FR3103566A1

FR3103566A1 - Batterie à architecture perfectionnée

Info

Publication number: FR3103566A1
Application number: FR1913222A
Authority: FR
Inventors: Djamel HADBI; Nathalie BARNEL; Julien FILLIATRE
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-05-28

Abstract

La présente invention concerne une batterie à NxM cellules électrochimiques, comportant M branches montées en parallèle, et, dans chaque branche, N cellules montées en série et de rangs respectifs 1, 2, …, N, caractérisée en ce qu’elle comporte en outre :- N-1 lignes équipotentielles, chaque ligne reliant des cellules de même rang sur l’ensemble des M branches, - NxM interrupteurs, chaque interrupteur étant monté en série avec une cellule entre deux lignes équipotentielles, et- une unité de mesure (UM) de fonctionnement de chaque cellule, apte à piloter chaque interrupteur pour court-circuiter une cellule dont le fonctionnement mesuré montre une défaillance de la cellule. Figure de l’abrégé : Figure 5

Description

Batterie à architecture perfectionnée

La présente divulgation concerne une batterie de type à cellules électrochimiques.

Une cellule électrochimique est composée de deux électrodes immergées dans un électrolyte (substance pouvant exister sous forme d’ions mobiles). Les électrodes, anode et cathode, sont des conducteurs électroniques. L’équilibre électrochimique à chacune des interfaces électrode-électrolyte est atteint pour une valeur particulière de tension (appelée « potentiel d’électrode »). A l’équilibre, la différence de potentiel entre les deux électrodes définit la « tension nominale » de la cellule.

En référence à la figure 1, lors de la charge ou de la décharge de la cellule électrochimique, le potentiel U d’électrode varie. Des temps de relaxation sont nécessaires pour revenir à l’équilibre chimique. Le potentiel de l’accumulateur dépend alors de son état de charge et de la température par exemple. Le couple électrochimique est choisi de façon à ce que la réaction soit réversible.

Toutefois, au cours du temps, des processus de vieillissement tendent à altérer l’efficacité énergétique de l’accumulateur (déformation du réseau cristallin, réactions chimiques auxiliaires, etc.).

L’énergie qu’une cellule électrochimique est capable de restituer à un instant t de sa vie lors d’une décharge complète est la capacité de la cellule, s’exprimant en Wh (unité homogène à une énergie) ou en Ah (si l’on divise l’énergie par la tension nominale). La capacité d’une cellule peut dépendre du régime de courant, mais en tout état de cause, la capacité diminue avec l’âge de la cellule (typiquement le nombre de charges/décharges).

Les valeurs de tension des cellules électrochimiques élémentaires sont faibles (généralement inférieures à 4 V). Afin d’atteindre des niveaux de tension exploitables industriellement (12 V, 48 V, ou autres) plusieurs cellules sont mises en série. Cela implique que le même courant I_sériepasse par l’ensemble des cellules en série comme illustré sur la figure 2. La tension qui peut être globalement atteinte V_batest alors la somme des tensions V_cellaux bornes de chaque cellule.

Or, les niveaux de charges des différentes cellules peuvent différer par exemple en raison d’écarts initiaux à la fabrication, ou encore en raison d’un vieillissement inégal des cellules, d’un déséquilibre dans le circuit, ou autre.

Dans ce cas, la même valeur de courant imposée par une charge à plusieurs cellules mises en série se traduit par des valeurs différentes de tension selon le niveau de charge et l’état de santé de chaque cellule. La tension totale de la série de cellules peut s’éloigner fortement de la tension théorique attendue.

Ce déséquilibre limite la capacité utile des cellules et dégrade la capacité globale de la batterie. En outre, si le déséquilibre entre les niveaux de charges des cellules est important, les cellules les moins chargées risquent de subir des surcharges locales, ce qui dégrade l’état de santé de la batterie, et peut engendrer sa destruction avec des risques d’emballement thermique ou d’explosion selon les technologies.

Afin de garantir une certaine quantité d’énergie emmagasinée, plusieurs séries de cellules électrochimiques sont mises en parallèle comme illustré sur la figure 3. Ce type de batterie comporte alors M branches B1 à BM et, dans chaque branche, N cellules de rangs respectifs R1, R2, …, RN.

Ainsi, les séries partagent la même tension et la série avec la tension la plus faible impose alors sa tension à l’ensemble des séries en parallèle et donc à la batterie.

Le courant de décharge de la batterie est composé de la somme des courants des différentes séries, avec une répartition inégale entre les différentes séries selon la valeur du courant de la charge et selon les niveaux de charge dans chaque série de cellules. Ce déséquilibre en courant aggrave le déséquilibre entre séries et au sein même de cellules d’une même série. Certaines séries peuvent débiter dans d’autres séries moins chargées, ce qui risque de les endommager par emballement thermique.

Le cas le plus problématique est en effet celui d’un début d’emballement thermique d’une cellule. Il s’agit d’un enjeu de sécurité. Selon les technologies, si une cellule subit un début d’emballement thermique, les autres cellules de la même série et des autres séries alimentent en courant cet emballement conduisant à la destruction de la cellule. La destruction de la cellule se propage ensuite aux cellules adjacentes. Dans le cas du Li-Ion par exemple la combustion d’une cellule produit son propre comburant (qui n’est pas l’oxygène). Le phénomène peut se propager jusqu’à toute la batterie. Dans le cas des électrolytes aqueux (technologies Pb ou Ni-Cd), l’assèchement de l’électrolyte engendre un dégagement d’hydrogène produit par une électrode. L’hydrogène dégagé ne parvient pas à se recombiner avec l’oxygène produit par l’autre électrode. L’hydrogène est un gaz explosif, dont la limite inférieure d’explosivité est très faible (4%).

Les assemblages de cellules sous la forme de coffrets de batteries conventionnels utilisent un montage du type illustré sur la figure 3, où les cellules sont disposées en série dans des « branches » pour former la tension de sortie de la batterie et plusieurs branches sont raccordées en parallèle pour augmenter l’énergie stockée.

Les cellules électrochimiques sont issues de différentes technologies : au plomb, au Nickel-Cadmium, au Lithium-Ion, ou autres.

Cette architecture conventionnelle pose alors plusieurs problèmes.

La limitation d’une cellule entraine une limitation en courant et tension de l’ensemble des cellules en série dans la même branche.

La limitation d’une série de cellules entraine la limitation en tension de l’ensemble des séries en parallèle, ce qui se traduit par une limitation de l’énergie disponible et donc par une réduction de l’autonomie de la batterie et son incapacité à répondre à un besoin d’alimentation électrique. En cas d’une telle défaillance de la batterie, il n’est pas connu actuellement de solution pour identifier la ou les cellules à l’origine de la défaillance, et il faut donc remplacer toute la batterie.

En effet, il n’est pas prévu actuellement de réaliser le diagnostic au niveau d’une cellule isolée pour connaitre son état. Il est possible d’établir un diagnostic de la batterie complète mais il faut la déconnecter et donc perdre sa disponibilité.

Par ailleurs, par phénomène d’emballement, la défaillance d’une seule cellule entraine la défaillance de la batterie. Cette défaillance peut en outre engendrer des risques d’emballement (incendie, explosion, ou autre) ou dans le meilleur des cas la mise hors service de l’ensemble de la batterie.

Quand bien même il serait possible de protéger une batterie présentant une cellule défaillante en cherchant à déconnecter en particulier la cellule identifiée comme défaillante, toute la branche à laquelle appartient cette cellule doit être déconnectée (alors que des cellules montées en série avec la cellule défaillante seraient potentiellement valides et opérationnelles). Ainsi, un défaut d’une cellule engendre l’isolation de toute la série et donc la perte d’une fraction importante de la capacité de la batterie.

Résumé

La présente divulgation vient améliorer la situation.

Il est proposé une batterie à NxM cellules électrochimiques, comportant M branches montées en parallèle, et, dans chaque branche, N cellules montées en série et de rangs respectifs 1, 2, …, N.
En particulier, la batterie comporteen outre :
- N-1 lignes équipotentielles, chaque ligne reliant des cellules de même rang sur l’ensemble des M branches,
- NxM interrupteurs, chaque interrupteur étant monté en série avec une cellule entre deux lignes équipotentielles, et
- une unité de mesure de fonctionnement de chaque cellule, apte à piloter chaque interrupteur pour court-circuiter une cellule dont le fonctionnement mesuré montre une défaillance de la cellule.

Dans une réalisation, chaque interrupteur est de type électromécanique. En variante, chaque interrupteur est de type à semi-conducteur. Bien entendu, les interrupteurs de la batterie peuvent être panachés entre des interrupteurs de type électromécanique et des interrupteurs de type à semi-conducteur.

L’unité de mesure peut comporter au moins un capteur de mesure par cellule. Il peut s’agir par exemple d’un capteur de température, ou encore d’un paramètre électrique tel qu’une tension aux bornes de la cellule ou une intensité de courant délivré par exemple (ou encore une énergie ou une puissance électrique).

Ainsi, on peut prévoir que l’unité de mesure comporte au moins un capteur de tension aux bornes de chaque cellule.

Toutefois, on peut limiter avantageusement le nombre de capteurs de paramètre électrique à prévoir, et, dans une réalisation, l’unité de mesure comporte un jeu de seulement N+M capteurs d’un paramètre électrique, ce jeu comportant un capteur de paramètre électrique par branche, et un capteur de paramètre électrique par ligne équipotentielle.

Dans une telle réalisation, l’unité de mesure est agencée pour:
- mesurer le paramètre électrique pour chaque branche et comparer la mesure à une valeur attendue pour chaque branche, et
- mesurer le paramètre électrique pour chaque ligne équipotentielle et comparer la mesure à une valeur attendue pour chaque ligne,
un écart entre la mesure et la valeur attendue à la fois sur une i-ème branche et sur une j-ème ligne caractérisant une défaillance de la cellule de rang j sur la branche i.

L’unité de mesure peut alors être agencée en outre pour, en cas d’écart identifié à la fois sur une i-ème branche et sur une j-ème ligne, piloter l’ouverture de l’interrupteur de la cellule de rang j sur la branche i.

Dans une réalisation, la batterie peut comporter, pour chaque cellule, une piste de commande de l’interrupteur de cette cellule, la piste de commande étant reliée d’une part à l’interrupteur de cette cellule et d’autre part à l’unité de mesure. L’unité de mesure est alors agencée pour ouvrir, via une piste correspondante, l’interrupteur d’une cellule de rang j et de branche i, identifiée comme défaillante.

Par ailleurs, l’unité de mesure peut être agencée pour opérer un équilibrage actif en cas de détection de surcharge de l’une des NxM cellules, en pilotant l’ouverture d’au moins un interrupteur d’une cellule de même rang que la cellule en surcharge, mais de branche différente, l’interrupteur de la cellule en surcharge restant fermé.

Une telle réalisation de l’unité de mesure permet en outre d’utiliser des cellules de caractéristiques différentes dans la batterie (par exemple de types et/ou de constructeurs différents). Ainsi, dans une telle réalisation, la batterie comporte des cellules différentes entre elles, et l’unité de mesure est agencée pour opérer un équilibrage actif compensant les différences entre cellules, en pilotant l’ouverture d’une partie des interrupteurs de la batterie, les interrupteurs d’une partie complémentaire restant fermés.

Dans une réalisation de la batterie, l’unité de mesure comporte une pluralité de capteurs aptes à mesurer au moins un paramètre propre à chacune des cellules, un processeur et une mémoire,
la mémoire stockant des valeurs attendues desdits paramètres, et le processeur étant apte à:
- comparer pour chaque cellule une mesure courante du paramètre de cette cellule à la valeur attendue de ce paramètre stockée en mémoire,
- et, en cas d’écart entre la valeur stockée et la mesure courante pour une cellule donnée, piloter l’ouverture de l’interrupteur de la cellule donnée.

La présente divulgation vise aussi un programme informatique destiné à être exécuté par un processeur d’une unité de mesure d’une telle batterie, et comportant des instructionspour :
- obtenir des mesures d’au moins un paramètre propre à chacune des cellules,
- stocker en mémoire des valeurs attendues desdits paramètres,
- comparer pour chaque cellule une mesure courante du paramètre de cette cellule à la valeur attendue de ce paramètre stockée en mémoire,
- et, en cas d’écart entre la valeur stockée et la mesure courante pour une cellule donnée, piloter l’ouverture de l’interrupteur de la cellule donnée.

Selon un autre aspect, il est proposé un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre de tout ou partie d’un procédé tel que défini dans les présentes lorsque ce programme est exécuté par un processeur. Selon un autre aspect, il est proposé un support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un tel programme.

Ainsi, la présente divulgation propose une batterie de meilleure performance en termes de durée de vie et de disponibilité opérationnelle. L’architecture de raccordement des cellules électrochimiques est basée sur un circuit matriciel, équipé d’interrupteurs individuels pour chaque cellule afin de pouvoir découpler une cellule défaillante, et de capteurs pour détecter une telle défaillance.

Par une telle mise en œuvre, il est possible de :
- diagnostiquer chaque cellule séparément tout en maintenant les fonctions critiques de la batterie (maintien total ou en mode dégradé),
- rendre ainsi moins sensible la batterie à la défaillance d’une ou plusieurs cellules,
- procéder à un équilibrage actif des cellules tout en maintenant les fonctions critiques pour augmenter la durée de vie de la batterie,
- prévoir la durée de vie résiduelle d’une cellule isolée pour anticiper son remplacement,
- pouvoir remplacer une cellule défaillante indépendamment des autres ce qui permet d’éviter un problème d’obsolescence dans le temps,
- éviter ainsi qu’une cellule sous-performante n’altère d’autres cellules de la batterie,
- et prévenir ainsi d’un emballement d’une cellule (par exemple si les tentatives d’équilibrage d’une cellule sont infructueuses en raison d’un défaut permanent dans la cellule).

Par ailleurs, il est possible de remplacer une cellule défaillante par une cellule différente (qui ne provient par exemple pas du même lot, ou du même constructeur) car l’unité de mesure peut piloter l’exploitation de cette cellule hétérogène de façon compatible avec les autres cellules. Il est possible ainsi de traiter les problèmes d’obsolescence sans être tributaire d’un constructeur particulier. Ainsi, l’équilibrage actif que peut opérer l’unité de mesure peut permettre d’utiliser des cellules différentes dans la batterie.

Une telle architecture permet d’isoler cette cellule défaillante en attendant son remplacement tout en maintenant en service la batterie de façon générale mais aussi les cellules en série avec la cellule défaillante de manière à réduire la perte de capacité totale de la batterie à la perte de capacité d’une seule cellule.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels:

Fig. 1

illustre les charge et décharge d’une cellule électrochimique.

Fig. 2

illustre une mise en série de plusieurs cellules électrochimiques.

Fig. 3

illustre une mise en parallèle de plusieurs séries de cellules électrochimiques.

Fig. 4

illustre une architecture de batterie proposée dans un mode de réalisation.

Fig. 5

illustre une réalisation pour une surveillance et diagnostic de cellules de la batterie.

Fig. 6

illustre une réalisation d'équilibrage actif en cas ici d’une cellule surchargée.

Fig. 7

illustre une réalisation d’une unité de mesure selon un exemple de réalisation.

Fig. 8

illustre un exemple de traitement algorithmique pour la détection d’une défaillance de cellule.

En référence à la figure 4, une architecture de batterie selon un mode de réalisation de l’invention est matricielle, comme présentée précédemment en référence à la figure 3 (avec M branches en parallèle et, dans chaque branche, N cellules). Toutefois, ici, un interrupteur est associé à chaque cellule, cet interrupteur étant pilotable pour raccorder les cellules en série dans chaque branche. En outre, des capteurs de mesure d’un paramètre caractérisant le fonctionnement de chaque cellule (par exemple la tension aux bornes de chaque cellule) sont prévus pour la surveillance du fonctionnement de chaque cellule, avec la possibilité d’injecter un courant pour le diagnostic de chaque cellule. En effet, dans une batterie à NxM cellules électrochimiques, comportant M branches montées en parallèle, si on prévoit dans chaque branche N cellules montées en série et de rangs respectifs 1, 2, …, N, l’architecture de la figure 4 comporte, outre les NxM interrupteurs, N-1 lignes équipotentielles reliant chacune les cellules de même rang sur l’ensemble des M branches.

Ainsi, l’injection de courant de test peut s’effectuer dans une branche et/ou dans une ligne équipotentielle pour identifier une cellule défaillante ou vieillissante par exemple.

Dans une telle architecture, les NxM interrupteurs sont montés chacun en série avec une cellule entre deux lignes équipotentielles.

En référence à la figure 5, la batterie comporte alors une unité de mesure UM du fonctionnement de chaque cellule, apte à piloter chaque interrupteur pour court-circuiter une cellule dont le fonctionnement mesuré montre une défaillance de la cellule (au-delà d’un seuil de tolérance par exemple). A cet effet, l’unité de mesure est reliée, d’une part, aux capteurs précités, et, d’autre part, aux interrupteurs, par exemple via des pistes électriques de commande de chaque interrupteur.

Une telle unité de mesure UM peut appliquer un traitement algorithmique d’équilibrage actif, de sécurité et/ou de diagnostic de l’état de santé de chaque cellule, dont les consignes sont alors appliquées via l’utilisation des interrupteurs.

Chacune des cellules de la batterie peut être surveillée, par exemple en permanence (par une simple mesure). En cas de détection d’une anomalie, l’unité de mesure UM déconnecte la cellule en cause en envoyant un ordre d’ouverture à l’interrupteur associé à cette cellule. Une fois cette cellule déconnectée, l’unité de mesure UM pilote l’ensemble des tests et mesures (charges/décharges) permettant de diagnostiquer la cellule.

Le courant des autres cellules de la même série utilise les équipotentielles (lignes horizontales) pour contourner la cellule déconnectée.

Lorsque l’unité de mesure diagnostique un état de santé d’une cellule en défaut malgré les tentatives d’équilibrage actif (procédure détaillée plus loin) et de récupération de cette cellule (par exemple une cellule détectée comme sous-performante malgré un cycle complet de recharge), l’unité de mesure envoie une commande à l’interrupteur en série avec cette cellule pour déconnecter cette dernière. Cela empêche l’aggravation du défaut et l’emballement de la cellule. Par ailleurs, l’unité de mesure peut envoyer et/ou enregistrer un signal pour prévenir de la défaillance de la cellule afin qu’elle soit remplacée à un moment opportun (lors d’un prochain passage de maintenance, ou en prévoyant une maintenance exceptionnelle si un nombre critique de cellules est en défaut).

Ainsi, seule la fraction d’énergie de la cellule en défaut est perdue, les autres cellules continuant de fonctionner. La participation des cellules en séries se répartit sur les autres cellules de même niveau (i.e. sur une même ligne équipotentielle), comme illustré par les doubles flèches de la figure 5.

En cas d’anomalie détectée, l’unité de mesure peut procéder ensuite à une procédure dite d’«équilibrage actif» détaillé ci-après. Le mécanisme d’équilibrage actif repose sur la même logique que celle précédemment présentée en référence à la figure 5. Toutefois, comme illustré sur la figure 6, il s’agit de surcharger une cellule défaillante par rapport à des cellules de même niveau lorsque la batterie se décharge. L’unité de mesure peut décider de surcharger cette cellule en déconnectant les cellules du même niveau (même ligne équipotentielle) pour abaisser leur niveau de charge et ainsi assurer un équilibrage au niveau des cellules d’une même équipotentielle. L’unité de mesure peut piloter cette opération instantanément ou en envoyant des ordres de commande temporisés, proportionnels à la charge de chaque cellule. Il est possible en outre d’arbitrer un tel équilibrage sur plusieurs cellules d’une même ligne équipotentielle en ouvrant seulement quelques uns des interrupteurs de cette ligne (voire un seul).

Typiquement, une telle réalisation peut être utilisée aussi dans le cas où les cellules sont de natures différentes (ayant des caractéristiques électriques différentes et/ou issues de constructeurs différents). Dans ce cas, l’unité de mesure peut découpler dynamiquement certaines cellules de la batterie (et en connecter d’autres ensemble) afin d’équilibrer les charges/décharges dans la batterie.

On a illustré sur la figure 7 une réalisation possible d’une unité de mesure UM. La batterie comporte M branches B1, B2, …, BM et N-1 lignes équipotentielles EQ1, EQ2, …, EQN-1. Chaque cellule Cij est ainsi identifiée en fonction de la branche i à laquelle elle appartient et de la ligne EQj à laquelle elle est connectée. On prévoit en outre (par exemple dans un circuit superposé au plan de la figure 7) une piste électrique pour chaque interrupteur, cette piste étant alors reliée à une interface INTI que comporte l’unité de mesure UM afin de piloter l’ouverture/la fermeture de chaque interrupteur. L’unité de mesure UM comporte en outre une interface INTM reliée à chaque capteur que comporte la batterie BATT pour la surveillance de chaque cellule. L’unité de mesure UM comporte en outre une mémoire MEM pour stocker des valeurs attendues des mesures réalisées sur les cellules, ainsi qu’un processeur PROC pour comparer ces valeurs attendues aux mesures respectives en cours de réalisation sur les cellules. En cas d’écart significatif pour l’une au moins des ces mesures, constaté sur une cellule particulière, le processeur PROC peut piloter via l’interface INTI l’ouverture de l’interrupteur de cette cellule pour la court-circuiter de sa série. En outre, la mémoire MEM peut stocker un programme informatique comportant des instructions pour mettre en œuvre une telle réalisation lorsque le processeur PROC exécute ces instructions. L’unité de mesure UM comporte en outre une interface de visualisation VIS (par exemple un tableau de diodes LED ou autre) pour indiquer une cellule identifiée comme défaillante.

Une telle réalisation peut utiliser un capteur par cellule, soit NxM capteurs au total. Toutefois, alternativement, il est possible d’utiliser moins de capteurs, par exemple seulement N+M capteurs, comme exposé dans un exemple de réalisation ci-après.

En référence aux figures 7 et 8, pour les M branches B1 à BM (étape S1), on teste à l’étape S2 un paramètre électrique successivement de chaque branche Bi (étape S2). Les interrupteurs des autres branches sont ouverts. Le paramètre électrique peut être la tension aux bornes de la branche totale (avec ses N cellules), ou encore le courant délivré par ses N cellules en série, ou encore une énergie ou une puissance électrique. La valeur de cette mesure VAL est comparée avec une valeur stockée STO dans la mémoire MEM en tant que valeur attendue (étape S3). Si, pour une branche donnée Bi, l’écart entre la valeur stockée et la valeur mesurée dépasse un seuil prédéterminé THR1 (en valeur absolue), alors l’indice i de cette branche Bi est stocké en mémoire (étape S4).

Les mêmes tests peuvent être effectués ensuite sur les lignes équipotentielles en commençant par exemple par la ligne EQN-1 de la figure 7. Les interrupteurs des cellules sous la ligne EQN-1 sont fermés et tous les autres ouverts. On peut mesurer un paramètre électrique pour l’ensemble des cellules qui restent connectées (en parallèle) à l’étape S6 et comparer la valeur mesurée à une valeur attendue. Si l’écart entre ces valeurs est supérieur à un seuil THR2 (en valeur absolue) à l’étape S7, alors on stocke l’indice de la ligne équipotentielle à l’étape S8. On ouvre ensuite les interrupteurs sous la ligne EQN-1, on ferme les interrupteurs sous la ligne EQN-2, tous les autres interrupteurs étant ouverts, et on réitère les étapes S6 à S8, et ainsi de suite jusqu’à fermer seulement les interrupteurs sous la ligne EQ0 de la figure 7. Ainsi, successivement, toutes les lignes équipotentielles EQN-1 à EQ0 sont testées (étape S5), en stockant l’indice j d’une ligne dont le paramètre électrique mesuré s’écarte d’une valeur attendue (flèche OK en sortie du test S7).

A l’étape S9, on peut identifier ainsi la défaillance d’une cellule Cij, dont à la fois l’indice de branche i et l’indice de ligne j ont été stockés en mémoire (respectivement aux étapes S4 et S8).

Ainsi, le traitement algorithmique de surveillance (et possiblement d’équilibrage) peut être mise en œuvre grâce à l’utilisation de l’architecture matricielle du type présenté ci-avant. Les fonctionnalitéspossibles de ce traitement sont notamment:
- Mesurer des niveaux de tension et de courant dans chaque cellule,
- Mesurer un niveau de charge par application de charges/décharges contrôlées sur des cellules isolées,
- Estimation de niveau de charge basée par exemple sur des modèles,
- Estimation de l’état de santé de chaque cellule (et prévision de la durée de vie résiduelle basée sur des modèles),
- Calcul des ordres de commande à envoyer pour la surveillance, l’équilibrage actif, l’isolation, etc., en maintenant par exemple une redondance de mesure; on peut toutefois alterner dans le temps les cellules dont le fonctionnement est mesuré pour garder à tout moment un nombre critique de cellules connectées (par ligne équipotentielle par exemple).

On peut ainsi remplacer les coffrets de batteries existants en les enrichissant de ces fonctionnalités, et ce dans différents secteurs d’un réseau électrique par exemple. Une liste non exhaustive est donnée à titre indicatif:
- alimentation auxiliaire de postes HTA/BT pour la communication et le ré-enclenchement de postes,
- alimentation de secours dans les centrales de génération d’énergie électrique,
- alimentation de secours en général,
- batteries pour véhicules électriques, etc.

Typiquement, des batteries de type «plomb-acide» d’une quarantaine d’Ah dans les coffrets de télécommande ITI (Coffret d’interface de télécommande d’interrupteurs 400 A) pour l’alimentation de secours des tableaux HTA de postes HTA/BT peuvent être ainsi équipées d’une architecture telle que décrite ci-avant.

Néanmoins, d’autres technologies de cellules électrochimiques (technologies Plomb ou Lithium-Ion) montrent aussi des limites fonctionnelles, notamment des problèmes d’autoconsommation et de déséquilibrage, qui peuvent être résolus par une architecture surveillée comme présenté ci-avant.

Claims

Batterie à NxM cellules électrochimiques, comportant M branches montées en parallèle, et, dans chaque branche, N cellules montées en série et de rangs respectifs 1, 2, …, N,
caractérisée en ce qu’elle comporteen outre :
- N-1 lignes équipotentielles, chaque ligne reliant des cellules de même rang sur l’ensemble des M branches,
- NxM interrupteurs, chaque interrupteur étant monté en série avec une cellule entre deux lignes équipotentielles, et
- une unité de mesure (UM) de fonctionnement de chaque cellule, apte à piloter chaque interrupteur pour court-circuiter une cellule dont le fonctionnement mesuré montre une défaillance de la cellule.
Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque interrupteur est de type électromécanique.
Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque interrupteur est de type à semi-conducteur.
Batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’unité de mesure comporte au moins un capteur de mesure par cellule.
Batterie selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’unité de mesure comporte au moins un capteur de tension aux bornes de chaque cellule.
Batterie selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l’unité de mesure comporte un jeu de N+M capteurs d’un paramètre électrique, ledit jeu comportant un capteur de paramètre électrique par branche, et un capteur de paramètre électrique par ligne équipotentielle.
Batterie selon la revendication 6, caractérisée en ce que l’unité de mesure est agencée pour:
- mesurer le paramètre électrique pour chaque branche et comparer la mesure à une valeur attendue pour chaque branche, et
- mesurer le paramètre électrique pour chaque ligne équipotentielle et comparer la mesure à une valeur attendue pour chaque ligne,
un écart entre la mesure et la valeur attendue à la fois sur une i-ème branche et sur une j-ème ligne caractérisant une défaillance de la cellule de rang j sur la branche i.
Batterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que l’unité de mesure est agencée en outre pour, en cas d’écart identifié à la fois sur une i-ème branche et sur une j-ème ligne, piloter l’ouverture de l’interrupteur de la cellule de rang j sur la branche i.
Batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte, pour chaque cellule, une piste de commande de l’interrupteur de cette cellule, la piste de commande étant reliée d’une part à l’interrupteur de cette cellule et d’autre part à l’unité de mesure, et en ce que l’unité de mesure est agencée pour ouvrir, via une piste correspondante, l’interrupteur d’une cellule de rang j et de branche i, identifiée comme défaillante.
Batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’unité de mesure est agencée pour opérer un équilibrage actif en cas de détection de surcharge de l’une des NxM cellules, en pilotant l’ouverture d’au moins un interrupteur d’une cellule de même rang que la cellule en surcharge, mais de branche différente, l’interrupteur de la cellule en surcharge restant fermé.
Batterie selon l’une des revendications précédentes, comportant des cellules différentes entre elles, caractérisée en ce que l’unité de mesure est agencée pour opérer un équilibrage actif compensant les différences entre cellules, en pilotant l’ouverture d’une partie des interrupteurs de la batterie, les interrupteurs d’une partie complémentaire restant fermés.
Batterie selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’unité de mesure comporte une pluralité de capteurs aptes à mesurer au moins un paramètre propre à chacune des cellules, un processeur (PROC) et une mémoire (MEM),
la mémoire stockant des valeurs attendues desdits paramètres, et le processeur étant apte à:
- comparer pour chaque cellule une mesure courante du paramètre de cette cellule à la valeur attendue de ce paramètre stockée en mémoire,
- et, en cas d’écart entre la valeur stockée et la mesure courante pour une cellule donnée, piloter l’ouverture de l’interrupteur de la cellule donnée.
Programme informatique comportant des instructionspour :
- obtenir des mesures d’au moins un paramètre propre à chacune des cellules,
- stocker en mémoire des valeurs attendues desdits paramètres,
- comparer pour chaque cellule une mesure courante du paramètre de cette cellule à la valeur attendue de ce paramètre stockée en mémoire,
- et, en cas d’écart entre la valeur stockée et la mesure courante pour une cellule donnée, piloter l’ouverture de l’interrupteur de la cellule donnée,
lorsque le programme informatique est exécuté par un processeur d’une unité de mesure d’une batterie selon la revendication 11.