FR3131383A1 - System for controlling a plurality of battery cells and associated battery - Google Patents
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Abstract
Système de contrôle d’une pluralité de cellules de batterie et batterie associée La présente invention concerne un système de contrôle (12) d’une pluralité de cellules de batterie (14-1, …, 14-N) comprenant une paire de bornes de connexion pour chaque cellule de batterie (14-1, …, 14-N) et un système d’équilibrage (13). Le système d’équilibrage comprend pour chaque cellule un composant d’équilibrage (18-1, …, 18-N). Chaque composant d’équilibrage (18-1, …, 18-N) comprend une zone de tensions passantes superposée avec un intervalle de tensions de fonctionnement de la cellule de batterie (14-1, …, 14-N) correspondante de sorte que : + la tension passante minimale correspondante est strictement supérieure à la tension d’utilisation minimale correspondante ; et + la tension passante maximale correspondante est supérieure à la tension d’utilisation maximale correspondante. Figure pour l'abrégé : Figure 1System for controlling a plurality of battery cells and associated battery The present invention relates to a system for controlling (12) a plurality of battery cells (14-1, …, 14-N) comprising a pair of connection for each battery cell (14-1, …, 14-N) and a balancing system (13). The balancing system includes a balancing component (18-1, …, 18-N) for each cell. Each balancing component (18-1, …, 18-N) comprises an area of on voltages superimposed with a range of operating voltages of the corresponding battery cell (14-1, …, 14-N) so that : + the corresponding minimum on-going voltage is strictly higher than the corresponding minimum operating voltage; and + the corresponding maximum on-voltage is greater than the corresponding maximum operating voltage. Figure for the abstract: Figure 1
Description
La présente invention concerne un système de contrôle d’une pluralité de cellules de batterie.The present invention relates to a system for controlling a plurality of battery cells.
La présente invention concerne également une batterie comprenant un tel système de contrôle.The present invention also relates to a battery comprising such a control system.
De manière connue en soi, les batteries composées de cellules électrochimiques ne peuvent fonctionner sans composants électroniques, nécessaires à la sécurité de leur fonctionnement et à l’équilibrage des cellules.In a manner known per se, batteries composed of electrochemical cells cannot function without electronic components, necessary for the safety of their operation and the balancing of the cells.
Généralement, ces composants électroniques ou du moins les fonctions qu’ils assurent, sont connus sous le terme de BMS (de l’anglais « Battery Management System »).Generally, these electronic components, or at least the functions they provide, are known under the term BMS (from the English “Battery Management System”).
Le système BMS surveille la charge et le fonctionnement de chaque cellule composant la batterie. Par exemple, il est connu que les cellules de batterie à la base de lithium sont sensibles à une surcharge ou à une surdécharge. Les conséquences de ces évènements sont souvent irréversibles et peuvent être dangereux.The BMS system monitors the charging and operation of each cell making up the battery. For example, it is known that lithium-based battery cells are sensitive to overcharge or overdischarge. The consequences of these events are often irreversible and can be dangerous.
Ainsi, chaque cellule possède une tension d’utilisation minimale et une tension de charge maximale qui délimitent alors la plage de tensions de fonctionnement de cette cellule.Thus, each cell has a minimum operating voltage and a maximum charging voltage which then delimit the operating voltage range of this cell.
Le système BMS permet de surveiller chaque étage de tension et par exemple permet de couper la consommation dès qu’une cellule atteint la tension d’utilisation minimale ou de couper la charge dès qu’une cellule dépasse la tension de charge maximale.The BMS system makes it possible to monitor each voltage stage and, for example, makes it possible to cut off consumption as soon as a cell reaches the minimum operating voltage or to cut off the charge as soon as a cell exceeds the maximum charging voltage.
D’autres fonctions de sécurité peuvent également se rajouter dans le système BMS, comme par exemple la surveillance de la température.Other security functions can also be added to the BMS system, such as temperature monitoring.
Les composants électroniques d’une batterie incluent également un système d’équilibrage permettant d’équilibrer les tensions des cellules de batterie entre elles, lors notamment de leur charge.The electronic components of a battery also include a balancing system allowing the voltages of the battery cells to be balanced between them, particularly when charging.
Dans l’état de la technique, un tel système d’équilibrage est mis en œuvre soit de manière automatique à l’aide de composants électroniques, soit de manière centralisée par pilotage par exemple par le système BMS.In the state of the art, such a balancing system is implemented either automatically using electronic components, or centrally by control, for example by the BMS system.
Dans le premier cas, l’équilibrage automatique est par exemple mis en œuvre par une pluralité de transistors qui permettent de détecter un seuil de tension à partir duquel il décharge la cellule ou un groupe de cellules assemblées en parallèle.In the first case, automatic balancing is for example implemented by a plurality of transistors which make it possible to detect a voltage threshold from which it discharges the cell or a group of cells assembled in parallel.
Dans le deuxième cas, c’est-à-dire lorsque l’équilibrage se fait de manière pilotée par le système BMS, le système BMS, en plus d’assurer la surveillance des tensions de sécurité, intègre une série de transistors qui assurent la fonction d’équilibrage en déchargeant chaque cellule, si nécessaire, dans une résistance.In the second case, that is to say when the balancing is done in a manner controlled by the BMS system, the BMS system, in addition to ensuring the monitoring of safety voltages, integrates a series of transistors which ensure the balancing function by discharging each cell, if necessary, into a resistor.
Dans les deux cas, le système d’équilibrage nécessite l’utilisation d’une multitude de composants électroniques ce qui rend plus complexe le recyclage de la batterie.In both cases, the balancing system requires the use of a multitude of electronic components, which makes battery recycling more complex.
En particulier, ces composants électroniques montrent un impact très négatif sur l’environnement.In particular, these electronic components show a very negative impact on the environment.
La présente invention a pour but de réduire le nombre de composants électroniques au sein d’une batterie tout en permettant l’équilibrage de différentes cellules composant une telle batterie.The present invention aims to reduce the number of electronic components within a battery while allowing the balancing of different cells making up such a battery.
À cet effet, l’invention concerne un système de contrôle d’une pluralité de cellules de batterie, chaque cellule de batterie définissant un intervalle de tensions de fonctionnement s’étendant entre une tension d’utilisation minimale et une tension de charge maximale ;To this end, the invention relates to a system for controlling a plurality of battery cells, each battery cell defining an operating voltage interval extending between a minimum operating voltage and a maximum charging voltage;
le système de contrôle comprenant une paire de bornes de connexion pour chaque cellule de batterie et un système d’équilibrage de la charge des cellules de batterie ;the control system including a pair of connection terminals for each battery cell and a battery cell charge balancing system;
le système d’équilibrage comprend pour chaque cellule de batterie, un composant d’équilibrage connecté en parallèle avec les bornes de connexion de cette cellule de batterie et formé d’une ou de plusieurs diodes ;the balancing system comprises for each battery cell, a balancing component connected in parallel with the connection terminals of this battery cell and formed of one or more diodes;
chaque composant d’équilibrage étant configuré pour passer un courant électrique dans une direction selon une caractéristique courant/tension prédéterminée pour ce composant d’équilibrage et comprenant une zone de tensions passantes s’étendant entre une tension passante minimale et une tension passante maximale ;each balancing component being configured to pass an electric current in a direction according to a predetermined current/voltage characteristic for this balancing component and comprising a zone of on-voltage extending between a minimum on-voltage and a maximum on-voltage;
la zone de tensions passantes de chaque composant d’équilibrage étant superposée avec l’intervalle de tensions de fonctionnement de la cellule de batterie correspondante de sorte que :the on-voltage zone of each balancing component being superimposed with the operating voltage interval of the corresponding battery cell so that:
+ la tension passante minimale correspondante est strictement supérieure à la tension d’utilisation minimale correspondante ; et+ the corresponding minimum passing voltage is strictly greater than the corresponding minimum operating voltage; And
+ la tension passante maximale correspondante est supérieure à la tension d’utilisation maximale correspondante.+ the corresponding maximum pass-through voltage is greater than the corresponding maximum operating voltage.
Grâce à ces caractéristiques, chaque composant d’équilibrage permet de détourner le courant de la cellule de batterie correspondante lorsqu’elle est en fin de sa charge. Ainsi, au fur et à mesure de la charge de chaque cellule de batterie, le courant détourné augmente, ce qui permet de ralentir la charge de cette cellule. En même temps, les cellules moins chargées vont continuer à recevoir le courant jusqu’à atteindre une certaine tension. Elles vont donc rattraper sensiblement les cellules les plus chargées. Ainsi, un équilibrage peut être mis en œuvre de manière automatique et cela en utilisant très peu de composants électroniques.Thanks to these characteristics, each balancing component allows current to be diverted from the corresponding battery cell when it is at the end of its charge. Thus, as each battery cell is charged, the diverted current increases, which helps slow down the charging of that cell. At the same time, the less charged cells will continue to receive current until they reach a certain voltage. They will therefore noticeably catch up with the most loaded cells. Thus, balancing can be implemented automatically using very few electronic components.
Ainsi, le nombre total de composants électroniques dans la batterie peut être diminué ce qui simplifie son recyclage et diminue donc son impact négatif sur l’environnement.Thus, the total number of electronic components in the battery can be reduced, which simplifies its recycling and therefore reduces its negative impact on the environment.
Selon certains modes de réalisation, pour chaque composant d’équilibrage, la tension passante maximale est sensiblement égale à la tension d’utilisation maximale correspondante.According to certain embodiments, for each balancing component, the maximum pass voltage is substantially equal to the corresponding maximum operating voltage.
Grâce à ces caractéristiques, il est possible d’atteindre la tension de charge maximale de chaque cellule de batterie sans surdimensionner le composant d’équilibrage correspondant.Thanks to these characteristics, it is possible to achieve the maximum charging voltage of each battery cell without oversizing the corresponding balancing component.
Selon certains modes de réalisation, pour chaque composant d’équilibrage, la tension passante minimale est supérieure à une tension d’équilibre de la cellule de batterie correspondante, la tension d’équilibre d’une cellule de batterie correspondant à la tension de cette cellule en fin d’une phase de relaxation de cette cellule de batterie après une charge complète.According to some embodiments, for each balancing component, the minimum on-voltage is greater than a balance voltage of the corresponding battery cell, the balance voltage of a battery cell corresponding to the voltage of that cell at the end of a relaxation phase of this battery cell after a complete charge.
Chaque composant d’équilibrage se trouve ainsi dans l’état de blocage à la fin de la phase de relaxation de la cellule de batterie correspondante. Ainsi, il est possible d’éviter le déchargement de la cellule de batterie correspondante après la phase de relaxation.Each balancing component is thus in the blocking state at the end of the relaxation phase of the corresponding battery cell. In this way, it is possible to avoid discharging of the corresponding battery cell after the relaxation phase.
Selon certains modes de réalisation lequel, pour chaque composant d’équilibrage, la tension passante minimale est sensiblement égale à une tension d’équilibre de la cellule de batterie correspondante.According to certain embodiments which, for each balancing component, the minimum pass voltage is substantially equal to a balance voltage of the corresponding battery cell.
Grâce à ces caractéristiques, il est possible d’éviter le déchargement de la cellule de batterie correspondante après la phase de relaxation tout en rendant optimale la plage de fonctionnement du composant d’équilibrage.Thanks to these characteristics, it is possible to avoid the discharge of the corresponding battery cell after the relaxation phase while making the operating range of the balancing component optimal.
Selon certains modes de réalisation, la caractéristique courant/tension de chaque composant d’équilibrage a un comportement non-linéaire, avantageusement exponentiel, dans sa zone de tensions passantes.According to certain embodiments, the current/voltage characteristic of each balancing component has a non-linear behavior, advantageously exponential, in its passing voltage zone.
Grâce à ces caractéristiques, il est possible de faire correspondre le comportement des tensions dans la phase finale de la charge de chaque cellule de batterie avec le comportement des tensions dans la zone de tensions passantes du composant d’équilibrage correspondant.Thanks to these characteristics, it is possible to match the behavior of the voltages in the final phase of the charging of each battery cell with the behavior of the voltages in the on-voltage zone of the corresponding balancing component.
Selon certains modes de réalisation, chaque composant d’équilibrage comprend une diode ou plusieurs deux diodes connectées en série et/ou au moins deux diodes connectées en parallèle. According to certain embodiments, each balancing component comprises one diode or two diodes connected in series and/or at least two diodes connected in parallel.
En mettant au moins deux diodes en série, il est possible d’atteindre la plage de tensions de fonctionnement des cellules de batteries existantes. Cela permet également d’utiliser des diodes existantes dans la zone de tensions passantes généralement comprise entre 0,5 volts et 2 volts.By placing at least two diodes in series, it is possible to reach the operating voltage range of existing battery cells. This also makes it possible to use existing diodes in the on-voltage region generally between 0.5 volts and 2 volts.
En outre, la mise d’au moins deux diodes en parallèle permet d’augmenter le courant détourné de la cellule de batterie correspondante lors de son équilibrage.In addition, placing at least two diodes in parallel makes it possible to increase the current diverted from the corresponding battery cell during its balancing.
Enfin, lorsque ses caractéristiques le permettent, une seule diode peut également être utilisée.Finally, when its characteristics allow it, a single diode can also be used.
Selon certains modes de réalisation, le système comprend en outre un composant de contrôle configuré pour prévenir une surtension de chaque cellule de batterie.In some embodiments, the system further includes a control component configured to prevent overvoltage of each battery cell.
Grâce à ces caractéristiques il est possible d’éviter l’endommagement des cellules de batterie dû aux surtensions lors de la charge.Thanks to these characteristics it is possible to avoid damage to battery cells due to overvoltages during charging.
Selon certains modes de réalisation, le composant de contrôle est configuré pour couper la charge de l’ensemble des cellules de batterie lorsqu’au moins l’une d’entre elles atteint la tension d’utilisation maximale correspondante. According to certain embodiments, the control component is configured to cut off the charge of all the battery cells when at least one of them reaches the corresponding maximum operating voltage.
Selon certains modes de réalisation, la ou chaque diode de chaque composant d’équilibrage est formée par une diode électroluminescente. According to certain embodiments, the or each diode of each balancing component is formed by a light-emitting diode.
Selon certains modes de réalisation, chaque diode électroluminescente est adaptée pour indiquer un état d’équilibrage de la cellule de batterie correspondante. According to some embodiments, each light-emitting diode is adapted to indicate a balancing state of the corresponding battery cell.
Les diodes électroluminescentes ont un avantage particulier dans le cadre de la présente invention car leur zone de tensions passantes se trouve particulièrement adaptée aux tensions de fonctionnement des cellules électrochimiques. En outre, la capacité luminescente de celles-ci permet d’indiquer visuellement le mode actif d’équilibrage des cellules de batterie.Light-emitting diodes have a particular advantage in the context of the present invention because their on-voltage zone is particularly suited to the operating voltages of electrochemical cells. In addition, the luminescent capacity of these makes it possible to visually indicate the active mode of balancing the battery cells.
La présente invention concerne également une batterie comprenant une pluralité de cellules de batterie et un système de contrôle tel que défini précédemment.The present invention also relates to a battery comprising a plurality of battery cells and a control system as defined above.
Selon certains modes de réalisation, le système de contrôle définit un comportement non-linéaire dans une phase finale de charge d’au moins une cellule de batterie ;According to certain embodiments, the control system defines non-linear behavior in a final charging phase of at least one battery cell;
la phase finale de charge d’au moins une cellule de batterie étant mise en œuvre lors de la charge de cette cellule de batterie au-delà d’au moins moitié, avantageusement de 90% et plus avantageusement de 95%, de sa capacité maximale. the final phase of charging at least one battery cell being implemented when charging this battery cell beyond at least half, advantageously 90% and more advantageously 95%, of its maximum capacity .
Le comportement non-linéaire, voire exponentiel de tension, à la phase finale de charge de la cellule correspond au comportement non-linéaire, voire exponentiel, du composant d’équilibrage correspondant. Cela permet alors de mieux suivre les caractéristiques courant/tension de ce composant d’équilibrage.The non-linear, or even exponential, voltage behavior at the final charging phase of the cell corresponds to the non-linear, or even exponential, behavior of the corresponding balancing component. This then makes it possible to better monitor the current/voltage characteristics of this balancing component.
Selon certains modes de réalisation, chaque cellule de batterie est une cellule électrochimique à la base de lithium.According to certain embodiments, each battery cell is a lithium-based electrochemical cell.
Les cellules électrochimiques à la base de lithium assurent un comportement non-linéaire, voire exponentiel, en fin de leur charge. Cela implique alors les avantages d’utilisation de telles cellules indiqués précédemment.Lithium-based electrochemical cells ensure non-linear, even exponential, behavior at the end of their charge. This then implies the advantages of using such cells indicated previously.
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :The characteristics and advantages of the invention will appear on reading the description which follows, given solely by way of non-limiting example and made with reference to the appended drawings, in which:
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Dans le texte qui suit, par expression « sensiblement égal », on entend une relation d’équivalence avec au moins 10%, avantageusement 5%, de précision. Lorsque cette expression est utilisée en combinaison avec une relation d’ordre « supérieur » ou « inférieur », la précision de la relation d’équivalence est applicable tout en respectant la relation d’ordre correspondante. Par exemple, lorsque la valeur A est supérieure à la valeur B selon une condition et la valeur A est sensiblement égale à la valeur B selon une autre condition, la valeur A peut être comprise dans l’intervalle [B ; 1,1 B] ou dans l’intervalle [B ; 1,05 B].In the following text, the expression “substantially equal” means an equivalence relationship with at least 10%, advantageously 5%, of precision. When this expression is used in combination with a “higher” or “lower” order relationship, the precision of the equivalence relationship is applicable while respecting the corresponding order relationship. For example, when the value A is greater than the value B according to one condition and the value A is substantially equal to the value B according to another condition, the value A can be included in the interval [B; 1.1 B] or in the interval [B; 1.05 B].
La batterie 10 selon l’invention est illustrée schématiquement sur la
Ces cellules de batterie 14-1, ..., 14-N sont par exemple raccordées en série entre elles pour former un pack de batterie.These battery cells 14-1, ..., 14-N are for example connected in series with each other to form a battery pack.
Dans l’exemple de la
Dans un cas général le nombre de cellules de batterie peut varier en fonction de l’application donnée à la batterie 10.In a general case the number of battery cells may vary depending on the application given to the battery 10.
Les cellules de batterie 14-1, ..., 14-N sont par exemple toutes analogues entre elles. Ainsi, seule la cellule de batterie 14-1 sera décrite en détail par la suite.The battery cells 14-1, ..., 14-N are for example all similar to each other. Thus, only the battery cell 14-1 will be described in detail below.
En particulier, la cellule de batterie 14-1 est une cellule électrochimique, par exemple à la base de lithium.In particular, the battery cell 14-1 is an electrochemical cell, for example based on lithium.
Ainsi, de tels types de cellules électrochimiques sont connus sous les abréviations de LFP (de « Lithium-Fer-Phosphate ») ou NMC (de « Lithium nickel-manganèse-cobalt ») ou NCA (de Nickel Cobalt Aluminum ). Selon d’autres exemples de réalisation, la cellule de batterie 14-1 peut être à la base du plomb ou de nickel cadmium, ou de nickel-métal hybride.Thus, such types of electrochemical cells are known by the abbreviations of LFP (from “Lithium-Iron-Phosphate”) or NMC (from “Lithium nickel-manganese-cobalt”) or NCA (from Nickel Cobalt Aluminum). According to other exemplary embodiments, the battery cell 14-1 can be based on lead or nickel cadmium, or nickel-metal hybrid.
De manière générale, selon l’invention, la cellule de batterie 14-1 peut être à la base de tout élément ayant une évolution de tension non-linéaire, voire exponentielle, lors de la phase finale de sa charge et/ou alors la tension lors de la phase de relaxation relativement importante. Avantageusement, une telle cellule de batterie 14-1 accepte des surtensions de charge.In general, according to the invention, the battery cell 14-1 can be the basis of any element having a non-linear, or even exponential, voltage evolution during the final phase of its charge and/or the voltage during the relatively important relaxation phase. Advantageously, such a battery cell 14-1 accepts charging overvoltages.
L’évolution de tension au fur et à mesure de la charge de la cellule de batterie 14-1 est illustrée sur la
Ainsi, en référence à cette
Bien entendu, l’étendue d’un tel intervalle ainsi que ses valeurs au bord peuvent varier considérablement en fonction des éléments composant la cellule de batterie 14-1.Of course, the extent of such an interval as well as its edge values can vary considerably depending on the elements composing the battery cell 14-1.
Dans l’exemple de la
La phase de relaxation intervient généralement après la charge complète de la cellule de batterie 14-1 et dure jusqu’à ce que la tension de la cellule de batterie 14-1 établisse à un certain niveau, nommé tension d’équilibre Ue.The relaxation phase generally occurs after complete charging of the battery cell 14-1 and lasts until the voltage of the battery cell 14-1 establishes at a certain level, called equilibrium voltage U e .
La phase de charge peut être divisée en une phase initiale de charge s’étendant dans l’exemple de la
Comme cela est visible sur la
La phase finale de charge est par exemple mise en œuvre lorsque la cellule de batterie 14-1 est chargée à au moins 90%, avantageusement à au moins 95% de sa capacité totale.The final charging phase is for example implemented when the battery cell 14-1 is charged to at least 90%, advantageously to at least 95% of its total capacity.
En référence à la
Le composant de contrôle 16 permet de contrôler la tension aux bornes de connexion de chacune des cellules 14-1, ..., 14-N.The control component 16 makes it possible to control the voltage at the connection terminals of each of the cells 14-1, ..., 14-N.
En particulier, le composant de contrôle 16 permet d’éviter la surcharge de chacune des cellules batterie 14-1, ..., 14-N lorsque la tension d’au moins une d’entre elles atteint la tension de charge maximale Umax, en coupant l’alimentation de l’ensemble des cellules 14-1, ..., 14-N.In particular, the control component 16 makes it possible to avoid overcharging of each of the battery cells 14-1, ..., 14-N when the voltage of at least one of them reaches the maximum charging voltage U max , by cutting off the power supply to all of the cells 14-1, ..., 14-N.
Le composant de contrôle 16 permet en outre d’éviter la surdécharge de chacune des cellules 14-1, ..., 14-N lorsque la tension aux bornes de ces cellules atteint la tension d’utilisation minimale Uminen coupant la consommation de l’ensemble des cellules 14-1, ..., 14-N.The control component 16 also makes it possible to avoid the overdischarge of each of the cells 14-1, ..., 14-N when the voltage across these cells reaches the minimum operating voltage U min by cutting the consumption of all cells 14-1, ..., 14-N.
Le composant de contrôle 16 permet en outre d’éviter la surtension de chacun des composants d’équilibrage 18-1, ..., 18-N, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite.The control component 16 also makes it possible to avoid overvoltage of each of the balancing components 18-1, ..., 18-N, as will be explained in more detail later.
Selon différents modes de réalisation, le composant de contrôle 16 permet d’effectuer en outre d’autres fonctions de contrôle et de surveillance connues en soi, comme par exemple la surveillance de la température des différentes cellules 14-1, ..., 14-N.According to different embodiments, the control component 16 also makes it possible to perform other control and monitoring functions known per se, such as for example monitoring the temperature of the different cells 14-1, ..., 14 -NOT.
Selon un mode de réalisation, le composant de contrôle 16 se présente sous la forme d’un contrôleur.According to one embodiment, the control component 16 is in the form of a controller.
Selon un autre mode de réalisation, le composant de contrôle 16 se présente sous la forme d’un circuit électronique programmable.According to another embodiment, the control component 16 is in the form of a programmable electronic circuit.
De manière générale, les fonctions mises en œuvre par le composant de contrôle 16 sont analogues à celles mises en œuvre par un système de contrôle de batterie connu en soi sous l’acronyme de BMS (de l’anglais « Battery Management System »).Generally speaking, the functions implemented by the control component 16 are similar to those implemented by a battery control system known per se by the acronym BMS (from the English “Battery Management System”).
Le système d’équilibrage 13 comprend une pluralité de composants d’équilibrage 18-1, ..., 18-N. Avantageusement, le système d’équilibrage 13 est formé de cette pluralité de composants d’équilibrage 18-1, ..., 18-N.The balancing system 13 comprises a plurality of balancing components 18-1, ..., 18-N. Advantageously, the balancing system 13 is formed of this plurality of balancing components 18-1, ..., 18-N.
Les composants d’équilibrage 18-1, ..., 18-N sont au nombre des cellules de batterie 14-1, ..., 14-N. Ainsi, dans l’exemple de la
Par ailleurs, chaque composant d’équilibrage 18-1, 18-3 est raccordé en parallèle avec la cellule de batterie correspondante 14-1, ..., 14-N.Furthermore, each balancing component 18-1, 18-3 is connected in parallel with the corresponding battery cell 14-1, ..., 14-N.
En outre, chaque composant d’équilibrage 18-1, ..., 18-N est raccordé entre le composant de contrôle 16 et la cellule de batterie 14-1, ..., 14-N correspondante. Dans un mode de réalisation particulier, chaque composant d’équilibrage 18-1, ..., 18-N est intégré dans la cellule de batterie 14-1, ..., 14-N correspondante.Furthermore, each balancing component 18-1, ..., 18-N is connected between the control component 16 and the corresponding battery cell 14-1, ..., 14-N. In a particular embodiment, each balancing component 18-1, ..., 18-N is integrated into the corresponding battery cell 14-1, ..., 14-N.
Les composants d’équilibrage 18-1, ..., 18-N sont par exemple tous analogues entre eux. Ainsi, par la suite, seul le composant d’équilibrage 18-1 sera expliqué en détail.The balancing components 18-1, ..., 18-N are for example all similar to each other. So, subsequently, only balancing component 18-1 will be explained in detail.
Selon l’invention, le composant d’équilibrage 18-1 est formé d’une ou de plusieurs diodes raccordées en série et/ou en parallèle.According to the invention, the balancing component 18-1 is formed of one or more diodes connected in series and/or in parallel.
Par exemple, le composant d’équilibrage 18-1 est formé de deux diodes connectées en série. Alternativement, le composant d’équilibrage 18-1 est composé d’au moins deux diodes mises en parallèle.For example, balancing component 18-1 is made up of two diodes connected in series. Alternatively, the balancing component 18-1 is composed of at least two diodes placed in parallel.
De manière connue en soi, chaque diode formant le composant d’équilibrage 18-1 définit sa caractéristique courant/tension. Un exemple d’une telle caractéristique est illustré sur la
Ainsi, en référence à cette
Dans la zone de tensions bloquantes [V0, V1], la diode se trouve dans un état bloqué. Autrement dit, dans un tel état, la diode ne laisse passer de courant dans aucune des directions.In the blocking voltage zone [V0, V1], the diode is in a blocked state. In other words, in such a state, the diode does not allow current to flow in any direction.
Dans la zone de tensions passantes [V1, V2], la diode est en état passante et laisse passer dans une direction la quantité de courant qui est déterminée en fonction de sa caractéristique courant/tension.In the on-voltage zone [V1, V2], the diode is in the on state and lets pass in one direction the quantity of current which is determined according to its current/voltage characteristic.
En particulier, dans la zone de tensions passantes, le courant passé par la diode augmente au fur et à mesure de l’augmentation de la tension. Cette augmentation suit notamment une loi non-linéaire, par exemple une loi exponentielle.In particular, in the zone of passing voltages, the current passed through the diode increases as the voltage increases. This increase follows in particular a non-linear law, for example an exponential law.
La tension V2 permet à la diode de fonctionner normalement tout en assurant sa capacité maximale de passage de courant.Voltage V2 allows the diode to operate normally while ensuring its maximum current-passing capacity.
Au-delà de la tension V2, par exemple au-delà de la valeur 1,1xV2 ou de la valeur 1,15xV2 ou avantageusement au-delà de la valeur 1,2xV2, la diode est dans un état de surtension ce qui peut conduire à son claquage.Beyond the voltage V2, for example beyond the value 1.1xV2 or the value 1.15xV2 or advantageously beyond the value 1.2xV2, the diode is in an overvoltage state which can lead to his breakdown.
La tension V2 est donc la tension maximale autorisée de fonctionnement de la diode.The voltage V2 is therefore the maximum authorized operating voltage of the diode.
Dans l’exemple de la
Selon un mode particulier de l’invention, chaque diode du composant d’équilibrage 18-1 est une diode Zener.According to a particular embodiment of the invention, each diode of the balancing component 18-1 is a Zener diode.
Selon le mode de réalisation préférentiel de l’invention, chaque diode du composant d’équilibrage 18-1 est une diode électroluminescente, connue également sous le terme anglais de LED (de l’anglais « Light Emitting Diode »).According to the preferred embodiment of the invention, each diode of the balancing component 18-1 is a light-emitting diode, also known by the English term LED (from the English “Light Emitting Diode”).
En fonction du nombre de diodes ainsi que de leurs dispositions (en parallèle et/ou en série), le composant d’équilibrage 18-1 définit également sa caractéristique courant/tension similaire à celle illustrée sur la
Notamment, selon l’invention, cette caractéristique courant/tension du composant d’équilibrage 18-1 est choisie de sorte que la zone de tensions passantes de cette caractéristique corresponde au mieux à l’intervalle de tensions de fonctionnement de la cellule de batterie 14-1 correspondante.In particular, according to the invention, this current/voltage characteristic of the balancing component 18-1 is chosen so that the on-voltage zone of this characteristic corresponds as best as possible to the operating voltage range of the battery cell 14 -1 corresponding.
En particulier, il sera considéré par la suite que la zone de tensions passantes du composant d’équilibrage 18-1 s’étend entre une tension passante minimale V1 et une tension passante maximale V2. Comme dans le cas d’une diode isolée, à la tension passante maximale V2, le composant d’équilibrage 18-1 fonctionne normalement, tout en assurant sa capacité maximale de passage de courant.In particular, it will be considered subsequently that the on-voltage zone of the balancing component 18-1 extends between a minimum on-voltage V1 and a maximum on-voltage V2. As in the case of an isolated diode, at the maximum on-voltage V2, the balancing component 18-1 operates normally, while ensuring its maximum current passing capacity.
Selon l’invention, la zone de tensions passantes du composant d’équilibrage 18-1 est légèrement décalée par rapport à l’intervalle de tensions de fonctionnement de la cellule de batterie 18-1 correspondante, de sorte que :According to the invention, the on-voltage zone of the balancing component 18-1 is slightly offset relative to the operating voltage interval of the corresponding battery cell 18-1, so that:
+ la tension passante minimale V1 est strictement supérieure à la tension d’utilisation minimale Umin; et+ the minimum passing voltage V1 is strictly greater than the minimum operating voltage U min ; And
+ la tension passante maximale V2 est supérieure à la tension d’utilisation maximale Umax.+ the maximum passing voltage V2 is greater than the maximum operating voltage U max .
Avantageusement, la tension passante maximale V2 est sensiblement égale à la tension d’utilisation maximale Umax.Advantageously, the maximum pass voltage V2 is substantially equal to the maximum operating voltage U max .
Avantageusement, la tension passante minimale V1 est supérieure à la tension d’équilibre Uetout en restant inférieure à la tension d’utilisation maximale Umax. Par exemple, dans certains modes de réalisation, la tension passante minimale V1 est supérieure à la valeur 1,05xUe, avantageusement supérieure à la valeur 1,1xUe. Selon d’autres modes de réalisation, la tension passante minimale V1 est sensiblement égale à la tension d’équilibre Ue.Advantageously, the minimum passing voltage V1 is greater than the balance voltage U e while remaining lower than the maximum operating voltage U max . For example, in certain embodiments, the minimum pass voltage V1 is greater than the value 1.05xU e , advantageously greater than the value 1.1xU e . According to other embodiments, the minimum passing voltage V1 is substantially equal to the balance voltage U e .
Dans un mode de réalisation optimal, la zone de tensions passantes du composant d’équilibrage 18-1 correspond sensiblement à l’intervalle de tensions s’étendant entre Ueet Umax. Par exemple, dans un tel cas, la tension passante minimale V1 est sensiblement égale à la tension d’équilibre Ueet la tension passante maximale V2 est sensiblement égale à la tension d’utilisation maximale Umax.In an optimal embodiment, the on-voltage zone of the balancing component 18-1 corresponds substantially to the voltage interval extending between U e and U max . For example, in such a case, the minimum pass voltage V1 is substantially equal to the balance voltage U e and the maximum pass voltage V2 is substantially equal to the maximum operating voltage U max .
Cela est illustré plus en détail sur la
Le fonctionnement du système de contrôle 12 sera désormais expliqué.The operation of the control system 12 will now be explained.
Il est considéré initialement qu’au moins certaines des cellules 14-1, ..., 14-N sont déchargées et que donc le système de contrôle 12 est alimenté par une source extérieure afin de charger l’ensemble des cellules 14-1, ..., 14-N. Le chargement de chacune des cellules de batterie 14-1, ..., 14-N suit la courbe de tension telle qu’illustrée sur la
Lorsque par exemple une cellule de batterie donnée se trouve complètement déchargée, c’est-à-dire lorsque sa tension est sensiblement égale à Umin, le composant d’équilibrage correspondant se trouve alors dans l’état bloqué et tout le courant délivré par le composant de contrôle 16 est délivré dans cette cellule de batterie.When for example a given battery cell is completely discharged, that is to say when its voltage is substantially equal to U min , the corresponding balancing component is then in the blocked state and all the current delivered by the control component 16 is delivered into this battery cell.
La tension de cette cellule commence alors à augmenter conformément à la courbe de la
Dans un tel cas, le composant d’équilibrage devient passant et laisse passer le courant conformément à sa caractéristique courant/tension illustrée sur la partie droite de la
Au fur et à mesure de l’augmentation de tension de la cellule correspondante, le courant que le composant d’équilibrage correspondant laisse passer augmente également jusqu’à atteindre sa capacité de passage maximale. Avantageusement, selon l’invention cette tension V2 correspond à la tension de charge maximale Umaxde la cellule correspondante comme cela est illustré sur la
La charge poursuit son cours jusqu’à ce que l’une des cellules de batterie 14-1, ..., 14-N atteigne cet état qui est alors détecté par le composant de contrôle 16 qui coupe ensuite l’alimentation. Étant donné que la tension passante maximale V2 de chaque composant d’équilibrage est supérieure à la tension d’utilisation maximale Umaxde la cellule correspondante, le composant de contrôle 16 permet d’éviter la surcharge de ce composant d’équilibrage.Charging continues until one of the battery cells 14-1, ..., 14-N reaches this state which is then detected by the control component 16 which then cuts off the power supply. Since the maximum pass voltage V2 of each balancing component is greater than the maximum operating voltage U max of the corresponding cell, the control component 16 makes it possible to avoid overloading this balancing component.
Les cellules de batterie 14-1, ..., 14-N passent alors dans leur phase de relaxation dont la durée dépend de la nature de ces cellules. L’équilibrage des cellules continue lors de leur relaxation.The battery cells 14-1, ..., 14-N then enter their relaxation phase, the duration of which depends on the nature of these cells. Cell balancing continues as they relax.
À la fin de la phase de relaxation de chacune des cellules 14-1, ..., 14-N, les composants d’équilibrage correspondants passent alors dans leur état bloqué ce que permet d’éviter le déchargement de ces cellules dans les composants d’équilibrage 18-1, ..., 18-N.At the end of the relaxation phase of each of the cells 14-1, ..., 14-N, the corresponding balancing components then pass into their blocked state, which makes it possible to avoid the unloading of these cells in the components balancing 18-1, ..., 18-N.
Lorsque les composants d’équilibrage 18-1, ..., 18-N sont composés de diodes électroluminescente, celles-ci peuvent être utilisées pour observer l’état de l’équilibrage. Par exemple, lorsqu’au moins certaines diodes électroluminescentes sont éteintes, l’équilibrage de la cellule de batterie correspondante n’a pas encore commencé. Lorsque ces diodes émettent une lumière d’une intensité faible ou variable, l’équilibrage est en cours et lorsque cette lumière est d’une intensité maximale, le courant d’équilibrage est à son maximum. L’équilibrage va se poursuivre pendant la phase de relaxation jusqu’à ce que chaque cellule 14-1, …, 14-N est atteint la tension passante minimal V1 de son composant d’équilibrage.When the balancing components 18-1, ..., 18-N are composed of light-emitting diodes, these can be used to observe the state of the balancing. For example, when at least some light-emitting diodes are off, balancing of the corresponding battery cell has not yet started. When these diodes emit light of low or variable intensity, balancing is in progress and when this light is of maximum intensity, the balancing current is at its maximum. Balancing will continue during the relaxation phase until each cell 14-1, ..., 14-N reaches the minimum on-voltage V1 of its balancing component.
Claims (13)
le système de contrôle (12) comprenant une paire de bornes de connexion pour chaque cellule de batterie (14-1, …, 14-N) et un système d’équilibrage (13) de la charge des cellules de batterie (14-1, …, 14-N) ;
le système de contrôle (12) étant caractérisé en ce que le système d’équilibrage comprend pour chaque cellule de batterie (14-1, …, 14-N), un composant d’équilibrage (18-1, …, 18-N) connecté en parallèle avec les bornes de connexion de cette cellule de batterie (14-1, …, 14-N) et formé d’une ou de plusieurs diodes ;
chaque composant d’équilibrage (18-1, …, 18-N) étant configuré pour passer un courant électrique dans une direction selon une caractéristique courant/tension prédéterminée pour ce composant d’équilibrage (18-1, …, 18-N) et comprenant une zone de tensions passantes s’étendant entre une tension passante minimale (V1) et une tension passante maximale (V2) ;
la zone de tensions passantes de chaque composant d’équilibrage (18-1, …, 18-N) étant superposée avec l’intervalle de tensions de fonctionnement de la cellule de batterie (14-1, …, 14-N) correspondante de sorte que :
+ la tension passante minimale (V1) correspondante est strictement supérieure à la tension d’utilisation minimale (Umin) correspondante ; et
+ la tension passante maximale (V2) correspondante est supérieure à la tension d’utilisation maximale (Umax) correspondante.System for controlling (12) a plurality of battery cells (14-1, …, 14-N), each battery cell (14-1, …, 14-N) defining a range of operating voltages extending between a minimum operating voltage (U min ) and a maximum charging voltage (U max );
the control system (12) comprising a pair of connection terminals for each battery cell (14-1, …, 14-N) and a system (13) for balancing the charge of the battery cells (14-1 , …, 14-N);
the control system (12) being characterized in that the balancing system comprises for each battery cell (14-1, …, 14-N), a balancing component (18-1, …, 18-N ) connected in parallel with the connection terminals of this battery cell (14-1, …, 14-N) and formed of one or more diodes;
each balancing component (18-1, …, 18-N) being configured to pass an electric current in one direction according to a predetermined current/voltage characteristic for this balancing component (18-1, …, 18-N) and comprising a zone of on-voltage extending between a minimum on-voltage (V1) and a maximum on-voltage (V2);
the on-voltage zone of each balancing component (18-1, …, 18-N) being superimposed with the operating voltage range of the corresponding battery cell (14-1, …, 14-N) of so that:
+ the corresponding minimum passing voltage (V1) is strictly greater than the corresponding minimum operating voltage (U min ); And
+ the corresponding maximum pass voltage (V2) is greater than the corresponding maximum operating voltage (U max ).
- une pluralité de cellules de batterie (14-1, …, 14-N) ;
- un système de contrôle (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes.Battery (10) comprising:
- a plurality of battery cells (14-1, …, 14-N);
- a control system (12) according to any one of the preceding claims.
la phase finale de charge d’au moins une cellule de batterie (14-1, …, 14-N) étant mise en œuvre lors de la charge de cette cellule de batterie (14-1, …, 14-N) au-delà d’au moins moitié, avantageusement de 90% et plus avantageusement de 95%, de sa capacité maximale.Battery (10) according to claim 11, in which the control system (12) defines non-linear behavior in a final charging phase of at least one battery cell (14-1, …, 14-N);
the final phase of charging at least one battery cell (14-1, …, 14-N) being implemented during the charging of this battery cell (14-1, …, 14-N) at the beyond at least half, advantageously 90% and more advantageously 95%, of its maximum capacity.
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Citations (3)
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| CN107359658A (en) * | 2017-07-21 | 2017-11-17 | 顾利伟 | A kind of compound mu balanced circuit for ferric phosphate lithium cell group |
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