FR2976416A1

FR2976416A1 - Systeme de regulation de la charge d'une batterie

Info

Publication number: FR2976416A1
Application number: FR1155030A
Authority: FR
Inventors: Serge Maloizel; Sebastien Benjamin; Loic Reboussin
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: Saft Groupe SAS
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-12-14
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: FR2976416B1

Abstract

L'invention se rapporte à système de régulation de la charge d'une batterie par une source de tension. Le système comprend des moyens de mesure de la tension aux bornes de la batterie, des moyens de mesure de la tension aux bornes d'un chargeur, des moyens de mesure du courant de charge, un élément de régulation du courant de charge, un capteur de la température de l'élément de régulation et un microcontrôleur adapté à commander linéairement l'élément de régulation en fonction de la température dudit élément et de la puissance dissipée dans ledit élément. Le système selon l'invention est fiable et permet d'optimiser le temps de charge.

Description

1 SYSTEME DE REGULATION DE LA CHARGE D'UNE BATTERIE

L'invention concerne un système de régulation de la charge d'une batterie. Un 5 tel système est disposé entre une batterie rechargeable et un chargeur afin d'adapter le courant de charge aux besoins des accumulateurs de la batterie. Typiquement une batterie est constituée d'une pluralité d'accumulateurs appelés aussi générateurs électrochimiques, cellules ou éléments. Les accumulateurs sont reliés entre eux en série et/ou en parallèle par une ligne de puissance. Chaque 10 accumulateur se décharge en fournissant de l'énergie électrique à une application donnée. La batterie peut être chargée par un chargeur qui fournit de l'énergie électrique aux bornes de la batterie pour augmenter la quantité d'énergie électrique stockée dans chaque accumulateur. Le chargeur charge la batterie en appliquant à ses bornes une tension supérieure à celle de la batterie. Il est connu de stopper la charge 15 de la batterie en activant un organe de protection lorsque la tension aux bornes d'un des accumulateurs est supérieure à une valeur prédéterminée appelée tension de seuil maximum. Cette valeur de tension de seuil maximum est en général inférieure ou égale à la tension maximale admissible aux bornes d'un des accumulateurs de la batterie. L'organe de protection peut aussi interrompre la décharge de la batterie 20 lorsque la tension aux bornes d'un accumulateur a atteint une tension de seuil minimum. Lorsque le chargeur intègre une source de tension, il est connu d'ajouter un dispositif qui permet de transformer cette source de tension en source de courant pour s'adapter au besoin de charge en courant des accumulateurs. 25 Il existe différentes solutions connues pour transformer une source de tension en source de courant. Par exemple, une résistance peut être insérée entre la source de tension et la batterie. Le principal inconvénient de cette solution vient du fait que la résistance doit être dimensionnée pour supporter la puissance correspondant au courant de charge le plus fort, c'est à dire le courant de début de charge. Mais au fur 30 et à mesure que la tension des accumulateurs monte pendant la charge, le courant décroit et la puissance dans la résistance décroit proportionnellement au carré du courant. Cela se traduit par un temps de charge assez long et non optimisé. La conversion du mode tension en mode courant peut également être assurée par insertion entre la source de tension et la batterie d'accumulateurs d'un régulateur 35 de courant linéaire ou à découpage. Le principal inconvénient d'un régulateur de courant linéaire vient du fait que le régulateur doit être dimensionné pour supporter la puissance correspondant au courant de charge le plus fort, c'est à dire le courant de début de charge. Au fur et à mesure que la tension des accumulateurs monte pendant R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 1/11 la charge, le courant reste stable mais la puissance dans le régulateur de courant décroit proportionnellement au courant. Cela se traduit par un temps de charge non optimisé. Le principal inconvénient d'un régulateur de courant à découpage vient du fait que ce type de régulateur nécessite plusieurs composants et des systèmes de filtrage pour limiter les perturbations électromagnétiques. Cela se traduit par un système onéreux. Le document US-A-6 040 684 décrit un système de charge pulsé à partir d'une source de courant. Dans un premier temps, la régulation de la charge se fait par hachage du courant afin de réduire les pertes de puissance ; puis lorsque le courant est suffisamment faible, la régulation de la charge devient linéaire en utilisant un transistor à effet de champ FET comme organe de régulation linéaire. Le système décrit dans ce document ne peut pas s'appliquer lorsque le chargeur intègre une source de tension. Le document US-A-5 703 470 décrit un système de charge comprenant un 15 transformateur non régulé et un contrôleur de puissance adapté à réguler le courant de charge Le document US-A-5 576 609 décrit un système de charge régulant le courant de charge pour maintenir une dissipation de puissance constante. Le document US-A-6 229 283 décrit un système de charge régulant le courant 20 de charge par le contrôle d'un transistor en fonction de la puissance dissipée dans le transistor. Néanmoins, ce document ne suggère pas de tenir compte de l'échauffement du transistor lors de la régulation de charge. Un échauffement du transistor peut conduire à un dysfonctionnement du régulateur de courant. Seule la température du téléphone portable ou de la batterie est prise en compte. 25 Il existe donc un besoin pour un dispositif de régulation de courant qui soit fiable et qui permette d'optimiser le temps de charge en évitant la chute de puissance dans le régulateur au fur et à mesure que la tension des accumulateurs monte pendant la charge. A cet effet, l'invention propose de réguler le courant par un élément de 30 régulation du courant de telle manière que la température dudit élément de régulation soit constante et que la puissance dissipée dans le circuit de régulation ne dépasse pas une limite prédéfinie. Ainsi, au fur et à mesure que la tension des accumulateurs augmente pendant la charge, le courant de charge peut augmenter et le temps de charge peut être optimisé sans risque d'endommager le circuit. 35 Plus particulièrement, l'invention propose un système de régulation de la charge d'une batterie comprenant : - des moyens de mesure de la tension aux bornes de la batterie ; - des moyens de mesure de la tension aux bornes d'un chargeur ; R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 2/11 des moyens de mesure du courant de charge ; un élément de régulation du courant de charge ; un capteur de la température de l'élément de régulation ; un microcontrôleur adapté à commander linéairement l'élément de régulation en fonction de la température dudit élément et de la puissance dissipée dans ledit élément. Selon un mode de réalisation, l'élément de régulation du courant de charge est un transistor. Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre un capteur de la 10 température ambiante. Selon un mode de réalisation, le microcontrôleur détermine un courant de charge théorique pour que la température de l'élément de régulation reste inférieure à une valeur maximale prédéterminée et que la puissance dissipée dans ledit élément reste inférieure à une valeur maximale prédéterminée, et dans lequel le 15 microcontrôleur génère une commande à appliquer à l'élément de régulation pour que le courant de charge soit sensiblement égal au courant de charge théorique. Selon un mode de réalisation, la valeur maximale de la température du transistor est fixée entre 100°C et 130°C. Dans une application, l'invention concerne une batterie comprenant aux moins 20 un accumulateur et un système de régulation selon l'invention. Dans une application, l'invention concerne un chargeur de batterie comprenant une source de tension et un système de régulation selon l'invention. L'invention concerne aussi un procédé de régulation de la charge d'une batterie, le procédé comportant les étapes suivantes : 25 - mesure de la différence de tension entre les bornes de la batterie et les bornes d'un chargeur ; - mesure de la température d'un élément de régulation de courant ; - mesure du courant de charge de la batterie ; - détermination d'un courant de charge théorique pour que la température de 30 l'élément de régulation reste inférieure à une température maximale prédéterminée et que la puissance dissipée dans l'élément de régulation reste inférieure à une puissance maximale prédéterminée ; - application d'un signal de commande à l'élément de régulation pour que le courant de charge soit sensiblement égal au courant de charge théorique. 35 Selon un mode de réalisation, le courant de charge théorique est déterminé tant que la différence de tension entre la batterie et le chargeur est non nulle. R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 3/11 Selon un mode de réalisation, le courant de fin de charge est fixé par la différence de tension entre la source de tension du chargeur et la force contre électromotrice de la batterie divisée par l'impédance globale du circuit D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description est donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux figures annexées qui montrent : - figure 1, un schéma synoptique du système de régulation de charge selon l'invention ; - figure 2, un exemple de réalisation du système de régulation de charge selon l'invention ; - figures 3 et 4, des graphes illustrant la charge d'une batterie avec un système de régulation selon l'invention pour une température ambiante de 20°C - figures 5 et 6, des graphes illustrant la charge d'une batterie avec un système de régulation selon l'invention pour une température ambiante de -10°C - figures 7 et 8, des graphes illustrant la charge d'une batterie avec un système de régulation selon l'invention pour une température ambiante de 50°C - figure 9, un graphe illustrant la charge d'une batterie avec un système de limitation du courant résistif, ne faisant pas partie de l'invention ; - figure 10, un graphe illustrant la charge d'une batterie avec un système de régulation linéaire du courant, ne faisant pas partie de l'invention.

L'invention se rapporte à un régulateur de charge d'une batterie lorsque la batterie est chargée par une source de tension. La figure 1 un schéma synoptique du régulateur selon l'invention. Le régulateur comprend des moyens de mesure de la tension aux bornes de la batterie (Vbat), des moyens de mesure de la tension aux bornes d'un chargeur (Vch), des moyens de mesure du courant de charge, un élément de régulation du courant de charge, un capteur de la température dudit élément de régulation (T_Tr) et un microcontrôleur adapté à commander l'élément de régulation. Selon l'invention, le microcontrôleur commande l'élément de régulation linéairement en fonction d'une part de la température dudit élément et d'autre part de la puissance dissipée (Pi) dans ledit élément. Plus spécifiquement, le microcontrôleur commande l'élément de régulation pour que le courant de charge régulé soit tel que la température dudit élément reste inférieure à une valeur maximale prédéterminée (T_Tr < T_TrMax) et que la puissance dissipée dans ledit élément reste inférieure à R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 4/11 une valeur maximale prédéterminée (Pd < Pmax). Cette régulation est maintenue tant que la différence de tension entre la batterie et le chargeur le permet. Le contrôle de la puissance dissipée dans l'élément de régulation permet d'augmenter le courant de charge en fin de charge lorsque la chute de tension entre le chargeur et la batterie diminue ; le temps de charge est ainsi optimisé. En phase finale de charge, lorsque la différence de tension entre la batterie et le chargeur devient quasi nulle, l'élément de régulation du courant est dans un état de conduction maximale, c'est-à-dire présente une impédance minimale. Le courant sera alors fixé par la différence de tension entre la source de tension du chargeur et la force contre électromotrice de la batterie divisée par l'impédance globale du circuit ; le courant de charge décroit par conséquent et devient nul, la batterie étant pleinement chargée. Le contrôle de la température de l'élément de régulation permet de fiabiliser le système de régulation en évitant tout dysfonctionnement de l'élément de régulation. La figure 2 illustre un mode de réalisation possible du système de régulation selon l'invention. Les éléments communs à la figure 1 portent les mêmes références. Sur la figure 2, l'élément de régulation du courant est un transistor de type MOSFET, mais il est entendu que d'autres éléments de régulation peuvent être envisagés, comme un transistor bipolaire ou un transistor FET. Un capteur de température mesure la température du transistor T_Tr et fournit cette valeur à un microcontrôleur. Un capteur de température ambiante Tamb peut également être prévu afin de mesurer un échauffement réel du transistor dû au fonctionnement du régulateur et non un réchauffement ambiant. Le microcontrôleur mesure le courant de charge I et détermine un courant théorique de charge en fonction de la température du transistor et de la puissance dissipée dans le transistor. Ce courant théorique de charge est déterminé continument tant que la chute de tension entre la batterie et le chargeur le permet. La mesure du courant I est faite à partir d'une résistance « shunt » R suivie d'un amplificateur différentiel ou d'un capteur à effet hall ce qui permet d'obtenir une image du courant sous forme de tension mesurable par un convertisseur analogique numérique « ADC ». La mesure de la tension aux bornes du transistor peut également être faite par le même convertisseur analogique numérique « ADC » en utilisant éventuellement un système de multiplexage avec la tension précédente. La puissance dissipée dans le circuit de régulation Pi peut alors être déterminée à partir de la chute de tension entre la batterie et le chargeur Vv et le courant : Pi = Vv x I = (Vch - Vbat) x Vi/(GxR) Le microcontrôleur détermine alors le courant théorique à appliquer pour maintenir d'une part la puissance dissipée dans le transistor en dessous d'un seuil Pmax, par exemple fixé à 20 W, et d'autre part la température du transistor en R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 5/11 dessous d'un seuil T-TrMmax, par exemple fixé à 110°C. On peut fixer la valeur maximale de la température du transistor entre 100°C et 130°C en fonction du taux de fiabilité désiré. La valeur maximale de la puissance dissipée dans le transistor est fixée à une valeur qui dépend du pouvoir d'échange thermique avec l'air l'ambiant du dissipateur auquel est fixé le transistor qui régule le courant. Le microcontrôleur asservit alors le courant de charge au courant théorique déterminé. A cet effet, le microcontrôleur génère un signal de commande V appliqué à l'élément de régulation de courant. Un tel signal de commande peut être un signal à modulation de largeur d'impulsion (PWM) ou un signal de tension continu (DAC) via le convertisseur numérique analogique ou tout autre signal permettant de piloter linéairement le transistor. Le transistor fonctionne en mode linéaire grâce au pilotage de sa grille - pilotage de la base dans le cas d'un transistor bipolaire - par le signal de commande généré par le microcontrôleur. Dans le cas d'un signal PWM, un filtre est ajouté pour fournir un signal de la valeur moyenne du signal PWM. Le courant est donc en permanence asservi de manière à ce que la température du transistor reste au maximum à une consigne « T-TrMax » et que la puissance dissipée ne dépasse pas une valeur prédéfinie « Pmax ». Ainsi, au fur et à mesure que la tension des accumulateurs augmente pendant la charge de la batterie, le courant augmentera et le temps de charge sera optimisé. La figure 3 montre bien cette optimisation du temps de charge par comparaison avec les figures 4 et 5. Les figures 3 à 8 illustrent la charge d'un accumulateur Li-Ion de 30Ah à partir d'une source de tension à 4V avec un système de régulation selon l'invention pour différentes valeurs de température ambiante. Selon l'invention, la charge est réalisée avec un système de régulation du courant à température constante et à puissance constante dissipée dans le régulateur de courant. Les figures 3 et 4 donnent un exemple de la charge sous une température ambiante de 20°C pour T-TrMax fixé à l00°C et Pmax à 2.5W. Dans ce cas, la température du régulateur est maintenue à 100°C et la puissance dissipée est inférieure à 2,5W. Les figures 5 et 6 donnent un exemple de la charge sous une température ambiante de -10°C toujours pour T-TrMax fixé à 100°C et Pmax à 2.5W. Dans ce cas, la température du régulateur est inférieure à 100°C et la puissance dissipée est maintenue à 2,5W. Les figures 7 et 8 donnent un exemple de la charge sous une température ambiante de 50°C là encore pour T-TrMax fixé à 100°C et Pmax à 2.5W. Dans ce R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 6/11 cas, la température du régulateur est maintenue à 100°C et la puissance dissipée est inférieure à 2,5W. On voit que le système selon l'invention permet une augmentation du courant en fin de charge conduisant à une charge rapide. Selon la température ambiante, le temps de charge est plus ou moins accéléré. On remarque sur tous les graphes qu'en début de charge, on a une phase de fonctionnement à puissance constante, le temps que l'élément de régulation atteigne sa température maximale de fonctionnement. Ensuite, le système est régulé à température constante. Par contre, pour les basses températures (figures 5 et 6), comme l'élément de régulation n'atteint pas sa température maximale de fonctionnement, le système de régulation reste en mode de régulation à puissance constante. Dans la phase finale de la charge, c'est-à-dire quand la tension aux bornes de la batterie atteint la tension aux bornes du chargeur, on constate que le courant n'est plus régulé par le système selon l'invention. En effet, l'élément de régulation est alors dans un état de conduction maximale et ne permet plus aucune régulation. Le courant de fin de charge est alors fixé par la différence de tension entre la source de tension du chargeur et la force contre électromotrice de la batterie divisée par l'impédance globale du circuit, soit la somme de l'impédance de sortie de la source de tension, l'impédance du circuit de régulation à son état de conduction maximale, l'impédance du câblage et l'impédance d'entrée de la batterie. D'où la décroissance du courant dans cette phase.

Les figures 9 et 10 illustrent des exemples comparatifs de système de régulation, ne faisant pas partie de l'invention.

La figure 9 illustre la charge d'un accumulateur Li-Ion de 30Ah à partir d'une source de tension à 4V avec un système de limitation du courant résistif dissipant 2W au début de la charge. On remarque immédiatement qu'un tel système ne permet pas d'optimiser le temps de charge. La figure 10 illustre la charge d'un accumulateur Li-Ion de 30Ah à partir d'une source de tension à 4V avec un système de régulation de courant linéaire dissipant 2W au début de la charge. On remarque qu'un tel système ne permet pas d'optimiser le temps de charge. Le système de régulation selon l'invention permet d'optimiser le temps de charge d'une batterie sans augmenter le coût du système et tout en garantissant sa 35 fiabilité. Un tel système peut être intégré dans l'électronique de gestion d'une batterie afin de permettre une charge efficace par une source de tension, ou un tel système peut être intégré dans un chargeur comprenant une source de tension. R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 7/11 Le dispositif de régulation selon l'invention peut être adapté à tout type de batterie quel que soit le nombre et la disposition des accumulateurs. Le dispositif permet de s'affranchir des variations de la température ambiante dans lequel il se trouve. Il permet donc un fonctionnement du système de charge dans 5 une large gamme de température ambiante. R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 8/11

Claims

REVENDICATIONS1. Système de régulation de la charge d'une batterie comprenant : - des moyens de mesure de la tension aux bornes de la batterie ; - des moyens de mesure de la tension aux bornes d'un chargeur comprenant une source de tension ; - des moyens de mesure du courant de charge ; - un élément de régulation du courant de charge ; - un capteur de la température de l'élément de régulation ; - un microcontrôleur adapté à commander linéairement l'élément de régulation en fonction de la température dudit élément et de la puissance dissipée dans ledit élément.
2. Système de régulation de la charge selon la revendication 1, dans lequel l'élément de régulation du courant de charge est un transistor.
3. Système de régulation de la charge selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant en outre un capteur de la température ambiante.
4. Système de régulation de la charge selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le microcontrôleur détermine un courant de charge théorique pour que la température de l'élément de régulation reste inférieure à une valeur maximale prédéterminée et que la puissance dissipée dans ledit élément reste inférieure à une valeur maximale prédéterminée, et dans lequel le microcontrôleur génère une commande à appliquer à l'élément de régulation pour que le courant de charge soit sensiblement égal au courant de charge théorique.
5. Système de régulation de la charge selon la revendication 4, dans lequel la valeur 25 maximale de la température du transistor est fixée entre 100°C et 130°C.
6. Batterie rechargeable comprenant aux moins un accumulateur et un système de régulation selon l'une des revendications 1 à 5.
7. Chargeur de batterie comprenant une source de tension et un système de régulation selon l'une des revendications 1 à 5. R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 9/11
8. Procédé de régulation de la charge d'une batterie, le procédé comportant les étapes suivantes : - mesure de la différence de tension entre les bornes de la batterie et les bornes d'un chargeur comprenant une source de tension ; - mesure de la température d'un élément de régulation de courant ; - mesure du courant de charge de la batterie ; - détermination d'un courant de charge théorique pour que la température de l'élément de régulation reste inférieure à une température maximale prédéterminée (T_Tr < T_TrMax) et que la puissance dissipée dans l'élément de régulation reste inférieure à une puissance maximale prédéterminée (Pd < Pmax) ; - application d'un signal de commande à l'élément de régulation pour que le courant de charge soit sensiblement égal au courant de charge théorique.
9. Procédé de régulation de la charge selon la revendication 8, dans lequel le courant de charge théorique est déterminé tant que la différence de tension entre la 15 batterie et le chargeur est non nulle.
10. Procédé de régulation de la charge selon la revendication 9, dans lequel le courant de fin de charge est fixé par la différence de tension entre la source de tension du chargeur et la force contre électromotrice de la batterie divisée par l'impédance globale du circuit. R:132700A32775 SAFT32775--1106094exte depot.doc - 08/06/11 - 14:06 - 10/11