d'équilibrage relativement importants, ce qui permet de réduire sensiblement la durée d'une phase d'équilibrage des accumulateurs. The switch Is is closed. Thus, the exchange module 5 can apply a charging current for charging all the accumulators A1 to A connected in series. To supply the load 7, the accumulators Al to An may be connected in series, the load 7 then being connected to the terminals of the stack formed by these accumulators. The switch Is is then open. Figure 5 shows the state of the accumulator connections when the recharging device 2 is in balancing mode. In this mode, the switches! If at Isn_1 are open, while the switches Ipl + at lpn_I + and Ip1- at Ipn_l_ are closed. Thus, all the accumulators Al to An are connected in parallel. The switch Is is open. Thus, the voltages of the different accumulators equilibrate each other via parallel connections forming equipotential bonds. The most charged accumulators transfer part of their charge to the least charged accumulators. Thus, balancing not only leads to a reduction in the voltage of the most charged accumulators but also increases the voltage of the less charged accumulators. In addition, such balancing is advantageously achieved with a minimum of losses by electrical dissipation, the charge of the most charged accumulators being recovered in the least charged accumulators. Such balancing can be achieved with relatively large balancing currents, which can significantly reduce the duration of a balancing phase accumulators.
La figure 6 est un exemple de diagramme illustrant la tension de différents accumulateurs lors d'une charge à courant constant. Le diagramme illustre le profil de charge de différents accumulateurs de type LiFePO4. Les profils de charges comprennent une première phase P1 durant laquelle la tension des accumulateurs croît rapidement entre approximativement 2,9 V et 3,3 V. Les profils de charge comprennent ensuite une deuxième phase P2, formant un plateau présentant une pente relativement réduite avec ce type d'accumulateurs, durant laquelle la tension des accumulateurs croît entre approximativement 3,3 V et 3,5V. Les profils de charge comprennent ensuite une troisième phase P3 durant laquelle la pente de la tension augmente dans un premier temps, puis diminue dans un second temps pour poursuivre la charge des accumulateurs jusqu'à leur tension maximale. Pour de tels accumulateurs, les différences de tension entre eux apparaissent essentiellement durant la première phase P1 et durant la troisième phase P3, comme illustré sur la figure. Durant la phase P3, les différences de profils de charge entre les accumulateurs sont plus marquées. FIG. 6 is an example of a diagram illustrating the voltage of different accumulators during a constant current load. The diagram illustrates the charge profile of different LiFePO4 type accumulators. The charge profiles comprise a first phase P1 during which the voltage of the accumulators increases rapidly between approximately 2.9 V and 3.3 V. The charge profiles then comprise a second phase P2, forming a plateau having a relatively reduced slope with this phase. type of accumulator, during which the battery voltage increases between approximately 3.3 V and 3.5V. The charge profiles then comprise a third phase P3 during which the slope of the voltage increases in a first time, then decreases in a second time to continue charging the accumulators to their maximum voltage. For such accumulators, the voltage differences between them appear essentially during the first phase P1 and during the third phase P3, as illustrated in the figure. During phase P3, the differences in charge profiles between the accumulators are more pronounced.
La figure 7 est un logigramme d'un premier exemple de procédé de charge selon l'invention. Lors d'une étape 101, la charge de la batterie 3 est initiée et le module de commande 6 est placé en mode de charge. Le mode d'équilibrage est provisoirement verrouillé. Lors d'une étape 102, le module de connexion 4 connecte l'ensemble des accumulateurs en série selon la configuration des interrupteurs illustrée à la figure 4. Lors d'une étape 103, le module de commande 6 place le module de charge 5 en mode de charge à intensité constante. Le module de charge 5 est connecté aux bornes de l'empilement d'accumulateurs par la fermeture de l'interrupteur ls. À l'étape 104, la tension de l'ensemble des accumulateurs Al à An est mesurée. Tant qu'aucun des accumulateurs Al à An ne présente une tension dépassant un seuil Vnom, la charge à intensité constante est poursuivie. Si la tension d'au moins un des accumulateurs Al à An dépasse le seuil Vnom, le mode d'équilibrage du module de commande 6 est déverrouillé. À l'étape 105, on détermine si la tension d'au moins un des accumulateurs Al à An a atteint un seuil de protection Vfloat. Le seuil de protection Vfloat correspond à une valeur de tension que les accumulateurs ne doivent pas dépasser. La tension Vfloat pourra par exemple être fixée à 3,6V pour des accumulateurs de type LiFePO4. Si au moins un des accumulateurs Al à An a atteint le seuil Vfloat, on passe à l'étape 111. Sinon, on passe à l'étape 106. À l'étape 106, la charge des accumulateurs à intensité constante est poursuivie. À l'étape 107, on vérifie si la charge des accumulateurs nécessite un équilibrage. On détermine par exemple l'écart de tension AV entre l'accumulateur le plus chargé et l'accumulateur le moins chargé. Si cet écart est supérieur à un seuil OVMax, on passe à l'étape 108. Si cet écart AV est inférieur au seuil OVMax, on revient à l'étape 105. Cette étape peut également avantageusement être les étapes 105 et 111 détaillées par la suite : si l'écart AV est trop élevé, un nouvel équilibrage par l'étape 108 peut être mis en oeuvre. À l'étape 108, le module de commande 6 passe en mode d'équilibrage. FIG. 7 is a logic diagram of a first example of a charging method according to the invention. During a step 101, the charge of the battery 3 is initiated and the control module 6 is placed in charge mode. The balancing mode is temporarily locked. In a step 102, the connection module 4 connects all the accumulators in series according to the configuration of the switches illustrated in FIG. 4. In a step 103, the control module 6 places the charging module 5 in charging mode at constant intensity. The charging module 5 is connected to the terminals of the stack of accumulators by closing the switch ls. In step 104, the voltage of all accumulators Al to An is measured. As long as none of the accumulators A1 to An have a voltage exceeding a threshold Vnom, the load at constant intensity is continued. If the voltage of at least one of the accumulators Al to An exceeds the threshold Vnom, the balancing mode of the control module 6 is unlocked. In step 105, it is determined whether the voltage of at least one of the accumulators Al to An has reached a Vfloat protection threshold. The Vfloat protection threshold corresponds to a voltage value that the accumulators must not exceed. The voltage Vfloat may for example be fixed at 3.6V for LiFePO4 type accumulators. If at least one of the accumulators Al to An has reached the threshold Vfloat, go to step 111. Otherwise, go to step 106. In step 106, the charging of accumulators constant intensity is continued. In step 107, it is checked whether the charge of the accumulators requires a balancing. For example, the voltage difference AV between the most charged accumulator and the least charged accumulator is determined. If this difference is greater than an OVMax threshold, proceed to step 108. If this AV difference is less than the threshold OVMax, it returns to step 105. This step can also advantageously be the steps 105 and 111 detailed by the following: if the AV gap is too high, a new balancing step 108 can be implemented. In step 108, the control module 6 enters the balancing mode.
Le module de connexion 4 connecte l'ensemble des accumulateurs en parallèle selon la configuration des interrupteurs illustrée à la figure 5. Le module de charge 5 est déconnecté des bornes des accumulateurs par l'ouverture de l'interrupteur Is. À l'étape 109, on détermine si le mode d'équilibrage doit être poursuivi. The connection module 4 connects all the accumulators in parallel according to the configuration of the switches illustrated in FIG. 5. The charging module 5 is disconnected from the terminals of the accumulators by the opening of the switch Is. At step 109 it is determined whether the balancing mode should be continued.
On peut par exemple mesurer les courants d'équilibrage leq entre les accumulateurs et déterminer lorsque l'ensemble de ces courants sont inférieurs à un seuil leqmin. Lorsqu'au moins un courant d'équilibrage reste supérieur au seuil leqmin, on maintient le mode d'équilibrage. Mais pour éviter d'avoir à mesurer le courant et à le comparer, une durée du mode d'équilibrage peut être prédéterminée. Lorsque l'ensemble des courants d'équilibrage sont inférieurs au seuil leqmin, on passe à l'étape 110. À l'étape 110, on détermine si la tension d'au moins un des accumulateurs a atteint le seuil de protection Vfloat. Si ce n'est pas le cas, on connecte l'ensemble des accumulateurs en série, puis on retourne à l'étape 105. Si au moins un des accumulateurs a atteint le seuil de protection Vfloat, on passe à l'étape 111. À l'étape 111, le module de commande 6 commande au module de charge 5 de passer en mode de charge à tension constante. Ce mode de charge est destiné à terminer la charge des accumulateurs avec un courant relativement réduit. À l'étape 112, les accumulateurs sont connectés en série et la charge à tension constante leur est appliquée pendant une durée prédéterminée ou jusqu'à ce que le courant de charge soit inférieur à un seuil prédéfini. À l'étape 113, la charge de la batterie 3 se termine. Pour mettre en oeuvre ce procédé de charge, le module de charge 5 dispose d'un mode de charge à intensité constante et d'un mode de charge à tension constante. For example, it is possible to measure the balancing currents leq between the accumulators and to determine when all of these currents are below a threshold leqmin. When at least one balancing current remains greater than the threshold leqmin, the balancing mode is maintained. But to avoid having to measure the current and to compare it, a duration of the balancing mode can be predetermined. When all the balancing currents are below the threshold leqmin, go to step 110. In step 110, it is determined whether the voltage of at least one of the accumulators has reached the protection threshold Vfloat. If this is not the case, all accumulators are connected in series, then return to step 105. If at least one of the accumulators has reached the protection threshold Vfloat, proceed to step 111. In step 111, the control module 6 commands the load module 5 to switch to constant voltage charging mode. This charging mode is intended to terminate the charging of the accumulators with a relatively reduced current. In step 112, the accumulators are connected in series and the constant voltage charge is applied thereto for a predetermined duration or until the charging current is below a predefined threshold. In step 113, the charge of the battery 3 ends. To implement this charging method, the charging module 5 has a constant current charging mode and a constant voltage charging mode.
La figure 8 est un logigramme d'un deuxième exemple de procédé de charge selon l'invention. Lors d'une étape 201, la charge de la batterie 3 est initiée et le module de commande est placé en mode de charge. Le mode d'équilibrage est provisoirement verrouillé. Lors d'une étape 202, le module de connexion 4 connecte l'ensemble des accumulateurs en série selon la configuration des interrupteurs illustrée à la figure 4. Lors d'une étape 203, le module de commande 6 place le module de charge 5 en mode de charge à intensité constante et connecte le module de charge 5 aux accumulateurs en fermant l'interrupteur Is. À l'étape 204, la tension de l'ensemble des accumulateurs Al à An est mesurée. Tant qu'aucun des accumulateurs Al à An ne présente une tension dépassant un seuil Vnom, la charge à intensité constante est poursuivie. Si la tension d'au moins un des accumulateurs Al à An dépasse le seuil Vnom, le mode d'équilibrage du module de commande 6 est déverrouillé. À une étape 205, le module de commande 6 place le module de charge 5 en mode de charge à impulsions de courant et connecte l'ensemble des accumulateurs Al à An en série. L'interrupteur Is est fermé. À l'étape 206, une impulsion de courant est appliquée aux accumulateurs pendant une durée prédéterminée. À l'expiration de cette durée, à l'étape 207, le module de commande 6 bascule en mode d'équilibrage. Le module de connexion 4 connecte l'ensemble des accumulateurs en parallèle. L'interrupteur Is est ouvert. À l'étape 208, l'équilibrage est maintenu pendant une durée prédéterminée. À l'étape 209, la tension de l'ensemble des accumulateurs Al à An est mesurée. Si aucun des accumulateurs Al à An ne présente une tension dépassant le seuil Vfloat, on repasse à l'étape 205. Si au moins une des tensions mesurées est supérieure au seuil Vfloat, on passe à l'étape 210. À l'étape 210, le module de commande 6 commande au module de charge 5 de passer en mode de charge à tension constante. Ce mode de charge est destiné à terminer la charge des accumulateurs avec un courant relativement réduit, afin d'augmenter la durée de vie des accumulateurs. À l'étape 211, les accumulateurs sont connectés en série et la charge à tension constante leur est appliquée pendant une durée prédéterminée ou jusqu'à ce que le courant de charge soit inférieur à un seuil prédéfini. À l'étape 212, la charge de la batterie 3 se termine. FIG. 8 is a flow chart of a second example of a charging method according to the invention. During a step 201, the charge of the battery 3 is initiated and the control module is placed in charge mode. The balancing mode is temporarily locked. In a step 202, the connection module 4 connects the set of accumulators in series according to the configuration of the switches illustrated in FIG. 4. In a step 203, the control module 6 places the charging module 5 in constant-current charging mode and connects the charging module 5 to the accumulators by closing the switch Is. In step 204, the voltage of all the accumulators Al to An is measured. As long as none of the accumulators A1 to An have a voltage exceeding a threshold Vnom, the load at constant intensity is continued. If the voltage of at least one of the accumulators Al to An exceeds the threshold Vnom, the balancing mode of the control module 6 is unlocked. In a step 205, the control module 6 places the charging module 5 in current pulse charging mode and connects all the accumulators Al to An in series. The switch Is is closed. In step 206, a current pulse is applied to the accumulators for a predetermined time. At the end of this period, in step 207, the control module 6 switches to balancing mode. The connection module 4 connects all the accumulators in parallel. The switch Is is open. In step 208, the balancing is maintained for a predetermined duration. In step 209, the voltage of the set of accumulators A1 to An is measured. If none of the accumulators Al to An has a voltage exceeding the threshold Vfloat, we go back to step 205. If at least one of the voltages measured is greater than the threshold Vfloat, we go to step 210. In step 210 , the control module 6 commands the load module 5 to switch to constant voltage charging mode. This charging mode is intended to terminate the charging of the accumulators with a relatively small current, in order to increase the life of the accumulators. In step 211, the accumulators are connected in series and the constant voltage charge is applied to them for a predetermined time or until the charging current is below a predefined threshold. In step 212, the charge of the battery 3 ends.
L'amplitude du courant appliqué durant les impulsions pourra être supérieure à l'amplitude du courant appliqué durant la charge à intensité constante. L'amplitude du courant des impulsions pourra par exemple être le double du courant appliqué durant la charge à intensité constante. En utilisant un rapport cyclique approprié entre les phases de charge par impulsions et les phases d'équilibrage, l'amplitude supérieure des impulsions ne risquera pas de détériorer les accumulateurs. En pratique, une phase d'équilibrage est réalisée en temps masqué entre deux impulsions de courant. Par conséquent, un équilibrage peut-être réalisé sans pour autant accroître la durée de charge de la batterie 3. The amplitude of the current applied during the pulses may be greater than the amplitude of the current applied during the charging at constant intensity. The amplitude of the pulse current may for example be twice the current applied during charging at constant intensity. By using an appropriate duty cycle between the pulse charging phases and the balancing phases, the higher amplitude of the pulses will not risk damaging the accumulators. In practice, a balancing phase is performed in masked time between two current pulses. Therefore, a balancing can be achieved without increasing the charging time of the battery 3.
Pour mettre en oeuvre ce procédé de charge, le module de charge 5 dispose d'un mode de charge à intensité constante, d'un mode de charge à impulsions de courant et d'un mode de charge à tension constante. To implement this charging method, the charging module 5 has a constant current charging mode, a current pulse charging mode and a constant voltage charging mode.
Selon ces logigrammes, le mode d'équilibrage est conditionné par le fait qu'au moins un des accumulateurs atteint une tension minimale Vnom. La tension Vnom correspondra avantageusement au début du plateau de la deuxième phase P2 du profil de charge. La tension Vnom pourra ainsi être égale à 3,4V avec le type d'accumulateur correspondant au profil de charge de la figure 6. Un équilibrage peut ainsi être avantageusement réalisé dès la deuxième phase P2, lorsque les écarts de tension entre les accumulateurs sont relativement faibles. On limite ainsi l'amplitude des courants d'équilibrage, ce qui accroît la durée de vie des différents accumulateurs et accroît la sécurité de fonctionnement dans le mode d'équilibrage. Le seuil de différence de tension AVMax à partir duquel le mode d'équilibrage est activé présentera avantageusement une amplitude relativement réduite, par exemple 50mV, afin de procéder à un équilibrage très précoce des charges des accumulateurs. De tels équilibrages précoces permettent notamment de limiter l'intensité d'équilibrage lors de la fin de la charge des accumulateurs. According to these flowcharts, the balancing mode is conditioned by the fact that at least one of the accumulators reaches a minimum voltage Vnom. The voltage Vnom will advantageously correspond to the beginning of the plateau of the second phase P2 of the charge profile. The voltage Vnom can thus be equal to 3.4V with the type of accumulator corresponding to the charge profile of FIG. 6. A balancing can thus be advantageously achieved as early as the second phase P2, when the voltage differences between the accumulators are relatively low. This limits the amplitude of the balancing currents, which increases the life of the various accumulators and increases the operational safety in the balancing mode. The voltage difference threshold AVMax from which the balancing mode is activated will advantageously have a relatively reduced amplitude, for example 50mV, in order to proceed to a very early balancing of the charges of the accumulators. Such early balancing notably make it possible to limit the balancing intensity at the end of the charge of the accumulators.
La figure 9 représente schématiquement les connexions électriques dans un dispositif de recharge 2 selon une variante. Un nombre n d'accumulateurs sont associés (en l'occurrence 2) en m groupes (en l'occurrence 3). Les accumulateurs Al et A2 forment ainsi le groupe G1, les accumulateurs A3 et A4 forment ainsi le groupe G2 et les accumulateurs A5 et A6 forment ainsi le groupe G3. Le module de charge 5 est connecté aux bornes des différents groupes par l'intermédiaire de paires d'interrupteurs 1+, I-, commandés par le module de commande 6. Le module de commande 6 peut connecter en série les accumulateurs d'un groupe et fermer les interrupteurs 1+ et I- associés. Dans le même temps, le module de commande 6 peut connecter les accumulateurs des autres groupes en parallèle et ouvrir les interrupteurs 1+ et I- associés. Le groupe subissant la charge sera modifié à intervalle régulier. Ainsi, la charge d'un groupe peut être réalisée avec un rapport cyclique 1/m, les autres groupes étant équilibrés en temps masqué pendant ce temps. Figure 9 shows schematically the electrical connections in a charging device 2 according to a variant. A number n of accumulators are associated (in this case 2) in m groups (in this case 3). The accumulators A1 and A2 thus form the group G1, the accumulators A3 and A4 thus form the group G2 and the accumulators A5 and A6 thus form the group G3. The charging module 5 is connected to the terminals of the different groups via pairs of switches 1+, I-, controlled by the control module 6. The control module 6 can connect in series the accumulators of a group and close the switches 1+ and I- associated. At the same time, the control module 6 can connect the accumulators of the other groups in parallel and open the switches 1+ and I- associated. The group undergoing the charge will be changed at regular intervals. Thus, the charge of a group can be carried out with a duty cycle 1 / m, the other groups being balanced in time masked during this time.
Par exemple, pour la charge du groupe G1 et l'équilibrage des groupes G2 et G3, les interrupteurs Is1, Ip3+, Ip4+, Ip5+, Ip3-, Ip4- et Ip5- sont fermés et les interrupteurs Ipl+, Ip1-, Ip2+, Ip2- et Is2 à Is5 sont ouverts. Une telle architecture permet également de réaliser la charge d'une batterie 3 haute tension à partir d'un module de charge 5 basse tension, en divisant par un rapport m la tension du module de charge 5 par rapport à la tension aux bornes de la batterie 3 lorsque ses accumulateurs sont connectés en série. For example, for the charge of group G1 and the balancing of groups G2 and G3, the switches Is1, Ip3 +, Ip4 +, Ip5 +, Ip3-, Ip4- and Ip5- are closed and the switches Ipl +, Ip1-, Ip2 +, Ip2 - and Is2 to Is5 are open. Such an architecture also makes it possible to charge a high-voltage battery 3 from a low-voltage charging module by dividing by a ratio m the voltage of the charging module 5 with respect to the voltage across the terminal. battery 3 when its accumulators are connected in series.
Le module de connexion 4 permet de modifier les connexions des accumulateurs pour l'alimentation de la charge 7. Ainsi, si la tension de la batterie 3 doit être abaissée pour des raisons de sécurités, certains accumulateurs pourront être court-circuités par l'intermédiaire d'interrupteurs Ip1- à Ipn_i_. Le module de connexion 4 permet également de court-circuiter un accumulateur défectueux pour ne pas nuire au fonctionnement de la batterie 3. The connection module 4 makes it possible to modify the connections of the accumulators for the supply of the load 7. Thus, if the voltage of the battery 3 has to be lowered for reasons of safety, certain accumulators may be short-circuited via of switches Ip1- to Ipn_i_. The connection module 4 also makes it possible to short-circuit a defective accumulator so as not to impair the operation of the battery 3.
Dans les modes de réalisation du dispositif de recharge décrits, le module de connexion connecte l'ensemble des accumulateurs en série lorsque la batterie alimente la charge 7. Cependant, cela s'applique également à une batterie dans laquelle le module de connexion connecte en série plusieurs étages comprenant chacun plusieurs accumulateurs en parallèle durant l'alimentation de la charge. In the embodiments of the recharging device described, the connection module connects all the accumulators in series when the battery supplies the load 7. However, this also applies to a battery in which the connection module connects in series. several stages each comprising several accumulators in parallel during the supply of the load.
Un tel système électrique 1 s'avère particulièrement approprié pour un montage dans un dispositif autonome tel qu'un véhicule automobile, du fait de sa capacité de recharge en un temps réduit. Such an electrical system 1 is particularly suitable for mounting in an autonomous device such as a motor vehicle, because of its ability to recharge in a reduced time.
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