FR3011392A1 - Dispositif pour decharger la batterie haute tension d'un vehicule electrique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif comportant une pluralité de modules comportant chacun une pluralité de cellules électrochimiques de stockage d'énergie électrique. Les modules sont connectés directement et en série, de manière à former une série de modules comportant deux extrémités, l'une constituant une connexion positive et l'autre constituant une connexion négative. Le dispositif comporte également des moyens pour décharger l'énergie électrique stockée dans des cellules électrochimiques, lesdits moyens comportant deux éléments de connexion. Le dispositif comporte des moyens amovibles aptes à connecter l'un des éléments de connexion des moyens pour décharger à la connexion positive et l'autre élément de connexion des moyens pour décharger à la connexion négative Application : véhicules électriques ou hybrides

Description

Dispositif pour décharger la batterie haute tension d'un véhicule électrique La présente invention concerne un dispositif pour décharger une batterie haute tension. Elle s'applique notamment aux véhicules automobiles électriques.

Dans le contexte actuel de consensus autour du réchauffement climatique, la diminution des émissions de dioxyde de carbone (002) est un défi majeur auquel sont confrontés les constructeurs automobiles, les 10 normes étant toujours plus exigeantes en la matière. Outre l'amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, qui s'accompagne d'une baisse des émissions de 002, les véhicules électriques (« EV » d'après la terminologie anglo-saxonne « Electric Vehicle ») et les véhicules hybrides thermique-électrique (« HEV » 15 d'après la terminologie anglo-saxonne « Hybrid Electric Vehicle ») sont aujourd'hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour diminuer les émissions de 002. Différentes technologies de gestion de l'énergie électrique ont été testées dans les dernières années, afin de répondre aux besoins des EV et HEV. Par exemple, les batteries lithium-ion (li-ion) offrent 20 un excellent compromis entre densité d'énergie, qui favorise l'autonomie, et densité de puissance, qui favorise les performances, en termes d'accélération notamment. C'est pourquoi elles sont très couramment choisies comme « batterie de traction » pour alimenter le moteur électrique d'un EV ou d'un HEV. 25 Dans un EV, la tension aux bornes de la batterie de traction est de plusieurs centaines de volts, par exemple de l'ordre de 400 volts. A de tels niveaux de haute tension, des mesures de sécurité très strictes doivent être prises pour la protection non seulement du conducteur lors de l'utilisation normale du véhicule, mais également pour la protection des opérateurs 30 d'entretien ou encore pour la protection des personnels des services de secours pouvant avoir à intervenir suite à un accident ou encore pour la protection des opérateurs de démolition. Il s'agit là d'un inconvénient auquel la présente invention se propose de répondre.

En temps normal, la décharge d'une batterie jusqu'à un niveau sécurisé s'effectue facilement à l'aide d'un banc de décharge. Cependant, lorsque la batterie est endommagée suite à un choc lors d'un accident, il peut être très risqué de la manipuler pour l'installer sur un banc de décharge au sein d'un bâtiment. Il s'agit là d'un inconvénient que la présente invention se propose de résoudre. Dans le but de surmonter cet inconvénient, la demande de brevet US2013/0106362 divulgue un système permettant de décharger la batterie d'un EV accidenté dans des résistances intégrées initialement à la batterie à des fins d'équilibrages, ou même aux seules fins de décharge, sans qu'il soit nécessaire de la manipuler. Un inconvénient de cette solution est son manque de robustesse : même si en principe elle évite de manipuler la batterie avant décharge, en pratique elle ne garantit pas la décharge, car elle utilise des ressources internes au véhicule accidenté comme son « Electric Vehicle Controler » (EVC) selon l'expression anglo-saxonne, des ressources internes à la batterie endommagée comme son « Battery Management System » (BMS) selon l'expression anglo-saxonne ou comme ses relais électromécaniques, l'état de fonctionnement de ces ressources réputées fragiles étant incertain voire inconnu. La décharge devient donc impossible ou incertaine. Il s'agit là d'un inconvénient que la présente invention se propose d'éviter.

La présente invention a donc notamment pour but de fournir un dispositif simple et robuste pour décharger une batterie endommagée, ne nécessitant en particulier aucune communication avec celle-ci ni fermeture de relais en son sein. Pour cela, la présente invention utilise un dispositif de coupure électrique de sécurité conforme au dispositif décrit par la demanderesse dans la demande de brevet de numéro de dépôt FR1253052, cette dernière n'ayant pas encore été publiée à la date de dépôt de la présente demande. Il s'agit d'un dispositif bipolaire comportant une embase dans laquelle se branche une fiche amovible et permettant de déconnecter simultanément la connexion positive et la connexion négative aux modules de la batterie. Le dispositif est facilement accessible de l'extérieur du véhicule, un levier de verrouillage / déverrouillage permettant de débrancher sans effort la fiche. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif comportant une pluralité de modules comportant chacun une pluralité de cellules électrochimiques de stockage d'énergie électrique. Les modules sont connectés directement et en série, de manière à former une série de modules comportant deux extrémités, l'une constituant une connexion positive et l'autre constituant une connexion négative. Le dispositif comporte également des moyens pour décharger l'énergie électrique stockée dans des cellules électrochimiques, lesdits moyens comportant deux éléments de connexion. Le dispositif comporte des moyens amovibles aptes à connecter l'un des éléments de connexion des moyens pour décharger à la connexion positive et l'autre élément de connexion des moyens pour décharger à la connexion négative. Dans un mode de réalisation, les moyens amovibles peuvent inclure une embase raccordée aux connexions positive et négative de la série de modules, ainsi qu'une fiche raccordée aux éléments de connexion des moyens pour décharger, la fiche pouvant être apte à être branchée dans l'embase de manière à connecter ledit un des éléments de connexion des moyens pour décharger à la connexion positive et ledit autre élément de connexion à la connexion négative. Avantageusement, la fiche peut comporter un levier pour débrancher manuellement sans effort ladite fiche de l'embase. Par exemple, les moyens pour décharger peuvent inclure une résistance pour dissiper l'énergie électrique sous forme de chaleur.

Avantageusement, la pluralité de modules peut être comprise dans une batterie. Dans un mode de réalisation préférentiel, la batterie pouvant être une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride comportant un circuit de puissance, l'embase peut être disposée à un emplacement accessible à l'extérieur du véhicule et pouvant être apte à être branchée à une fiche amovible (22) autorisant la série de modules à alimenter le circuit de puissance dudit véhicule. L'invention a également pour objet un véhicule électrique ou 35 hybride comportant un tel dispositif.

Outre la robustesse, la présente invention a donc pour principal avantage de conférer une seconde fonction sécuritaire à un dispositif de coupure électrique de sécurité.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des figures 1, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b et 4 fournies en annexe, qui illustrent : la figure 1, par un synoptique, un exemple de pack batterie comportant un dispositif bipolaire de coupure de sécurité apte à collaborer avec un dispositif de décharge selon la présente invention ; les figures 2a, 2b et 2c, par des vues de profil dont une en coupe, un exemple de dispositif bipolaire de coupure de sécurité apte à collaborer avec un dispositif de décharge selon la présente invention ; les figures 3a et 3b, par un synoptique et une vue de profil en coupe respectivement, un exemple de dispositif de décharge selon l'invention ; la figure 4, par un synoptique, un exemple de pack batterie comportant un dispositif de décharge selon la présente invention. Sur ces figures, les mêmes références représentent les mêmes éléments.

La figure 1 illustre par un synoptique un exemple de pack batterie 1 comportant un dispositif de coupure de sécurité 2 selon FR1253052 illustré dans un cadre en pointillé et représenté plus en détails aux figures 2a à 2c. Le dispositif 2 est apte à collaborer avec un dispositif de décharge selon la présente invention, qui sera illustré plus en détails aux figures 3a et 3b. Le pack batterie 1 comporte 12 modules Ml, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10, M11 et M12 connectés directement en série, c'est-à-dire qu'ils sont connectés l'un à l'autre sans utiliser de moyen de commande d'ouverture ou de fermeture de circuit, comme un interrupteur, un commutateur, ou un relai électromécanique. Chaque module comporte une pluralité de cellules électrochimiques de stockage de l'électricité interconnectées en série et/ou en parallèle, des cellules lithium-ion par exemple, non représentée sur la figure. Un contrôleur 15 de type BMS est connecté à chacun des modules M1 à M12 afin de surveiller au minimum leur température grâce à des capteurs T. Un fusible 16 est disposé en série entre les modules M6 et M7, de manière à diviser le pack batterie 1 en deux demi-packs de 6 modules chacun. Il faut bien comprendre que le fusible 16 n'est pas un moyen de commande d'ouverture ou de fermeture d'un circuit, et que par conséquent les modules M1 à M12 restent bien connectés directement et en série malgré la présence du fusible 16.

Les modules M1 à M12 ainsi connectés en série forment une série de modules, la tension entre la connexion négative (-) 11 et la connexion positive (+) 12 de la série de module étant de plusieurs centaines de volts, représentant un risque d'électrocution très important pour les personnes. C'est pourquoi le dispositif 2 est connecté directement aux connexions 11 et 12, qui constituent avec les modules M1 à M12 la partie « active » du pack batterie 1 délivrant un courant utile de plusieurs centaines de volts. Le dispositif 2 comporte un connecteur manuel 223 et un connecteur manuel 224 permettant d'isoler simultanément la connexion 11 et la connexion 12 du reste du circuit dans le pack batterie 1. Le dispositif 2 comporte également un fusible 221 dont l'état est connu du BMS 15. Comme explicité dans la demande FR1253052, le dispositif 2 est un dispositif purement manuel, dont le fonctionnement ne peut être empêché par un choc. Le pack 1 comporte en outre, en aval du dispositif 2 sur la connexion positive 12 par rapport au sens de déplacement du courant électrique dans le pack 1, un dispositif de pré-charge 13 qui permet de fermer le circuit du pack batterie 1 avant utilisation avec une résistance 133, afin d'éviter les arcs électriques dus au passage soudain d'un fort courant. Le dispositif 13 comporte également deux relais 131 et 132, un fusible 134 et un capteur de courant A connecté au BMS 15, de sorte que le BMS 15 connaît l'intensité du courant délivré par le pack 1 et pilote les relais 131 et 132 en conséquence. Le pack 1 comporte en outre un connecteur haute tension 14 intégrant une borne positive 141 reliée à la connexion positive 12 et une borne négative 142 reliée à la connexion négative 142. C'est aux bornes 141 35 et 142 que peuvent être connectés des consommateurs de puissance, notamment un groupe motopropulseur. Le connecteur haute tension 14 inclut un module 143 assurant, sous le contrôle du BMS 15, une fonction « interlock » selon l'expression anglo-saxonne, qui permet de détecter l'état fermé ou ouvert du connecteur 14 et donc d'autoriser ou non la fermeture 5 des relais du pack batterie 1. Les figures 2a à 2c illustrent par des vues de profil, dont la vue de la figure 2a en coupe, un exemple de réalisation du dispositif bipolaire de coupure de sécurité 2 apte à collaborer avec un dispositif de décharge selon 10 la présente invention. Il comporte notamment une embase 21 dans laquelle se branche une fiche amovible 22 et permettant de déconnecter simultanément la connexion positive 12 et la connexion négative 11, de manière à provoquer l'ouverture des deux circuits dans le cas du débranchement de la fiche 22. La fiche 22 comporte un levier 222 pour la 15 débrancher sans effort. La figure 2b illustre le dispositif 2 en configuration « fermée », la fiche 22 étant branchée dans l'embase 21, le levier 222 étant alors baissé. La figure 2c illustre le dispositif 2 en configuration « ouverte », la fiche 22 étant débranchée de l'embase 21, le levier 222 étant alors levé. C'est l'effet de levier du levier 222 qui fournit, à lui seul, l'effort permettant de 20 passer de la configuration « fermée » où le courant passe à la configuration « ouverte » où le courant ne passe pas. Le fusible 221 illustré précédemment à la figure 1 est disposé dans la fiche 22. Mais il convient de se reporter à la demande FR1253052, qui aura été publiée à la date de publication de la présente demande, pour avoir une description détaillée du dispositif 2, ainsi 25 que de ses principes de fonctionnement. L'un des principes de fonctionnement du dispositif 2 bipolaire de coupure de sécurité est qu'il se trouve, par rapport au sens de déplacement du courant électrique dans le pack batterie 1, en amont du relai 131 : le courant quittant via la connexion positive 12 les modules M1 à M12, qui constituent la partie active et sous- 30 tension du pack batterie 1, ce courant suivant ensuite le circuit qui va vers le connecteur haute tension 14, passe d'abord par le dispositif 2 bipolaire de coupure de sécurité, avant de traverser le dispositif 13 de pré-charge qui contient le relai 131 permettant de fermer le circuit de puissance. Ainsi en se connectant à l'embase 21 du dispositif 2 bipolaire de coupure de sécurité, on 35 a un accès direct à la zone sous tension du circuit électrique, sans passer par le relai 131. Un principe de la présente invention est de remplacer la fiche 22 du dispositif de coupure 2 par un dispositif de décharge 3 décrit en détail aux figures 3a, 3b et 4 qui suivent.

Les figures 3a et 3b illustrent par un synoptique et une vue de profil en coupe un exemple de dispositif de décharge 3 selon l'invention branché à l'embase 21 qui est, quant à elle, illustrée par la même vue de profil en coupe que sur la figure 2a. Le dispositif 3 selon l'invention est donc branché à l'embase 21 à la place de la fiche 22, qui a préalablement été débranchée. Le dispositif 3 comporte, pour des raisons de sécurité, un fusible 31 une résistance 32 pour dissiper l'énergie, ainsi qu'un interrupteur 36 pour activer ou désactiver le dispositif 3. Un élément de connexion haute-tension 33, un câble par exemple, connecte en série un pôle du fusible 31 à un pôle de la résistance 32. Un élément de connexion haute-tension 37, un câble par exemple, connecte en série l'autre pôle du fusible 31 à un pôle de l'interrupteur 36. Un câble haute-tension 35 connecte l'autre pôle de l'interrupteur 36 à la connexion positive 12 via l'embase 21. Un câble haute-tension 34 connecte l'autre pôle de la résistance 32 à la connexion négative 11 via l'embase 21. Avantageusement, une fiche 38 ressemblant à la fiche 22 décrite précédemment peut permettre de connecter et de déconnecter manuellement le dispositif 3 de l'embase 21, comme illustré à la figure 3b. Ainsi, le dispositif 3 peut comporter, en vue d'être déconnecté sans effort, une fiche 38 comportant un levier 381. La figure 3b illustre la fiche 38 branchée dans l'embase 21 en configuration « fermée », son levier 381 étant alors baissé. La figure 3b illustre par une flèche le soulèvement du levier 381 vers sa position levée, en vue de passer la fiche 38 à sa configuration « ouverte » et la débrancher manuellement sans effort de l'embase 21. C'est l'effet de levier du levier 381 qui fournit, à lui seul, l'effort permettant de passer de la configuration « fermée » où le courant passe dans le dispositif 3 à la configuration « ouverte » où le courant ne passe pas dans le dispositif 3. Pour rebrancher la fiche 38 dans l'embase 21, il convient de rabaisser au préalable le levier 381, car il s'oppose au branchement dans sa position levée. Les câbles 33, 34 et 35 ont une section autorisant le passage sans risque d'échauffement du courant de décharge. Lorsqu'il s'agit d'un pack batterie endommagé, la résistance 32 peut être choisie de sorte que le courant de décharge reste faible par rapport à l'intensité maximale pouvant être délivrée par la batterie. Par exemple, pour un pack batterie pouvant délivrer une intensité de 300 ampères, la résistance 32 peut être choisie de sorte que le courant de décharge ne dépasse pas 60 ampères. Le dispositif 3 de décharge est par ailleurs dimensionné de manière à dissiper en toute sécurité la puissance thermique dégagée par la résistance 32. Le dispositif 3 peut être utilisé pour décharger le pack batterie jusqu'à sa tension minimale ou bien pour la sur-décharger si un doute important persiste sur son état.

La figure 4 illustre par un synoptique le pack batterie 1 auquel est branché le dispositif de décharge 3 selon la présente invention via l'embase 21 du dispositif de coupure 2 après que la fiche amovible 22 ait été débranchée. Ainsi branché à l'embase 21, la résistance 32 dissipe sous forme de chaleur l'énergie électrique stockée dans les modules M1 à M12 du pack batterie 1. Il faut bien comprendre que, ainsi connecté, le dispositif de décharge 3 est relié directement au réseau de puissance du pack batterie 1 sans passer par les relais 131 et 132 de la batterie, et donc qu'il est connecté directement aux modules M1 à M12 sans qu'il soit utile de piloter les relais 131 et 132 du pack batterie 1 : aucune communication avec le BMS 15 n'est nécessaire. En effet, le dispositif 2, après qu'on ait débranché sa fiche amovible 22, donne accès direct aux connexions positive 12 et négative 11 et donc à la partie « active » du pack batterie 1 délivrant plusieurs centaines de volts. Dans cette partie « active », le circuit est physiquement continu, la connexion aux bornes positive 12 et négative 11 est donc suffisante pour fermer le circuit : les éléments du dispositif 3, c'est-à-dire le relais 36, le fusible 31 et la résistance 32 viennent compléter le circuit et autorisent la décharge du pack batterie 1 en toute sécurité. Un encadré 17 rassemble les parties inactives du pack batterie 1 lors de l'utilisation du dispositif de décharge 3 selon l'invention. Outre la robustesse et le fait qu'elle permet la décharge de la 35 batterie jusqu'à un niveau sécurisé en réutilisant un dispositif de coupure électrique de sécurité, l'invention décrite précédemment a donc encore pour principal avantage de ne mettre en oeuvre que des moyens modestes et facilement disponibles, sans outil ni démontage. Elle est applicable à de nombreuses batteries endommagées, pour peu que le circuit interne de la batterie soit similaire à celui présenté dans la présente demande, par exemple lorsque la batterie ne dispose d'aucun autre moyen de décharge, ou bien lorsque le dialogue avec son BMS n'est plus possible, ou encore lorsque la fermeture de ses relais n'est plus possible.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif comportant : - une pluralité de modules (M1 à M12) comportant chacun une pluralité de cellules électrochimiques de stockage d'énergie électrique, les modules étant connectés directement et en série, de manière à former une série de modules comportant deux extrémités, l'une constituant une connexion positive (12) et l'autre constituant une connexion négative (11) ; - des moyens pour décharger (3) l'énergie électrique stockée dans des cellules électrochimiques, lesdits moyens comportant deux éléments de connexion (34, 35) ; le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens amovibles aptes à connecter l'un des éléments de connexion (35) des moyens pour décharger à la connexion positive et l'autre élément de connexion (34) des moyens pour décharger à la connexion négative.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens amovibles incluent une embase (21) raccordée aux connexions positive (12) et négative (11) de la série de modules, ainsi qu'une fiche (38) raccordée aux éléments de connexion (34, 35) des moyens pour décharger, la fiche (38) étant apte à être branchée dans l'embase (21) de manière à connecter ledit un des éléments de connexion des moyens pour décharger à la connexion positive et ledit autre élément de connexion à la connexion négative.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fiche (38) comporte un levier (381) pour débrancher manuellement sans effort ladite fiche de l'embase (21).
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour décharger (3) incluent une résistance (32) pour dissiper l'énergie électrique sous forme de chaleur.
5. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité de modules est comprise dans une batterie.
6. 6. Dispositif selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que, la batterie étant une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride comportant un circuit de puissance, l'embase (21) est disposée à un emplacement accessible à l'extérieur du véhicule et est apte à être branchée à une fiche amovible (22) autorisant la série de modules à alimenter le circuit de puissance dudit véhicule.
7. 7. Véhicule électrique ou hybride comportant un dispositif selon la revendication précédente.