FR2967823A1 - Batterie d'accumulateurs et procede de detection d'un echauffement correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une batterie (B) d'accumulateurs comportant des cellules regroupées en modules (M1, M2, M3, M4, M5), lesdits modules étant assemblés électriquement par des barres de jonction (BP), ladite batterie (B) comportant au moins un élément (FT) de détection d'une élévation de température, caractérisée en ce que ledit élément (FT) de détection est positionné sur une desdites barres de jonction (BP).

Description

Batterie d'accumulateurs et procédé de détection d'un échauffement correspondant La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'électricité, et plus précisément au domaine des batteries d'accumulateurs, notamment pour véhicules électriques, bien que l'invention ne soit pas limitée à ce domaine d'application.

Certaines batteries d'accumulateurs, telles que les batteries Lithium Ion, ont, par rapport aux batteries classiques telles que les batteries au plomb, au Cadmium Nickel ou au Nickel Métal Hydrure, une énergie massique plus importante, mais également une moins bonne stabilité et une moins bonne tolérance en cas de dépassement de leurs conditions de fonctionnement habituelles. Pour rappel, l'élément de base des batteries Lithium Ion est appelé « cellule ». Une cellule est constituée d'une poche plate, étanche, souple et comportant les différents éléments constitutifs d'un accumulateur électrique, c'est-à-dire une anode, une cathode, un électrolyte et un séparateur. Les cellules d'une batterie Lithium Ion sont assemblées dans des boites en général métalliques nommées « modules », dans lesquelles les cellules sont reliées entre elles suivant différentes configurations en série et/ou en parallèle. Les modules d'une batterie Lithium Ion sont ensuite assemblés en « pack », le nombre de modules dans ce pack variant suivant les besoins en énergie du dispositif utilisateur de la batterie. L'assemblage électrique de ces modules est en général réalisé par l'intermédiaire de barres de jonction appelées aussi barres de puissances ou barres bus. Ces barres habituellement en métal d'une bonne conductivité sont reliées aux modules par un système de vis et d'écrous.

Parmi les causes d'instabilité d'une telle batterie, on trouve une augmentation localisée ou générale de la température de fonctionnement de la batterie. Une telle augmentation de température est néfaste pour le module en cause dans la batterie ou pour le pack tout entier de la batterie. Outre le fait que ce phénomène provoque la dégradation des caractéristiques de la batterie, voire sa destruction, la dangerosité pour l'Homme de cette instabilité conduit à porter une attention particulière à la surveillance de l'état de température de ce type de batterie. C'est pourquoi la température d'une telle batterie est généralement surveillée par un système permettant de mesurer : - la tension de chaque cellule de la batterie, - et/ou la tension globale du pack de la batterie, - et/ou la température de chaque cellule de la batterie, - et/ou la température de chaque module de la batterie, et/ou la température globale du pack de la batterie, - et/ou le courant de charge ou de décharge de la batterie. Un tel système, utilisant des mesures de température d'éléments d'une batterie, est décrit dans le brevet US 6 922 326. Il relie entre eux des capteurs de température positionnés sur les cellules d'un module de batterie, de manière à détecter une trop grande élévation de température du module. Cependant, lorsque ces systèmes de surveillance de la température d'une batterie, utilisant des capteurs de température, détectent une élévation de température anormale d'un des éléments de cette batterie, la température de fonctionnement ordinaire des cellules constituant cet élément est souvent dépassée de telle sorte que la dégradation voir la destruction des cellules qui en découle est irrémédiable. Les systèmes de surveillance de la température d'une batterie utilisant des mesures de tension des cellules de la batterie ou des mesures du courant de charge ou de décharge de la batterie permettent de détecter certains problèmes pouvant conduire à une élévation trop importante d'éléments de la batterie avant que ceux-ci ne se dégradent, par exemple une tension de cellule trop importante, ou un courant de charge trop important. Cependant ces systèmes ne permettent pas d'identifier d'autres causes d'échauffement d'une batterie, non détectables par la mesure des tensions de cellules ou du courant de charge ou de décharge de la batterie.

Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant une batterie d'accumulateurs et un procédé de détection d'un échauffement d'une batterie d'accumulateurs, qui permettent d'anticiper la détection d'une élévation trop importante de température d'éléments de cette batterie, dans certains cas non couverts par les systèmes de surveillance existants. Il s'agit notamment des cas d'échauffement d'éléments de la batterie dus à un mauvais serrage d'une barre de jonction sur la batterie.

A cette fin, l'invention propose une batterie d'accumulateurs comportant des cellules regroupées en modules, lesdits modules étant assemblés électriquement par des barres de jonction, ladite batterie comportant au moins un élément de détection d'une élévation de température, caractérisée en ce que ledit élément de détection est positionné sur une desdits barres de jonction. Le positionnement judicieux de l'élément de détection sur une barre de jonction de la batterie permet de détecter en amont un échauffement par conduction d'un ensemble vis/écrou desserré sur une barre de jonction lors de la charge de la batterie, échauffement qui est transmis aux cellules. La détection de cet échauffement permet à un système de surveillance lié à la batterie de limiter le courant traversant la batterie afin d'empêcher la détérioration de celle-ci. Selon une caractéristique avantageuse de la batterie selon l'invention, ledit élément de détection est un fusible thermique.

Le fait d'utiliser des fusibles thermiques plutôt que des capteurs de température permet de surveiller la température de la batterie à moindre coût. De plus, les fusibles thermiques s'avèrent être des éléments de détection fiables et robustes. Le seuil de déclenchement de ces fusibles est fixé par construction. Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit fusible thermique est un fusible thermique ré-armable. Cette caractéristique permet de changer simplement le fusible lorsque celui-ci a fondu, et donc par exemple de réutiliser simplement la batterie après détection d'une élévation importante de température et resserrage d'un ensemble vis/écrou responsable de cet échauffement. Selon une autre caractéristique avantageuse, la batterie d'accumulateurs selon l'invention comporte plusieurs éléments de détection positionnés chacun sur une barre de jonction, lesdits éléments de détection étant connectés électriquement au moyen d'une liaison destinée à remonter une information d'échauffement de la batterie à un calculateur. Ainsi, on remonte une information d'élévation de température simple à gérer par le calculateur lié à la batterie, puisque cette information sera du type « Tout Ou Rien », quelque soit l'endroit où est localisé l'échauffement détecté par les éléments de détection. Selon une autre caractéristique avantageuse, chaque barre de jonction de la batterie est équipée d'un élément de détection. Ainsi on est en mesure de détecter de manière exhaustive les problèmes d'échauffement ayant pour cause une ou plusieurs barres de jonction de la batterie. Selon une autre caractéristique avantageuse, la liaison connectant électriquement entre eux les éléments de détection est une liaison d'acquisition de tension cellule de la batterie. Cette réutilisation d'une liaison d'acquisition de tension cellule de la batterie pour relier entre eux les éléments de détection permet d'utiliser l'invention sans ajouter d'entrée supplémentaire à un calculateur existant utilisé pour surveiller cette batterie, tout en fiabilisant la surveillance effectuée par ce calculateur, puisque celui-ci bénéficie à la fois de mesures de tension et d'éléments de détection d'élévation de température. De plus cette réutilisation présente les avantages de rendre la batterie selon l'invention moins chère et plus facile à fabriquer à partir d'une batterie comportant déjà une telle liaison d'acquisition de tension cellule. Selon une autre caractéristique avantageuse, la liaison connectant électriquement entre eux les éléments de détection est couplée à une autre liaison connectant électriquement entre eux d'autres éléments de détection d'élévation de température, positionnés directement sur des modules de ladite batterie. Ce double positionnement d'éléments de détection sur la batterie selon l'invention permet de détecter, en plus des échauffements d'éléments de la batterie dus aux barres de jonction, d'autres types échauffements, par exemple un échauffement dû à une charge trop importante d'une cellule. Ainsi cela permet par exemple au calculateur de surveillance de la batterie d'interrompre la charge de la batterie avant que celle-ci ne s'enflamme, même si la batterie est déjà détériorée. Enfin une telle redondance d'éléments de détection sur des modules de la batterie permet de fiabiliser la détection d'un échauffement de ces modules, en prévenant les cas de mauvais fonctionnement d'un de ces éléments de détection. L'invention concerne aussi un procédé de détection d'un échauffement d'une batterie d'accumulateurs comportant des cellules regroupées en modules, lesdits modules étant assemblés électriquement par des barres de jonction, caractérisé en ce que ledit procédé comporte une étape d'acquisition d'une information remontée par une liaison connectant entre eux des éléments de détection d'une élévation de température, positionnés sur lesdites barres de jonction.

Selon une caractéristique avantageuse du procédé selon l'invention, ladite étape d'acquisition est suivie d'une étape d'alerte d'un utilisateur, ou d'utilisation en mode dégradé de ladite batterie, lorsque ladite information est significative d'un échauffement de ladite batterie ou d'une coupure de ladite liaison. Selon encore une autre caractéristique avantageuse du procédé selon l'invention, lesdits éléments de détection sont des fusibles thermiques. Le procédé de détection selon l'invention présente des avantages analogues à ceux de la batterie d'accumulateurs selon l'invention.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de modes de réalisation décrits en référence aux figures dans lesquelles: - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une batterie d'accumulateurs selon l'invention, - la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d'une batterie d'accumulateurs selon l'invention, - la figure 3 représente un détail du deuxième mode de réalisation d'une batterie d'accumulateurs selon l'invention, - la figure 4 représente un élément de détection d'une élévation de température positionné sur une barre de jonction d'une batterie d'accumulateurs, dans une variante de réalisation de l'invention - et la figure 5 représente des étapes du procédé selon l'invention de détection d'un échauffement d'une batterie d'accumulateurs.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, une batterie d'accumulateurs B selon l'invention comporte, dans cet exemple de réalisation de l'invention, cinq modules M1, M2, M3, M4 et M5. Ces modules sont reliés par des barres de jonction, telles que la barre de jonction BP.

Les nombres de modules et de barres de jonction sont liés entre eux et sont fonction des besoins énergétiques du dispositif utilisant la batterie B. Ils peuvent donc varier en fonction de l'application pour laquelle la batterie B est destinée, et qui est par exemple la fourniture en énergie d'un véhicule électrique, ou hybride, ou toute autre application nécessitant une batterie d'accumulateurs constituée de plusieurs modules reliés entre eux par des barres de jonction. De plus, la configuration des barres de jonction de la figure 1 n'est qu'un exemple : d'autres configurations sont envisageables, par exemple une configuration dans laquelle une barre de jonction lie entre eux trois modules. Chaque extrémité d'une barre de jonction de la batterie est reliée par un système vis/écrou aux bornes de sortie électriques des modules. Sur la figure 1 sont ainsi représentées les vis aux extrémités de chaque barre de jonction, par exemple les vis V1 et V2 sur la barre de jonction BP.

Malgré la possibilité d'utilisation d'un système de vissage dit de sécurité, une production massive de batteries d'accumulateurs fait craindre une probabilité de mauvais serrage ou de desserrage de ce système vis/écrou, incompatible avec les exigences de sécurité d'une batterie d'accumulateurs de type Lithium Ion. En effet, dans le cas où un des assemblages vis/écrou est desserré sur une telle batterie, l'augmentation de la résistance de contact due à ce mauvais serrage, multipliée par l'intensité traversant l'ensemble de la batterie au cours de l'utilisation de celle-ci, en charge ou en décharge, va provoquer un échauffement localisé à l'endroit où le contact est le moins favorable. Cet échauffement sur l'ensemble vis/écrou desserré est ensuite transmis aux cellules de la batterie, et risque de détériorer celle-ci. L'invention permet de détecter un échauffement localisé sur une des barres de jonction grâce au positionnement d'un élément de détection d'élévation de température sur cette barre de jonction. Cet élément de détection d'élévation de température est par exemple un capteur de température. De préférence, dans ce premier mode de réalisation de l'invention, on positionne sur chaque barre de jonction un fusible thermique ré-armable, par exemple le fusible thermique FT sur la barre de jonction BP. Ces fusibles thermiques ré-armables sont montés en série et reliés entre eux par un fil, la liaison LC, entre chaque fusible. Chaque fusible fournissant une information « contact ouvert » ou « contact fermé », l'information remontée par la liaison LC à un calculateur de surveillance CS de la batterie B est une information de type « Tout Ou Rien », ce qui permet de n'utiliser qu'une entrée d'acquisition ou qu'une entrée analogique dans le calculateur de surveillance CS, permettant à celui-ci de détecter les échauffements trop importants de la batterie. Plus précisément, le déclenchement d'un de ces fusibles va ouvrir la liaison LC et faire basculer l'état de l'entrée « Tout Ou Rien » de 1 vers O.

Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 2, dans laquelle les références identiques à celles de la figure 1 représentent les mêmes éléments que sur la figure 1, on positionne également des fusibles thermiques ré-armables sur chaque barre de jonction de la batterie B, mais ceux-ci sont connectés différemment au calculateur CS de surveillance de la batterie B. En effet, dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, l'acquisition de l'information d'échauffement de la batterie B est réalisée par une liaison LAT d'acquisition de tension cellule.

Pour cela, chaque fusible thermique ré-armable est relié à la liaison LAT d'acquisition cellule comme représenté à la figure 3. L'acquisition de la tension cellule est réalisée par la liaison LAT et une cosse reliée à chaque pôle de module, par exemple la cosse Co pour le module M5. Cette cosse Co est raccordée par le même ensemble vis/écrou que la barre de jonction BP au pôle du module M5. Ainsi le fusible thermique FT est relié par un côté de la liaison LAT à la cosse Co, et par l'autre côté de la liaison LAT, au calculateur CS de surveillance. La liaison LAT étant raccordée au calculateur de surveillance CS, le calculateur de surveillance CS est en mesure de diagnostiquer un problème de tension aux bornes d'un des modules M1 à M5, ainsi qu'une coupure de la liaison LAT. Dans ce deuxième mode de réalisation, le calculateur de surveillance CS identifie un échauffement de la batterie par l'acquisition d'une information de coupure de cette liaison LAT.

Dans ces premier et deuxième modes de réalisation de l'invention, les fusibles thermiques sont maintenus sur les barres de jonction de la batterie B par une colle de bonne conductibilité thermique, afin de ne pas dégrader la transmission au calculateur de surveillance CS de l'information de température des barres de jonction de la batterie B. En référence à la figure 4, une variante de réalisation du montage mécanique du positionnement d'un fusible thermique ré-armable sur une barre de jonction de la batterie B est maintenant décrit. Le maintien mécanique de ce fusible, par exemple le fusible FT, est réalisé par une pièce isolante ou non, par exemple en plastique, permettant d'assurer un bon contact thermique entre la barre de jonction BP et le fusible FT. Cette pièce isolante est par exemple un capuchon CM qui s'enclipse sur la barre de jonction BP, le fusible thermique étant maintenu entre la barre de jonction BP et le capuchon clipsable CM. Ce montage mécanique permet de changer facilement le fusible thermique FT. Dans encore une autre variante de réalisation de l'invention, le fusible thermique FT est à la fois maintenu par de la colle de bonne conductibilité et par un capuchon clipsable sur la barre de jonction BP.30 En référence à la figure 5, un procédé de détection d'un échauffement d'une batterie d'accumulateurs selon l'invention est représenté sous la forme d'un algorithme comportant des étapes E1 à E3.

Ce procédé est mis en oeuvre dans le calculateur de surveillance CS de la batterie d'accumulateurs B. L'étape E1 est l'acquisition d'une information remontée par la liaison LC dans le cas du premier mode de réalisation d'une batterie d'accumulateurs selon l'invention, ou d'une information remontée par la liaison LAT dans le cas du deuxième mode de réalisation d'une batterie d'accumulateurs selon l'invention. L'étape suivante E2 est la comparaison de la valeur de cette information avec une valeur de référence. L'information remontée par la liaison LC ou la liaison LAT vaut 1 lorsqu'aucun fusible thermique n'a coupé cette liaison LC ou LAT du fait d'un échauffement trop important d'une barre de jonction, et vaut 0 dans le cas contraire. Dans cette étape E2, si l'information remontée par la liaison LC ou LAT vaut 1, l'étape suivante est l'étape E1 : le calculateur de surveillance CS continue d'acquérir l'information fournie par la liaison LC ou LAT. Dans le cas contraire, c'est-à-dire si l'information remontée par la liaison LC ou LAT vaut 0, l'étape suivante est l'étape E3. L'étape suivante E3 est l'alerte d'un utilisateur de l'échauffement de la batterie B, par exemple par un signal sonore, et/ou l'activation d'un mode d'utilisation dégradé de la batterie B. Ce mode d'utilisation dégradé correspond à la limitation du courant de charge ou de décharge de la batterie en dessous d'un certain seuil, ou à l'isolement électrique de la batterie B. L'activation de ce mode d'utilisation dégradé est effectuée par le calculateur CS, par exemple en transmettant un signal à d'autres éléments du dispositif utilisateur de la batterie B, ces autres éléments mettant en oeuvre ce mode d'utilisation dégradé.

Il est à noter que les modes de réalisation de l'invention décrits ici ne sont pas exhaustifs, d'autres modes de réalisation étant envisageables. En effet, afin de fiabiliser le procédé de détection selon l'invention, il est envisageable de positionner ailleurs, par exemple directement sur les modules de la batterie selon l'invention, d'autres éléments de détection d'élévation de température. Ceux-ci remonteraient ainsi, de façon redondante avec les éléments de détection d'élévation de température positionnés sur les barres de jonction de la batterie, une information d'échauffement de la batterie au calculateur de surveillance associé à la batterie.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Batterie (B) d'accumulateurs comportant des cellules regroupées en modules (M1, M2, M3, M4, M5), lesdits modules étant assemblés électriquement par des barres de jonction (BP), ladite batterie (B) comportant au moins un élément (FT) de détection d'une élévation de température, caractérisée en ce que ledit élément (FT) de détection est positionné sur une desdites barres de jonction (BP).
2. 2. Batterie (B) d'accumulateurs selon la revendication 1, dans laquelle ledit élément (FT) de détection est un fusible thermique.
3. 3. Batterie (B) d'accumulateurs selon la revendication 2, dans laquelle ledit fusible thermique est un fusible thermique ré-armable.
4. 4. Batterie (B) d'accumulateurs selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plusieurs éléments (FT) de détection positionnés chacun sur une barre de jonction (BP), lesdits éléments (FT) de détection étant connectés électriquement au moyen d'une liaison (LC, LAT) destinée à remonter une information d'échauffement de ladite batterie (B) à un calculateur (CS).
5. 5. Batterie (B) d'accumulateurs selon la revendication 4, dans laquelle chaque barre de jonction (BP) de ladite batterie (B) est équipée d'un élément (FT) de détection.
6. 6. Batterie (B) d'accumulateurs selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle ladite liaison (LAT) est une liaison d'acquisition de tension cellule de la batterie (B).
7. 7. Batterie (B) d'accumulateurs selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle ladite liaison (LC, LAT) est couplée à une liaison connectant électriquement entre eux d'autres éléments (FT) de détection d'élévation de température, positionnés directement sur des modules (M1, M2, M3, M4, M5) de ladite batterie (B).
8. 8. Procédé de détection d'un échauffement d'une batterie (B) d'accumulateurs comportant des cellules regroupées en modules (M1, M2, M3, M4, M5), lesdits modules étant assemblés électriquement par des barres de jonction (BP), caractérisé en ce que ledit procédé comporte une étape (E1) d'acquisition d'une information remontée par une liaison (LC, LAT) connectant entre eux des éléments (FT) de détection d'une élévation de température, positionnés sur lesdites barres de jonction (BP).
9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite étape (E1) d'acquisition est suivie d'une étape (E3) d'alerte d'un utilisateur, ou d'utilisation en mode dégradé de ladite batterie (B), lorsque ladite information est significative d'un échauffement de ladite batterie (B) ou d'une coupure de ladite liaison (LC, LAT).
10. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel lesdits éléments (FT) de détection sont des fusibles thermiques.30