FR2949908A1 - Electrochemical battery e.g. nickel-cadmium battery, monitoring method for portable computer, involves directly detecting abnormality within battery as path of harmful chemical reaction within battery or physical degradation of battery - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un procédé de surveillance d'un accumulateur à électrolyte aqueux, permettant son utilisation optimale et la détermination optimisée de la fin d'un procédé de charge de cet accumulateur. Elle est particulièrement adaptée aux accumulateurs à base de Nickel comme le nickel-cadmium ou le nickel-hydrure métallique (NiMH). Elle concerne aussi un chargeur d'accumulateur mettant en oeuvre un tel procédé et un accumulateur particulier adapté à une recharge selon le procédé de l'invention. Enfin, elle porte aussi sur un accumulateur en tant que tel et un système autonome, comprenant un accumulateur et un chargeur selon l'invention. The invention relates to a method of monitoring an aqueous electrolyte accumulator, enabling its optimal use and the optimized determination of the end of a charge process of this accumulator. It is particularly suitable for nickel-based accumulators such as nickel-cadmium or nickel-metal hydride (NiMH). It also relates to an accumulator charger implementing such a method and a particular accumulator suitable for recharging according to the method of the invention. Finally, it also relates to an accumulator as such and an autonomous system comprising an accumulator and a charger according to the invention.
De nombreux objets nomades, comme un ordinateur portable ou un téléphone mobile, des moyens de transport comme un véhicule automobile électrique, utilisent des accumulateurs à haute densité énergétique. Une technologie couramment mise en oeuvre dans ces accumulateurs repose sur un accumulateur électrochimique à base de nickel, qui possède l'avantage d'offrir une énergie volumique élevée. Many nomadic objects, such as a laptop or a mobile phone, means of transport such as an electric motor vehicle, use high energy density batteries. A technology currently used in these accumulators is based on a nickel-based electrochemical accumulator, which has the advantage of offering high energy density.
Par exemple, l'accumulateur de type NIMH est couramment utilisé et comprend une électrode positive en nickel et une électrode négative en alliage M absorbant l'hydrogène. Ces deux électrodes baignent dans une solution aqueuse alcaline. La recharge d'un tel accumulateur génère la réaction chimique suivante au niveau de l'électrode positive : 2 Ni(OH)2 + 2 OH > 2 NiOOH + 2H2O + 2 e- La recharge d'un tel accumulateur s'accompagne de plus d'une réaction néfaste de décomposition de l'eau, qui apparaît plutôt dans une seconde phase de la charge. Cette réaction néfaste correspond à la réaction chimique suivante : 2 NiOOH + H2O > 2 Ni(OH)2 +'/2 0230 En effet, la réaction de décomposition de l'eau vient en concurrence de la première réaction chimique de recharge de l'accumulateur, en abaissant ainsi le rendement de la charge. Pour cette raison, elle est qualifiée de réaction néfaste . Ainsi, pour surmonter ce phénomène et obtenir une réelle charge à pleine capacité de l'électrode, il est habituel de réaliser une surcharge de l'accumulateur, qui se mesure en pourcentage de sa capacité nominale, et qui s'élève à 120% et 160% de recharge, 100% désignant la pleine charge nominale et la surcharge s'élevant donc de 20% à 60%. Ces solutions courantes de l'état de la technique présentent les inconvénients suivants : - le temps de charge des accumulateurs est long ; - le rendement énergétique des procédés de recharge est faible ; - la durée de vie de tels accumulateurs est faible, limitée à quelques centaines d'opérations de charges/décharges. For example, the NIMH type accumulator is commonly used and includes a nickel positive electrode and a hydrogen absorbing M alloy negative electrode. These two electrodes are immersed in an aqueous alkaline solution. The recharging of such an accumulator generates the following chemical reaction at the positive electrode: 2 Ni (OH) 2 + 2 OH> 2 NiOOH + 2H2O + 2 e- The recharge of such an accumulator is accompanied by more a harmful reaction of decomposition of water, which appears rather in a second phase of the load. This harmful reaction corresponds to the following chemical reaction: 2 NiOOH + H2O> 2 Ni (OH) 2 + '/ 2 0230 Indeed, the reaction of decomposition of the water competes with the first chemical reaction of recharge of the accumulator, thus lowering the efficiency of the load. For this reason, it is described as a bad reaction. Thus, to overcome this phenomenon and obtain a real charge at full capacity of the electrode, it is usual to achieve an overload of the accumulator, which is measured as a percentage of its nominal capacity, and which amounts to 120% and 160% recharge, 100% designating the full rated load and the overload rising from 20% to 60%. These current solutions of the state of the art have the following disadvantages: the charging time of the accumulators is long; the energy efficiency of the charging processes is low; - The life of such accumulators is low, limited to a few hundred operations charges / discharges.
D'autre part, d'autres réactions néfastes peuvent survenir au cours de l'utilisation de l'accumulateur, entraînant des dégradations souvent irréversibles qui altèrent les propriétés de l'accumulateur et entraînent son vieillissement prématuré. Par exemple, des réactions de corrosion interne peuvent apparaître, comme une corrosion du collecteur de courant à l'interface avec la matière active qui augmente la résistance interne de l'accumulateur. Selon un autre exemple, des décompositions de type thermique peuvent apparaître, comme la décomposition des composés carbonatés lors de réactions d'emballement thermique des batteries de type Li-Ion. Enfin, des réactions habituelles lors du fonctionnement peuvent s'emballer et devenir gênantes. On the other hand, other adverse reactions can occur during the use of the battery, resulting in often irreversible damage that impair the properties of the battery and cause premature aging. For example, internal corrosion reactions may occur, such as corrosion of the current collector at the interface with the active material which increases the internal resistance of the accumulator. According to another example, thermal type decompositions may appear, such as the decomposition of carbonated compounds during thermal runaway reactions of Li-Ion type batteries. Finally, usual reactions during operation can be annoying and annoying.
Pour pallier une partie de ces inconvénients, le document US2007/0075678 propose un procédé plus court de recharge de tels accumulateurs. Cette solution reste insuffisante. To alleviate some of these drawbacks, document US2007 / 0075678 proposes a shorter method of recharging such accumulators. This solution remains insufficient.
Outre les considérations précédentes, il faut ensuite concrètement gérer les phases de recharge des accumulateurs et notamment déterminer l'instant de fin de ces recharges. Dans l'état de la technique, les phases de charge sont en général régulées pour éviter les courants pouvant entraîner des surcharges et décharges excessives. Pour cela, une première approche repose sur la prévision de la quantité d'électricité à fournir pour recharger un accumulateur (approche ampère-heure métrique) par un processus à courant faible et une seconde approche repose sur la prévision d'une durée de recharge, à un certain régime de courant constant. Tous ces procédés de recharge existants déterminent la fin de charge de l'accumulateur en utilisant comme indicateur la mesure de la tension ou de la dérivée de la température, voire une combinaison des deux comme cela est présenté dans le document JP11122837. In addition to the above considerations, it is then necessary to concretely manage the recharging phases of the accumulators and in particular to determine the end time of these refills. In the state of the art, charging phases are generally regulated to avoid currents that can lead to excessive overcharging and discharging. For that, a first approach is based on the prediction of the quantity of electricity to be supplied to recharge an accumulator (approach ampere-hour metric) by a process with weak current and a second approach rests on the prediction of a duration of recharge, at a certain constant current regime. All these existing charging methods determine the end of charge of the accumulator by using as an indicator the measurement of the voltage or the derivative of the temperature, or even a combination of the two as is presented in the document JP11122837.
Ces méthodes de l'état de la technique de gestion des phases de recharge des accumulateurs présentent de nombreux inconvénients. En effet, la prise en compte d'un indicateur consistant en la mesure de la tension repose sur le fait qu'il existe généralement une augmentation de la tension en fin de charge de l'accumulateur. Toutefois, ce phénomène disparaît lorsque la température ambiante est variable ou dépasse une certaine valeur. De plus, le courant de charge peut fluctuer lorsque certaines sources d'énergie comme une source photovoltaïque ou éolienne sont utilisées. Dans un tel cas, la tension de l'accumulateur, qui varie avec le courant de recharge, devient instable et ne représente plus un indicateur efficace. De même, la mesure de la température comme indicateur devient inexploitable dans certaines conditions environnementales défavorables. Ainsi, les solutions existantes ne permettent pas de garantir avec fiabilité la détermination de la fin de la phase de recharge d'un accumulateur. These state-of-the-art methods of managing the recharging phases of accumulators have many disadvantages. Indeed, taking into account an indicator consisting of the measurement of the voltage is based on the fact that there is generally an increase in the voltage at the end of charging the battery. However, this phenomenon disappears when the ambient temperature is variable or exceeds a certain value. In addition, the charging current can fluctuate when certain energy sources such as a photovoltaic or wind source are used. In such a case, the voltage of the accumulator, which varies with the charging current, becomes unstable and no longer represents an effective indicator. Similarly, the measurement of temperature as an indicator becomes inoperable under certain adverse environmental conditions. Thus, existing solutions do not reliably guarantee the determination of the end of the charging phase of an accumulator.
De plus, la gestion des accumulateurs de l'état de la technique ne permet pas de pallier à certaines anomalies qui apparaissent au cours du fonctionnement des accumulateurs. Par exemple, des phénomènes thermiques peuvent entraîner des dilatations des matériaux de l'accumulateur, certains composants peuvent se rompre, se déchirer ou se percer, des dégradations internes peuvent apparaître comme la formation d'une dendrite de lithium qui peut percer le séparateur. Nous regrouperons ces phénomènes sous la dénomination de dégradation physique. Moreover, the management of accumulators of the state of the art does not make it possible to overcome certain anomalies that appear during the operation of the accumulators. For example, thermal phenomena can lead to expansions of the materials of the accumulator, some components can break, tear or break, internal damage can appear as the formation of a lithium dendrite that can pierce the separator. We will group these phenomena under the denomination of physical degradation.
Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution de surveillance en phase d'utilisation et de recharge d'un accumulateur qui ne comprend pas les inconvénients des solutions de l'état de la technique. Plus précisément, l'invention cherche à atteindre tout ou partie des objets suivants : Thus, a general object of the invention is to propose a monitoring solution during the use and recharging phase of an accumulator which does not include the disadvantages of the solutions of the state of the art. More specifically, the invention seeks to achieve all or part of the following objects:
Un premier objet de l'invention est de proposer une solution de 20 surveillance d'une phase d'utilisation (charge ou recharge) d'un accumulateur qui permet d'atteindre un niveau de charge sans risque de dégradation de l'accumulateur. A first object of the invention is to propose a monitoring solution for a phase of use (charging or recharging) of an accumulator which makes it possible to reach a charge level without any risk of degradation of the accumulator.
Un second objet de l'invention est de proposer une solution de 25 surveillance d'une phase d'utilisation d'un accumulateur permettant de préserver les accumulateurs et ainsi obtenir une durée de vie allongée des accumulateurs, tout en évitant des anomalies de fonctionnement. A second object of the invention is to propose a solution for monitoring a phase of use of an accumulator making it possible to preserve the accumulators and thus to obtain an extended lifetime of the accumulators, while avoiding operating anomalies.
A cet effet, l'invention repose sur un procédé de surveillance d'un 30 accumulateur électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend une étape15 de détection directe d'une anomalie au sein de l'accumulateur comme le déroulement d'au moins une réaction chimique néfaste au sein de l'accumulateur ou d'une dégradation physique de l'accumulateur. For this purpose, the invention is based on a method of monitoring an electrochemical accumulator, characterized in that it comprises a step 15 of direct detection of an anomaly within the accumulator such as the unwinding of at least one harmful chemical reaction within the accumulator or physical deterioration of the accumulator.
L'étape de détection directe d'une anomalie au sein de l'accumulateur peut comprendre une analyse acoustique de l'accumulateur. The step of directly detecting an anomaly within the accumulator may comprise an acoustic analysis of the accumulator.
De plus, le procédé peut comprendre une étape de filtrage d'un signal acoustique provenant de l'accumulateur afin d'identifier un signal provenant spécifiquement d'une réaction chimique néfaste ou d'une dégradation physique parmi d'autres signaux. In addition, the method may include a step of filtering an acoustic signal from the accumulator to identify a signal specifically derived from a detrimental chemical reaction or physical degradation from other signals.
Le signal acoustique filtré peut comprendre un signal généré par la création de bulles gazeuses au sein de l'accumulateur par une réaction chimique néfaste, comme lors d'une réaction de décomposition de l'eau. The filtered acoustic signal may comprise a signal generated by the creation of gas bubbles within the accumulator by a harmful chemical reaction, such as during a decomposition reaction of the water.
Le signal acoustique filtré peut comprendre un signal généré par une dégradation physique de l'accumulateur parmi la dilatation d'un composant, un déchirement ou perçage d'un composant, toute déformation physique d'un composant. The filtered acoustic signal may comprise a signal generated by a physical degradation of the accumulator among the expansion of a component, a tearing or piercing of a component, any physical deformation of a component.
Le procédé de surveillance d'un accumulateur électrochimique peut comprendre une étape déterminant la fin d'une phase de charge de l'accumulateur dès l'apparition d'au moins une réaction néfaste. La fin d'une phase de charge de l'accumulateur peut être obtenue pour une capacité inférieure ou égale à 90% de la capacité nominale de l'accumulateur.25 L'invention porte aussi sur un accumulateur électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de détection directe d'une anomalie au sein de l'accumulateur comme le déroulement d'au moins une réaction chimique néfaste au sein de l'accumulateur ou d'une dégradation physique de l'accumulateur. The method of monitoring an electrochemical accumulator may comprise a step determining the end of a charge phase of the accumulator as soon as at least one harmful reaction appears. The end of a charge phase of the accumulator can be obtained for a capacity less than or equal to 90% of the nominal capacity of the accumulator. The invention also relates to an electrochemical accumulator, characterized in that comprises a means for directly detecting an abnormality in the accumulator such as the course of at least one harmful chemical reaction in the accumulator or a physical deterioration of the accumulator.
Le moyen de détection du déroulement de réactions chimiques ou physiques néfastes peut être un capteur acoustique. The means for detecting the unfolding of harmful chemical or physical reactions may be an acoustic sensor.
L'accumulateur électrochimique peut être un accumulateur à base de Nickel. The electrochemical accumulator may be a nickel-based battery.
L'invention porte aussi sur un chargeur d'accumulateur électrochimique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de recharge commandé par une unité centrale mettant en oeuvre le procédé de surveillance d'une phase de recharge tel que décrit précédemment. The invention also relates to an electrochemical accumulator charger, characterized in that it comprises a recharging device controlled by a central unit implementing the method of monitoring a recharging phase as described above.
Le chargeur d'accumulateur peut comprendre un bloc de traitement de signal acoustique. The battery charger may include an acoustic signal processing block.
L'invention porte aussi sur un système comprenant un moteur ou actionneur ou ordinateur, caractérisé en ce qu'il comprend un accumulateur électrochimique tel que décrit précédemment et un chargeur d'accumulateur électrochimique tel que décrit ci-dessus. The invention also relates to a system comprising a motor or actuator or computer, characterized in that it comprises an electrochemical accumulator as described above and an electrochemical accumulator charger as described above.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 25 30 La figure 1 représente schématiquement un système autonome selon un mode d'exécution de l'invention. These objects, features and advantages of the present invention will be set forth in detail in the following description of a particular embodiment given in a non-limiting manner in relation to the appended figures in which: FIG. 1 schematically represents a system autonomous according to one embodiment of the invention.
La figure 2 représente schématiquement la courbe de tension aux bornes d'un accumulateur durant sa recharge. FIG. 2 diagrammatically represents the voltage curve at the terminals of an accumulator during its recharging.
La figure 3 représente le pourcentage de capacité restituée par une batterie en fonction du nombre de décharges totales pour une batterie de l'état de la technique et une selon l'invention. FIG. 3 represents the percentage of capacitance restored by a battery as a function of the number of total discharges for a battery of the state of the art and one according to the invention.
L'invention repose sur le concept de surveiller les phases de charge et de décharge, c'est-à-dire d'utilisation, d'un accumulateur, afin de détecter au plus vite une anomalie de type réaction néfaste ou de type dégradation physique de composants, pour stopper l'opération afin de préserver l'accumulateur et son environnement. The invention is based on the concept of monitoring the phases of charging and discharging, that is to say of use, of an accumulator, in order to detect as quickly as possible an anomaly of the type that is harmful or of a physical deterioration type. components, to stop the operation to preserve the battery and its environment.
L'invention s'applique notamment à la recharge d'un accumulateur dont la fin de la recharge dépend de la détection directe du déroulement d'une ou plusieurs réactions chimiques néfastes au sein de l'accumulateur. Cette recharge peut ainsi être stoppée dès l'apparition de réactions néfastes. Avantageusement, le moyen de détection directe du déroulement d'une réaction chimique est de type acoustique, comme cela va être décrit en détail ci-dessous dans le mode d'exécution préféré de l'invention. The invention applies in particular to the recharging of an accumulator whose end of recharging depends on the direct detection of the unfolding of one or more harmful chemical reactions within the accumulator. This recharge can be stopped as soon as harmful reactions appear. Advantageously, the means for directly detecting the course of a chemical reaction is of acoustic type, as will be described in detail below in the preferred embodiment of the invention.
La figure 1 représente un système actif autonome 1, relié à une source d'énergie photovoltaïque 20 de 3 Wc, et qui comprend une batterie 2 de type NiMH de tension nominale égale à 12,5 V. A titre d'exemple, nous supposerons que le système actif consomme en moyenne 150 mAh et qu'il est choisi de dimensionner la batterie 2 afin d'obtenir une autonomie de dix jours, c'est-à-dire une batterie de capacité de 1,5 Ah. FIG. 1 represents an autonomous active system 1, connected to a photovoltaic power source 20 of 3 Wc, and which comprises a battery 2 of NiMH type with a nominal voltage equal to 12.5 V. For example, we will assume that the active system consumes on average 150 mAh and that it is chosen to size the battery 2 in order to obtain a ten-day autonomy, that is to say a battery capacity of 1.5 Ah.
Le système autonome 1 comprend de plus un dispositif de recharge 3 de la batterie 2, qui fonctionne selon un procédé de recharge géré par une unité centrale CPU 4 qui sera détaillé ultérieurement. Cette unité centrale 4 gère de plus la distribution de l'énergie provenant de la batterie 2 vers un moteur ou actionneur 7 du système, par l'intermédiaire d'un convertisseur DC-DC 5 et d'un bloc de commande 6 du moteur 7. L'unité centrale gère aussi un moyen de communication 8, qui peut être de type radiofréquence. En variante, le dispositif autonome pourrait ne pas mettre en mouvement un moteur ou actionneur mais alimenter un ordinateur ou un moyen informatique. The autonomous system 1 further comprises a recharging device 3 of the battery 2, which operates according to a charging method managed by a CPU 4 which will be detailed later. This central unit 4 further manages the distribution of the energy from the battery 2 to a motor or actuator 7 of the system, via a DC-DC converter 5 and a control block 6 of the motor 7. The central unit also manages a communication means 8, which may be of the radiofrequency type. Alternatively, the autonomous device could not put in motion a motor or actuator but power a computer or computer means.
Enfin, pour mettre en oeuvre le procédé de surveillance de la batterie 2 selon l'invention, le système comprend de plus un moyen de détection 10 de réactions chimiques néfastes se déroulant au sein de la batterie ou d'anomalies physiques. Ce moyen est un capteur acoustique, disposé aux abords de la batterie 2, et qui communique avec l'unité centrale 4, par l'intermédiaire d'un bloc 9 de prétraitement de l'information acoustique provenant du capteur acoustique. Finally, to implement the monitoring method of the battery 2 according to the invention, the system further comprises a means 10 for detecting harmful chemical reactions taking place within the battery or physical abnormalities. This means is an acoustic sensor disposed near the battery 2, and communicates with the central unit 4, through a block 9 of preprocessing acoustic information from the acoustic sensor.
L'unité centrale 4 du système autonome 1 gère la charge de la batterie, de sorte d'optimiser la fiabilité du système ainsi que la durée de vie du stockage de l'énergie, grâce à un bon compromis entre le stockage d'un maximum d'énergie sans toutefois dégrader les performances de la batterie pour assurer sa longévité. Il procède régulièrement aux mesures de courant, tension et température aux bornes de la batterie 2, ainsi qu'à la température de l'électronique du système. The central unit 4 of the autonomous system 1 manages the charge of the battery, so as to optimize the reliability of the system as well as the lifetime of the energy storage, thanks to a good compromise between the storage of a maximum without degrading the performance of the battery to ensure its longevity. It regularly measures the current, voltage and temperature across the battery 2, as well as the temperature of the electronics of the system.
Le système autonome 1 est adapté à une utilisation dans des conditions extrêmes, dans lesquelles la batterie 2 subit des températures supérieures à 40°Celsius, pour lesquelles les procédés de recharge de l'état de la technique ne sont pas fiables. The autonomous system 1 is suitable for use in extreme conditions, in which the battery 2 is subjected to temperatures higher than 40 ° Celsius, for which the charging methods of the state of the art are unreliable.
Lors d'une recharge d'une batterie de type NiMH, la courbe de tension 21, représentée sur la figure 2, augmente en fonction du pourcentage de la charge nominale. On note un seuil 22 légèrement au-delà de 80% de la charge nominale pour lequel la tension présente une forte hausse. La courbe 21 est représentée jusqu'à une valeur de 160 % de la charge par rapport à la charge nominale, ce qui correspond à une surcharge habituelle de l'état de la technique. Toutefois, le phénomène d'augmentation de la tension au sein de la batterie, aux alentours de la charge de 85% dans le cas représenté, est une des causes de l'apparition de réactions néfastes. Selon l'invention, ces réactions néfastes sont évitées et la charge de la batterie est stoppée dès l'apparition de ces réactions. Pour cela, le mode d'exécution de l'invention utilise un capteur acoustique comme moyen de détection directe de l'apparition de réactions néfastes au sein de la batterie. When recharging a NiMH type battery, the voltage curve 21, shown in FIG. 2, increases as a function of the percentage of the nominal load. There is a threshold 22 slightly above 80% of the nominal load for which the voltage shows a sharp rise. Curve 21 is represented up to a value of 160% of the load with respect to the nominal load, which corresponds to a usual overload of the state of the art. However, the phenomenon of increasing the voltage within the battery, around 85% load in the case shown, is one of the causes of the occurrence of adverse reactions. According to the invention, these harmful reactions are avoided and the charge of the battery is stopped as soon as these reactions appear. For this, the embodiment of the invention uses an acoustic sensor as a means of direct detection of the occurrence of harmful reactions within the battery.
Lorsque la batterie 2 approche de la pleine charge (en général vers 85% selon la figure 2), les réactions électrochimiques néfastes, dont celle de décomposition de l'eau, produisent un fort dégagement gazeux interne au sein de la batterie puisque l'eau est décomposée en oxygène gazeux. La formation de bulles, leur déplacement et/ou leur coalescence induisent des vibrations au sein de la structure de la batterie. Le capteur acoustique récupère directement les vibrations émises au sein de la batterie par ces bulles et transmet un signal à l'unité de traitement 9 qui va isoler le signal provenant des réactions néfastes à l'aide d'amplificateurs et/ou de filtres parmi de nombreuses autres sources émissives d'ultrasons provenant d'autres vibrations, de dilatations thermiques, de vibrations électromagnétiques... Pour ce filtrage, il est par exemple possible de déterminer par déconvolution des paramètres descriptif du signal acoustique comme le temps de montée, l'amplitude, l'énergie absolue, les fréquences (centroïde, de pic...), le nombre de coups... Les filtres utilisés pour extraire spécifiquement le signal émis par les bulles de réactions néfastes sont adaptés au système et à son environnement, pour une plus grande efficacité. When the battery 2 approaches the full charge (generally about 85% according to FIG. 2), the harmful electrochemical reactions, including that of decomposition of the water, produce a strong internal gas release within the battery since the water is decomposed into gaseous oxygen. The formation of bubbles, their displacement and / or their coalescence induce vibrations within the structure of the battery. The acoustic sensor directly recovers the vibrations emitted within the battery by these bubbles and transmits a signal to the processing unit 9 which will isolate the signal coming from the harmful reactions using amplifiers and / or filters among many other emitting sources of ultrasound coming from other vibrations, thermal expansion, electromagnetic vibrations ... For this filtering, it is for example possible to deconvolute descriptive parameters of the acoustic signal such as the rise time, the amplitude, the absolute energy, the frequencies (centroid, peak ...), the number of strokes ... The filters used to specifically extract the signal emitted by the bubbles of harmful reactions are adapted to the system and its environment, for greater efficiency.
En remarque, le seuil 22 d'apparition des réactions gênantes est variable selon le type de batteries, selon son fabricant, dans une fourchette en général comprise entre 80 et 90% de la charge nominale. Il n'est donc pas possible de déduire indirectement avec fiabilité l'apparition de ces réactions en fonction de la mesure de la charge de la batterie. De plus, l'apparition de ces réactions dépend aussi de la température, du courant, et de la tension. Les techniques d'utilisation d'indicateurs indirects comme la température, la tension ou le courant, par une jauge ampérométrique par exemple, ne sont pas fiables pour la détection précise de l'apparition des réactions néfastes. L'invention surmonte donc ces problèmes par la détection directe des réactions néfastes, en détectant directement les bulles qu'elles génèrent. Pour cela, un capteur acoustique est avantageux et performant. Toutefois, tout autre moyen de détection direct du déroulement d'au moins une réaction néfaste pourrait être utilisé, consistant à détecter le produit direct d'une telle réaction. En remarque, la détection précise de l'apparition de ces réactions en phase de recharge de la batterie permet de calibrer le seuil d'apparition de ces réactions pour recaler la jauge d'état de charge et/ou anticiper la fin de la charge si l'application nécessite une légère surcharge. As a remark, the threshold 22 of occurrence of the troublesome reactions is variable according to the type of batteries, according to its manufacturer, in a range generally between 80 and 90% of the nominal load. It is therefore not possible to reliably deduce the occurrence of these reactions as a function of the measurement of the charge of the battery. In addition, the appearance of these reactions also depends on temperature, current, and voltage. The techniques of using indirect indicators such as temperature, voltage or current, for example by an amperometric gauge, are not reliable for the precise detection of the occurrence of harmful reactions. The invention thus overcomes these problems by the direct detection of harmful reactions, by directly detecting the bubbles they generate. For this, an acoustic sensor is advantageous and efficient. However, any other means of directly detecting the course of at least one adverse reaction could be used, consisting in detecting the direct product of such a reaction. As a remark, the precise detection of the occurrence of these reactions in the battery charging phase makes it possible to calibrate the threshold of occurrence of these reactions to reset the charge state gauge and / or to anticipate the end of the charge if the application requires a slight overload.
Ainsi, l'unité centrale 4 du système comprend des moyens logiciels et/ou matériels pour la mise en oeuvre du procédé de recharge de la batterie 30 selon le concept explicité ci-dessus, en contrôlant notamment le dispositif de recharge 3 et le bloc de prétraitement acoustique 9, de sorte de déterminer la fin de la charge en fonction du déroulement d'au moins une réaction néfaste au sein de la batterie. Thus, the central unit 4 of the system comprises software and / or hardware means for implementing the method of recharging the battery 30 according to the concept explained above, in particular by controlling the recharging device 3 and the battery block. acoustic pretreatment 9, so as to determine the end of the charge as a function of the course of at least one harmful reaction within the battery.
Dans le cas de la batterie spécifique du système 1 de la figure 1, dimensionnée pour stocker une charge de 1,5 Ah, la batterie installée présente donc une quantité électrique de 2 Ah afin de pouvoir restituer la charge attendue, puisqu'elle est rechargée à environ 80% de la capacité nominale annoncée par son constructeur par le procédé de recharge de l'invention. In the case of the specific battery of the system 1 of Figure 1, sized to store a load of 1.5 Ah, the installed battery thus has an electrical quantity of 2 Ah in order to restore the expected load, since it is recharged about 80% of the nominal capacity announced by its manufacturer by the charging method of the invention.
La figure 3 représente les courbes 23, 24 du pourcentage de capacité restituée par une batterie en fonction du nombre de décharges totales pour respectivement une batterie selon l'invention et une batterie gérée selon un état de la technique classique avec une surcharge de 60%. La courbe 23 passe rapidement au-dessus de la courbe 24, ce qui illustre un meilleur vieillissement de la batterie gérée selon l'invention par rapport à la batterie gérée selon l'état de la technique. FIG. 3 represents the curves 23, 24 of the percentage of capacitance restored by a battery as a function of the number of total discharges for respectively a battery according to the invention and a battery managed according to a standard state of the art with an overload of 60%. The curve 23 passes rapidly over the curve 24, which illustrates a better aging of the battery managed according to the invention compared to the battery managed according to the state of the art.
L'unité centrale 4 du système autonome 1 gère aussi la batterie lors de son utilisation en mettant en oeuvre un procédé de surveillance qui permet de déceler une anomalie, due à une réaction néfaste ou à une dégradation physique comme une déformation de composants, par dilatation, déchirement, perçage,...Tous ces phénomènes peuvent être directement décelés par leur émission d'un signal acoustique. L'unité centrale reçoit ce signal acoustique depuis le capteur acoustique 10 et peut en déduire la nature de l'anomalie par reconnaissance du type de signal. L'unité centrale peut même effectuer un diagnostic plus précis de l'état de la batterie, en mesurant la persistance et/ou l'intensité et/ou la répétition du signal. Ce diagnostic permet ensuite le déclenchement d'une action qui peut être l'arrêt de l'utilisation de la batterie en cas de risque, le calcul corrigé de son état de charge en tenant compte de son nouvel état... The central unit 4 of the autonomous system 1 also manages the battery during its use by implementing a monitoring method which makes it possible to detect an anomaly, due to an adverse reaction or to a physical degradation such as a deformation of components, by dilation , tearing, drilling, ... All these phenomena can be directly detected by their emission of an acoustic signal. The central unit receives this acoustic signal from the acoustic sensor 10 and can deduce the nature of the anomaly by recognition of the type of signal. The CPU can even perform a more accurate diagnosis of battery status by measuring the persistence and / or intensity and / or repetition of the signal. This diagnosis then allows the triggering of an action that can be the stop of the use of the battery in case of risk, the corrected calculation of its state of charge taking into account its new state ...
L'invention a été décrite par une batterie 2 sur laquelle ou aux abords de laquelle est positionné un capteur acoustique 10, afin de détecter la survenue de réactions néfastes au sein de la batterie. Elle a été présentée avec une batterie de type NiMH à titre d'exemple non limitatif. La solution est adaptée à une implémentation équivalente sur tout autre accumulateur électrochimique. The invention has been described by a battery 2 on which or around which is positioned an acoustic sensor 10, in order to detect the occurrence of harmful reactions within the battery. It has been presented with a NiMH type battery as a non-limiting example. The solution is adapted to an equivalent implementation on any other electrochemical accumulator.
De plus, l'invention porte aussi sur un chargeur autonome pour un tel accumulateur, qui comprend un dispositif de recharge classique et un bloc de réception et traitement des signaux acoustiques reçus, le tout étant géré par une unité centrale qui détermine notamment la fin d'une phase de recharge de l'accumulateur en fonction des réactions néfastes. Un tel chargeur pourrait ainsi réunir les fonctions des différents blocs 3, 4 et 9 du système autonome 1 décrit précédemment. In addition, the invention also relates to a stand-alone charger for such an accumulator, which comprises a conventional charging device and a receiving block and processing acoustic signals received, all managed by a central unit which determines in particular the end of a charging phase of the battery according to the adverse reactions. Such a charger could thus combine the functions of the various blocks 3, 4 and 9 of the autonomous system 1 described above.
La fin de la recharge de l'accumulateur sera avantageusement choisie dès l'apparition des réactions néfastes, afin d'éviter ces réactions dont les effets sont graves pour la batterie et accélèrent son vieillissement. En variante, la fin de recharge de la batterie peut être décalée de l'instant d'apparition des réactions néfastes. Elle peut être légèrement en avance, grâce à la détection des précédents seuils d'apparition de ces réactions, ou légèrement après leur apparition pour une utilisation nécessitant une surcharge de la batterie. Le concept de l'invention est de baser la fin de la charge de la batterie en fonction du déroulement de réactions chimiques parasitaires au sein de la batterie.30 La réaction néfaste essentielle mentionnée est celle de décomposition de l'eau. Toutefois, le concept de l'invention peut être mis en oeuvre avec toute réaction chimique se déroulant au sein de la batterie. The end of the recharging of the accumulator will advantageously be chosen as soon as the harmful reactions appear, in order to avoid these reactions whose effects are serious for the battery and accelerate its aging. As a variant, the end of recharging of the battery can be shifted from the moment of appearance of the harmful reactions. It can be slightly ahead, thanks to the detection of the previous thresholds of occurrence of these reactions, or slightly after their appearance for use requiring an overload of the battery. The concept of the invention is to base the end of the charge of the battery according to the course of parasitic chemical reactions within the battery.30 The essential adverse reaction mentioned is that of decomposition of water. However, the concept of the invention can be implemented with any chemical reaction taking place within the battery.
De plus, l'invention a été décrite à l'aide d'un système spécifique, autonome, devant mettre en mouvement un moteur. En variante, un tel système peut ne pas être autonome, être relié à toute autre source d'énergie, ne pas actionner un moteur mais simplement une unité informatique de type ordinateur... In addition, the invention has been described with the aid of a specific system, autonomous, having to move a motor. Alternatively, such a system may not be autonomous, be connected to any other source of power, not operate a motor but simply a computer-like computer unit ...
Finalement, la présente invention atteint bien les objets recherchés et présente les avantages suivants : - elle permet l'allongement de la durée de vie d'un accumulateur ; - elle permet la réduction du temps de charge d'un accumulateur ; -elle permet l'augmentation du rendement de la recharge d'un accumulateur ; - elle est compatible avec tout type d'accumulateur électrochimique ; - elle permet la réduction des risques d'accident du fait d'une anomalie de la batterie ; -elle est adaptée à une implémentation sur un système autonome, fonctionnant dans des conditions extrêmes, avec des sources d'énergie fluctuantes. Finally, the present invention achieves the desired objects and has the following advantages: it allows the extension of the life of an accumulator; it allows the reduction of the charging time of an accumulator; it allows the increase of the efficiency of the recharging of an accumulator; it is compatible with any type of electrochemical accumulator; - It reduces the risk of accidents due to an abnormality of the battery; it is adapted to an implementation on an autonomous system, operating in extreme conditions, with fluctuating sources of energy.
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