FR3166753A1 - Batterie d’accumulateurs intégrant un moyen de chauffage de ses cellules - Google Patents

Abstract

L’invention concerne une batterie d’accumulateurs (10) comportant un boîtier (20) qui loge des cellules électrochimiques et un système de gestion (42) des cellules électrochimiques. Selon l’invention, la batterie comporte dans le boîtier (20) : - au moins une couche chauffante (60) qui intègre une piste électrique adaptée à être alimentée en courant par les cellules électrochimiques de façon à chauffer lesdites cellules électrochimiques par effet Joule, et - un transistor (80) qui est piloté par le système de gestion, ce système de gestion étant programmé pour moduler la puissance électrique reçue par ladite au moins une couche chauffante en largeur d’impulsion Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Batterie d’accumulateurs intégrant un moyen de chauffage de ses cellules Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne de manière générale le stockage d’énergie électrique dans des batteries d’accumulateurs.

Elle concerne plus particulièrement une batterie d’accumulateurs comportant, d’une part, un boîtier qui loge des cellules électrochimiques, et, d’autre part, un système de gestion électrique des cellules électrochimiques.

Elle concerne également un procédé de pilotage d’un transistor d’une batterie d’accumulateurs telle que précité.

L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans les véhicules automobiles à propulsion électrique ou hybride.

Etat de la technique

Les véhicules automobiles électriques ou hybrides comportent en général un moteur électrique alimenté en courant par une batterie d’accumulateurs, communément appelée batterie de traction. Une telle batterie de traction comprend une pluralité de cellules électrochimiques, par exemple de type Lithium-ion, connectées ensemble pour délivrer une tension élevée.

Ces cellules électrochimiques chauffent lorsqu’elles délivrent ou reçoivent de l’énergie électrique. Pour éviter que leurs températures ne dépassent un seuil au-delà duquel elles pourraient se dégrader, la batterie de traction est généralement équipée d’un circuit de refroidissement au travers duquel circule un fluide.

On sait par ailleurs que la capacité d’une batterie de traction à délivrer ou à emmagasiner de l'énergie électrique dépend fortement de la température des cellules électrochimiques, et donc de la température ambiante. Cette capacité est en particulier dégradée à basse température, ce qui peut s’avérer particulièrement gênant pour les véhicules employés dans les zones géographiques les plus froides, où les températures peuvent atteindre -40°C.

En pratique, à faible température, la dynamique des réactions chimiques entre la cathode et l’anode de chaque cellule électrochimique est ralentie, ce qui impacte directement la capacité de la batterie à fournir ou à emmagasiner de l'énergie.

Lorsqu’il fait froid, il a donc été envisagé d’utiliser le circuit de refroidissement pour y faire circuler un liquide chaud afin d’augmenter la température des cellules électrochimiques. Pour cela, un thermoplongeur électrique a été installé dans la batterie de façon qu’il baigne dans le fluide de ce circuit de refroidissement.

Cependant, dans le cas où le fluide serait de type frigorigène, l'utilisation d'un thermoplongeur serait inadaptée car elle risquerait de provoquer un changement de l’état du fluide, depuis l’état liquide à l’état gazeux, ce qui provoquerait une défaillance du système et requerrait beaucoup d’énergie.

A contrario, dans le cas où le fluide serait de l’eau glycolée, le rendement s’avèrerait très faible et donc inadapté, dans la mesure où l’inertie thermique de l’eau glycolée est élevée est que le volume d’eau à réchauffer est de plusieurs litres.

Présentation de l'invention

Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose de chauffer autrement les cellules de la batterie de traction.

Plus particulièrement, on propose selon l’invention une batterie de traction telle que définie dans l’introduction, qui comporte dans son boîtier :
- au moins une couche chauffante qui comprend au moins une piste électrique adaptée à être alimentée en courant par les cellules électrochimiques de façon à chauffer lesdites cellules électrochimiques par effet Joule, et
- un transistor, le système de gestion de la batterie étant programmé pour piloter ce transistor de manière à moduler la puissance électrique reçue par ladite au moins une piste électrique en largeur d’impulsion.

Une telle piste électrique présente une inertie thermique très faible, qui permet de réchauffer très rapidement les cellules de batterie.

Ce réchauffage se fait en utilisant l’énergie électrique stockée dans les cellules électrochimiques de la batterie, si bien qu’il n’est pas dépendant du fait que la batterie soit en charge ou non.

L’utilisation d’un transistor, plutôt que d’un interrupteur commandé de type relais, permet d’alimenter la piste électrique non pas en tout ou rien (ON/OFF), mais en faisant varier la puissance électrique reçue par la piste.

Il s’avère en effet très avantageux de piloter précisément cette puissance électrique reçue de façon à ce que la piste électrique puisse chauffer à la puissance requise, en dépit notamment des dispersions de fabrication des couches chauffantes (on constate en effet que d’une batterie à l’autre, les formes et résistances électriques des pistes peuvent varier de l’ordre de plus ou moins 10%).

Comme cela sera bien détaillé dans la suite, ce pilotage est également avantageux lorsqu’il s’agit d’éviter que la température ou le gradient de température au sein des cellules ne soit trop important.

Préférentiellement, ladite au moins une piste électrique est réalisée, au moins en partie, en aluminium.

Avantageusement, le boîtier loge un circuit de refroidissement des cellules électrochimiques, et dans lequel ladite au moins une couche chauffante est située entre ledit circuit de refroidissement et lesdites cellules électrochimiques.

L’invention concerne aussi un procédé de pilotage d’un transistor d’une batterie d’accumulateurs telle que précité, selon lequel le transistor est piloté de façon à ce que le courant électrique délivré par les cellules électrochimiques à ladite au moins une piste électrique varie par modulation de largeur d’impulsion.

D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- il est prévu de mesurer au moins une température relative à la température des cellules électrochimiques, et le transistor est piloté en fonction de la température mesurée ;
- il est prévu de déterminer un état de charge de la batterie d’accumulateurs puis de calculer une puissance de chauffe cible en fonction de l’état de charge et de la température mesurée, et le transistor est piloté de façon à ce que la puissance électrique reçue par ladite au moins une couche chauffante soit égale à la puissance de chauffe cible ;
- chaque cellule électrochimique présente une première face située du côté de ladite au moins une couche chauffante et une seconde face opposée ;
- il est prévu d’acquérir une valeur représentative de la température de la première face de l’une au moins des cellules électrochimiques, et le transistor est piloté de façon que la valeur acquise reste inférieure ou égale à un seuil maximum ;
- il est prévu d’acquérir une première valeur représentative de la température de la première face de l’une au moins des cellules électrochimiques et une seconde valeur représentative de la température de la seconde face de l’une au moins des cellules électrochimiques, et le transistor est piloté de façon que l’écart entre les première et seconde valeurs reste inférieur ou égal à un seuil ;
- il est prévu d’acquérir deux valeurs représentatives de la température de la seconde face de deux des cellules électrochimiques, et le transistor est piloté de façon que la différence entre les deux valeurs reste inférieure ou égale à un seuil ;
- lorsque la batterie d’accumulateurs est connectée à un chargeur externe et est en charge, il est prévu de déterminer la puissance électrique maximum que le chargeur peut débiter, et le transistor est piloté de façon à ce que la puissance électrique reçue par ladite au moins une couche chauffante reste inférieure à ladite puissance électrique maximum ;
- le transistor est piloté de façon à ce que la puissance électrique reçue par ladite au moins une couche chauffante soit égale à une puissance de chauffe cible.

Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Description détaillée de l'invention

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.

Sur les dessins annexés :

FIG. 1est une vue schématique en perspective éclatée d’une batterie d’accumulateurs conforme à l’invention ;

FIG. 2est un schéma électrique de différents composants électriques de la batterie d’accumulateurs de laFIG. 1;

FIG. 3est une vue de détail de la zone III de laFIG. 2;

FIG. 4est un diagramme illustrant un procédé de pilotage selon l’invention d’un moyen de chauffage équipant la batterie d’accumulateurs de laFIG. 1.

Sur laFIG. 1, on a représenté une vue éclaté d’une batterie d’accumulateurs, ci-après appelée batterie de traction 10.

Ici, et de façon préférentielle, cette batterie de traction 10 est prévue pour être utilisée au sein d’un véhicule automobile.

Ce véhicule automobile pourrait être de tout type (camion, bus, avion, bateau). Il s’agira de préférence d’une voiture qui comprend classiquement un châssis, des roues dont deux au moins sont motrices, et un groupe motopropulseur adapté à faire tourner les roues motrices.

Le groupe motopropulseur est de préférence purement électrique, mais il pourrait en variante être hybride. Il comporte dans tous les cas au moins une machine électrique (ci-après appelée moteur électrique) alimentée en courant par la batterie de traction 10. On considérera dans la suite qu’il comporte deux moteurs électriques distincts.

Comme le montre laFIG. 1, la batterie de traction 10 comporte un boîtier 20 qui loge l’ensemble des autres composants référencés sur cette figure.

Ce boîtier 20 est ici formé en plusieurs parties. Il comporte dans l’exemple illustré une plaque de base 21, un cadre 22 et un couvercle 23, fixés les uns aux autres.

Le cadre 22 comporte quatre parois latérales sensiblement planes. Il présente deux tranches adaptées à venir s’appliquer respectivement contre la plaque de base 21 et le couvercle 23, de sorte que le boîtier 20 présente globalement une forme parallélépipédique.

Ce boîtier 20 est conçu pour être fermé de façon hermétique.

Dans la suite de la description, le terme « inférieur » sera utilisé pour désigner un côté ou un objet tourné du côté de la plaque de base 21, tandis que le terme « supérieur » sera utilisé pour désigner un côté ou un objet tourné du côté du couvercle 23.

La batterie de traction 10 comporte par ailleurs une pluralité de cellules électrochimiques.

Il pourrait typiquement s’agir de cellules de type lithium-ion, mais d’autres variantes seraient envisageables.

Chaque cellule électrochimique présente ici une tension à ses bornes de l’ordre de 3 à 5 V. Ces cellules sont alors connectées en série pour atteindre le niveau de tension requis par l’application.

Ici, ces cellules sont au nombre d’une centaine, pour que chaque moteur électrique puisse développer un couple et une puissance suffisants pour propulser le véhicule pendant une durée souhaitée. Ainsi, la tension aux bornes extérieures de la batterie de traction 10 est d’environ 400V. En pratique, il est ici prévu 96 cellules. Bien entendu, le nombre de cellules pourraient être plus grand (environ 200 par exemple) ou plus faible.

Sur laFIG. 1, ces cellules électrochimiques ne sont pas visibles. On observe en revanche qu’elles sont réparties en plusieurs ensembles de cellules appelés « modules 31 ». Il est ici prévu huit modules 31 de douze cellules électrochimiques, qui sont connectés électriquement les uns aux autres, en série, de façon à former un pack 30 de modules 31. Chaque module 31 comporte un encadrement qui permet de maintenir les cellules les unes contre les autres. Cet encadrement est ici ouvert en face inférieure.

Les modules 31 sont ici répartis côte-à-côte, sur deux lignes distinctes.

La batterie de traction 10 comporte un circuit électrique 40, dont une partie est portée par une platine 41 qui est ici fixée sous le couvercle 23, au-dessus des modules 31 de cellules électrochimiques.

Ce circuit électrique 40 est en partie représenté sur laFIG. 2.

Il comprend notamment un système de gestion 42 de batterie, plus connu sous l’acronyme BMS (de l’anglais « battery managment system »).

Ce système de gestion 42 comporte un processeur (CPU), une mémoire et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à sa mémoire, il mémorise des données utilisées dans le cadre du procédé décrit ci-dessous. Il mémorise notamment une application informatique, constituée de programmes d’ordinateur comprenant des instructions dont l’exécution par le processeur permet la mise en œuvre du procédé décrit ci-après.

Le système de gestion 42 remplit classiquement plusieurs fonctions, dont celles consistant à :
- surveiller en continu les tensions individuelles de chaque cellule électrochimique et les courants de charge et de décharge, afin de s'assurer que tous ces paramètres restent dans des plages de fonctionnement sûres, et
- équilibrer les tensions entre les cellules électrochimiques.

Ici, comme cela sera décrit ci-après, il assure en outre la gestion thermique des cellules électrochimiques, pour éviter qu’elles ne chauffent trop ou pour leur permettre de monter rapidement en température lorsqu’elles sont initialement froides.

La batterie d’accumulateurs 20 comporte à cet effet des capteurs de température permettant de déterminer des valeurs de température dans différentes zones du boîtier 20.

Il pourrait s’agir de capteurs physiques, c’est-à-dire de capteurs positionnés dans des zones précises du boîtier 20 pour mesurer les valeurs de température souhaitées.

En variante, il pourrait s’agit de capteurs logiciels, c’est-à-dire d’algorithmes programmés ou entraînés pour calculer des valeurs de température dans des zones précises du boîtier 20, sur la base d’autres paramètres (typiquement en fonction de températures mesurées ailleurs dans le boîtier ou à l’extérieur, de la tension des cellules électrochimiques, de l’intensité que ces cellules délivrent…).

En pratique, ici, il sera prévu un unique capteur de température dans chaque module 31, placé au-dessus de l’une des cellules électrochimiques, et le système de gestion 42 sera programmé pour calculer plusieurs valeurs de température dans chaque module 31.

On considérera donc que la batterie de traction 10 comporte plusieurs capteurs de température, certains physiques et d’autres logiciel.

Dans la suite, on considérera alors qu’il est prévu dans chaque module 31 au moins un premier capteur de température situé sous l’une des cellules électrochimiques de façon à ce qu’il puisse mesurer la valeur de la température de la face inférieure de cette cellule.

De préférence, il sera en outre prévu dans chaque module 31 au moins un second capteur de température situé au-dessus de cette cellule électrochimique de façon à ce qu’il puisse mesurer la valeur de la température de la face supérieure de cette cellule.

Il sera de préférence prévu plusieurs seconds capteurs de température respectivement situés au-dessus de différentes cellules électrochimiques de chaque module 31.

De manière plus générale, on considérera qu’il sera ainsi possible de déterminer les valeurs suivantes :
- la température la plus grande parmi les températures des faces inférieures de cellules électrochimiques du pack 30,
- la température la plus grande parmi les températures des faces supérieures de cellules électrochimiques du pack 30,
- la température la plus petite parmi les températures des faces supérieures de cellules électrochimiques du pack 30, et
- le gradient de température le plus grand entre les faces supérieure et inférieure des cellules électrochimiques du pack 30.

Grâce à son interface, le système de gestion 42 peut recevoir d’un calculateur 99 externe au boîtier 20 des instructions permettant la mise en œuvre du procédé décrit ci-après.

Ce système de gestion 42 et ce calculateur 99 sont ainsi programmés pour fonctionner de façon conjointe. Ci-après, le terme « unité de calcul 98 » sera alors utilisé pour désigner l’un et/ou l’autre de ces deux composants.

Lorsqu’elles délivrent ou reçoivent du courant, les cellules électrochimiques s’échauffent. Pour éviter que leurs températures dépassent un seuil au-delà duquel elles risqueraient de se dégrader rapidement, il est prévu un circuit de refroidissement 50. Ce circuit de refroidissement 50 comporte ici une plaque épaisse à l’intérieur de laquelle serpente un conduit de circulation d’un liquide de refroidissement.

Ce circuit de refroidissement 50 a donc une fonction d’échangeur de chaleur.

Il est ici situé du côté inférieur des modules 31, contre la plaque de base 21 du boîtier 20.

Le conduit du circuit de refroidissement 50 présente à ses extrémités des embouts qui débouchent hors du boîtier 20, par lesquels il est adapté à être connecté à des durites d’entrée et de sortie de liquide de refroidissement. Une pompe extérieure au boîtier 20 est alors prévue pour forcer la circulation du liquide de refroidissement dans le circuit.

Dans le cadre de l’invention, la batterie de traction 10 comporte au moins une couche chauffante 60.

La ou les couches chauffante(s) 60 s’interposent ici entre le circuit de refroidissement 50 et les modules 31.

Chaque couche chauffante 60 est de préférence située au plus près des modules 31. Seule une interface thermique facilitant les échanges de chaleur est prévue entre les cellules électrochimiques et chaque couche chauffante. Ici, cette interface thermique se présente sous la forme d’une pâte thermique.

Chaque couche chauffante 60 se présente sous la forme d’une nappe, et comporte un support et une piste électrique portée par le support.

Le support est de préférence souple. Il est par exemple formé de deux films en matière plastique (typiquement en polyéthylène téréphtalate) superposés, qui prennent la piste électrique en sandwich. Ces deux films présentent des épaisseurs très faibles, ici de l’ordre du quart de millimètre.

Chaque piste électrique serpente entre ces deux films de façon à couvrir au moins 50% de la surface du support. Elle présente deux extrémités auxquelles il est possible d’appliquer une tension électrique de façon à ce que la piste électrique s’échauffe par effet Joule.

Chaque piste électrique est de préférence réalisée en aluminium.

Ici, les modules 31 étant répartis en deux ensembles situés à distance l’un de l’autre, il est prévu deux couches chauffantes 60 distinctes, qui sont connectées ensemble (de préférence en série). En variante, on pourrait prévoir une couche chauffante indépendante sous chaque module.

On pourra prévoir que chaque couche chauffante 60 ne comporte qu’une seule et unique piste électrique qui serpente sous plusieurs modules, typiquement sous les quatre modules de l’ensemble correspondant.

En variante, on pourra prévoir que chaque couche chauffante 60 comporte plusieurs pistes électriques distinctes connectées les unes aux autres (de préférence en série).

Quoi qu’il en soit, la ou les pistes électriques sont réparties de façon à pouvoir réchauffer de façon homogène les différentes cellules électrochimiques des modules.

Dans la suite de la description, on considérera pour la clarté de l’exposé qu’il est prévu une unique piste électrique sur une unique couche chauffante.

Cette piste électrique est prévue pour être alimentée en courant électrique par les cellules électrochimiques elles-mêmes, sous la commande de l’unité de calcul 98.

Selon l’invention, cette commande est réalisée à l’aide d’un transistor 80, en modulation de largeur d’impulsion.

La modulation par largeur d'impulsion (MLI), aussi connue sous le nom de PWM (de l’anglais « Pulse Width Modulation »), est une technique de modulation utilisée pour faire varier une puissance électrique sans perte par effet Joule. Elle est généralement réalisée à une fréquence constante, ici de l’ordre d’un Hertz.

Le signal généré par le transistor 80 et transmis à la piste électrique 62 est alors caractérisé par une série d'impulsions à fréquence constante. La largeur de chaque impulsion varie en fonction de la puissance électrique que l’on souhaite transmettre à la piste électrique.

Le rapport cyclique (en anglais « duty cycle ») est la proportion du temps pendant lequel l'impulsion est active (à l'état haut) par rapport à la période totale du signal.

Le transistor 80 utilisé est de type MOSFET. On rappellera ici que les transistors sont des dispositifs semi-conducteurs qui utilisent des matériaux comme le silicium pour contrôler le flux de courant. Dépourvus de pièces mobiles, ils ont une durée de vie très supérieure à celle d’un relais et un temps de réponse beaucoup plus faible. C’est la raison pour laquelle seul un transistor pourrait être utilisé dans le cadre de l’invention.

Sur laFIG. 2, on a représenté de façon schématique le circuit électrique 40 permettant de connecter les cellules électrochimiques du pack 30 de modules 31 à différentes bornes.

Parmi ces bornes, il est prévu au moins une paire de bornes extérieures qui émergent du boîtier 20. Il est ici prévu deux paires de bornes extérieures 71, 72 auxquelles les deux moteurs électriques peuvent être connectés.

Chaque paire de borne extérieure présente, comme le pack 30, une borne positive et une borne négative.

La borne positive de chaque paire de bornes extérieures 71, 72 est connectée à la borne positive du pack 30 via un interrupteur commandé 43 (ou « relais ») et via un fusible de protection 44, 45 adapté à ouvrir le circuit dès que l’intensité du courant dépasse un seuil de sécurité. Ici, il est prévu un unique interrupteur commandé 43 connecté entre la borne positive du pack 30 et les deux bornes positives, et un fusible de protection 44, 45 spécifique à chacune de ces bornes positives.

La borne négative de chaque paire de bornes extérieures 71, 72 est connectée à la borne négative du pack 30 via un interrupteur commandé 46 (ici un unique relais) et via un capteur de courant 47.

Le circuit électrique 40 comporte également d’autres sous-circuits, illustrés en détail sur laFIG. 3.

Il comporte ainsi un sous-circuit 81 qui est branché aux bornes de l’interrupteur commandé 43 et qui comporte un relais 82 et une résistance 83 connectés en série. Ce sous-circuit 81 permet de réduire le pic d’intensité qu’on observe lors du réveil du véhicule. En effet, si on fermait simultanément les deux interrupteurs commandés 43, 46, l’intensité du courant demandé pour charger tous les condensateurs du véhicule serait très élevée et potentiellement destructrice. Ce sous-circuit 81, grâce à sa résistance 83, permet de lisser le pic de courant demandé avant de refermer l’interrupteur commandé 43.

Le circuit électrique 40 comporte également un sous-circuit 84 qui est branché à la sortie de l’interrupteur commandé 46 (c’est-à-dire à l’opposé du pack 30 par rapport à cet interrupteur) et qui comporte un fusible 85 et une borne 74 par laquelle il est adapté à être connecté à un régulateur de tension DC-DC. Typiquement, ce régulateur peut être utilisé pour alimenter le réseau de bord du véhicule grâce au pack 30.

Le circuit électrique 40 comporte aussi un sous-circuit 86 qui est branché à la sortie de l’interrupteur commandé 43 et qui comporte un fusible 87 et une borne 75 par laquelle il est adapté à être connecté à un chargeur de courant tel qu’une station de charge extérieure au véhicule.

Dans le cadre de l’invention, le circuit électrique 40 comporte un sous-circuit 90 spécialement conçu pour permettre aux cellules électrochimiques du pack 30 d’alimenter la piste électrique de la couche chauffante 60 en courant électrique.

Ce sous-circuit 90 comporte une paire de bornes 73 connectées respectivement aux extrémités de la piste électrique.

L’une de ces bornes est connectée à la sortie de l’interrupteur commandé 43, via un fusible 91, un interrupteur commandé 93 de type relais, et un capteur de courant.

L’autre est connectée à la sortie de l’interrupteur commandé 46, via un fusible 85 (ici celui du sous-circuit 84), un capteur de courant 94 et le transistor 80.

On pourrait prévoir que ce sous-circuit 90 ne comporte qu’un capteur de courant, mais on préférera en utiliser deux distincts par soucis de sécurité en cas de défaillance de l’une d’entre eux.

On pourrait également se passer de l’interrupteur commandé 93, mais on préfèrera toutefois en utiliser un en cas de défaillance du transistor 80.

On peut maintenant décrire comment l’unité de calcul 98 est programmée pour piloter ce sous-circuit 90.

L’interrupteur commandé 93 est toujours piloté à l’état fermé, excepté en cas de défaillance, ce qui ne fera pas ici l’objet du présent exposé.

Le transistor 80 est piloté entre en état bloqué (qui ouvre le sous-circuit 90) et un état passant (qui ferme le sous-circuit 90), de façon qu’il délivre une tension en créneau, c’est-à-dire un signal carré dont la valeur est soit égale à 0 V, soit égale au potentiel à la borne négative du pack 30.

En pratique, l’unité de calcul 98 met en œuvre le procédé illustré sur laFIG. 4pour piloter ce transistor 80.

Ce procédé est prévu pour être mis en œuvre en boucles, à intervalle de temps régulier, dès le réveil du véhicule (c’est-à-dire dès que les deux interrupteurs commandées 43, 46 sont fermés). Dans la suite, chaque boucle sera identifiée par un indice i, avec i égal à 1 pour la première boucle qui suit le réveil du véhicule.

La première étape S0 consiste pour l’unité de calcul 98 à acquérir (par calcul ou par mesure) les valeurs de température issues des capteurs, ainsi que le niveau de charge SOC de la batterie de traction 10 (exprimé en pourcentage).

Il peut alors en déduire, par une lecture sur une cartographie enregistrée dans sa mémoire, la puissance électrique que la batterie de traction 10 peut délivrer et celle qu’elle peut recevoir (en charge).

L’objectif est que ces puissances électriques soient les plus élevées possibles.

Or, lorsque la température des cellules électrochimiques est faible, ces puissances électriques sont réduites.

Ainsi, si l’une ou l’autre de ces puissances électriques est supérieure à un seuil (ce qui revient à : si la température moyenne des cellules électrochimiques est supérieure à un seuil, par exemple compris entre 0 et 10°C), on considère qu’aucun chauffage des cellules n’est nécessaire, et le procédé s’interrompt jusqu’au prochain réveil du véhicule.

Dans le cas contraire, on peut envisager deux cas.

Soit le procédé a déjà été mis en œuvre (i >1) et il a déjà été calculé une puissance de chauffe cible P_cib, auquel cas sa valeur est conservée. Soit le procédé est mis en boucle pour la première fois depuis le réveil du véhicule (i=1), auquel cas l’unité de calcul détermine alors une puissance de chauffe cible P_cib.

Cette puissance de chauffe cible P_cibpeut être définie comme étant la puissance électrique à fournir à la piste électrique pour réchauffer le plus rapidement possible les cellules électrochimiques du pack 30, exprimée en Watts.

Lors de la première boucle (i=1), cette puissance de chauffe cible P_cibest définie à la valeur maximale possible, de l’ordre de plusieurs kW.

L’objectif est alors que la piste électrique de la couche chauffante 60 reçoive une puissance électrique égale à puissance de chauffe cible P_cib.

La piste électrique pourrait alors être conformée pour que, lorsque la batterie est chargée, un rapport cyclique de 100% permette de transmettre une telle puissance électrique à la couche chauffante. Toutefois, on observe des disparités entre les couches chauffantes 60 de différentes batteries pourtant fabriquées selon le même processus, de sorte que les résistances électriques des pistes électriques peuvent varier de plus ou moins 10% par rapport à la résistance électrique souhaitée.

En outre, la tension aux bornes du pack 30 peut varier très rapidement, par exemple lors d’une forte accélération du véhicule. Elle varie en outre en fonction du niveau de charge SOC de la batterie. Typiquement, la plage de tension entre les bornes de chaque paire bornes extérieures 71, 72 peut varier d’environ 240V à 400V.

Ce sont les raisons pour lesquelles le rapport cyclique utilisé pour piloter le transistor 80 devra être constamment ajusté pour que la piste électrique reçoive une puissance électrique égale à la puissance de chauffe cible P_cib.

Ce rapport cyclique sera en pratique calculé de la façon suivante en fonction de la puissance de chauffe cible P_cib.

Il sera considéré égal au rapport entre l’intensité i_cibdu courant nécessaire pour atteindre la puissance de chauffe cible P_cib, et l’intensité i_maxmaximum que la piste électrique peut recevoir.

L’intensité i_cibest ici calculée en divisant la puissance de chauffe cible P_cibpar la tension aux bornes du pack 30.

L’intensité i_maxest quant à elle calculée en divisant la tension aux bornes du pack 30 par la résistance réelle de la piste électrique.

Une fois ce rapport cyclique calculé, l’unité de calcul 98 pilote le transistor 80 selon ce rapport cyclique, si bien que la chauffe débute.

On pourrait prévoir que le transistor 80 reste piloté de cette façon jusqu’à ce que la température des cellules électrochimiques soit suffisante. Dans ce cas, le rapport cyclique devrait être ajusté en boucle, afin de tenir compte des variations de tension aux bornes du pack 30.

Mais ici et de façon préférentielle, il est prévu des étapes d’ajustement de ce rapport cyclique permettant d’éviter toute surchauffe des cellules électrochimiques.

Ainsi, au cours d’une étape S2, l’unité de calcul 98 compare la température de l’une au moins des faces inférieures des cellules électrochimiques avec un seuil S₀.

En pratique, il détermine la température la plus élevée parmi les températures des faces inférieures des cellules électrochimiques, et il la compare avec le seuil S₀.

Ce seuil S₀est de l’ordre de 50 à 70°C.

L’objectif est de s’assurer que la température des extrémités des cellules électrochimiques au contact des couches chauffantes 60 ne soit jamais trop grande.

Si la température ne dépasse pas ce seuil S₀, le procédé se poursuit en une étape S4.

Sinon, si la température dépasse ce seuil S₀, le rapport cyclique est réduit.

Pour cela, au cours d’une étape S3, il est prévu de définir une nouvelle puissance de chauffe cible P_cib, à l’aide d’une table prédéterminée. Le nouveau rapport cyclique est alors calculé de la même façon que précité, en fonction de cette nouvelle puissance de chauffe cible P_cib. Une fois ce nouveau rapport cyclique calculé et appliqué au transistor 80, l’étape S2 est répétée.

Au cours de l’étape S4, l’unité de calcul 98 détermine un écart de températures entre les faces inférieure et supérieure de l’une au moins des cellules électrochimiques.

En effet, la piste électrique étant en contact avec uniquement la face inférieure des cellules électrochimiques, le chauffage va générer un gradient de température potentiellement important au sein des cellules, et donc un écart de températures entre la face inférieure et la face opposée des cellules. Cet écart de température peut endommager les cellules électrochimiques. C’est la raison pour laquelle il est contrôlé.

En pratique, l’unité de calcul 98 détermine les écarts de température entre les surfaces inférieure et supérieure de chacune des cellules, puis il compare l’écart le plus grand avec un seuil S₁.

Ce seuil S₁est de l’ordre de 20 à 40°C.

Si cet écart ne dépasse pas ce seuil S₁, le procédé se poursuit en une étape S6.

Sinon, le rapport cyclique est réduit.

Pour cela, au cours d’une étape S5, il est prévu de définir une nouvelle puissance de chauffe cible P_cib, à l’aide d’une table prédéterminée. Le nouveau rapport cyclique est alors calculé de la même façon que précité, en fonction de cette nouvelle puissance de chauffe cible P_cib. Une fois ce nouveau rapport cyclique calculé et appliqué au transistor 80, l’étape S4 est répétée.

Au cours d’une étape S6, l’unité de calcul 98 détermine un écart de températures entre les faces supérieures de deux au moins des cellules électrochimiques.

En effet, lors du chauffage des cellules électrochimiques, on constate que la température n’est pas parfaitement homogène entre toutes les cellules, notamment parce que celles situées au milieu de chaque module 31 perdent moins de chaleur que celles situées aux extrémités des cellules.

En pratique, l’unité de calcul 98 détermine les différences de température entre les surfaces supérieures des cellules, puis il compare la différence la plus grande avec un seuil S₂.

Ce seuil S₂est de l’ordre de 5 à 15°C.

Si cette différence ne dépasse pas ce seuil S₂, le procédé se poursuit en une étape S8. Sinon, le rapport cyclique est réduit.

Pour cela, au cours d’une étape S7, il est prévu de définir une nouvelle puissance de chauffe cible P_cib, à l’aide d’une table prédéterminée. Le nouveau rapport cyclique est alors calculé de la même façon que précité, en fonction de cette nouvelle puissance de chauffe cible P_cib. Une fois ce nouveau rapport cyclique calculé et appliqué au transistor 80, l’étape S6 est répétée.

L’étape S8 correspond à la fin des étapes du procédé. Autrement dit, lorsque l’étape S8 est atteinte, le procédé peut se répéter à partir de l’étape S0.

La présente invention n’est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.

Typiquement, en cas de charge des cellules électrochimiques sur une station de charge, il peut arriver que la température du pack 30 soit faible.

Dans cette éventualité, la piste électrique peut être alimentée pour chauffer les cellules électrochimiques. Toutefois, la puissance électrique consommée pour la chauffe des cellules électrochimiques ne doit jamais dépasser la puissance électrique que la station de charge peut délivrer. En effet, l’usager verrait sinon sa batterie se décharger alors qu’elle est sensée se charger. Pour éviter cela, le rapport cyclique pourra être calculé de la même façon que précitée, avec une puissance de chauffe cible qui sera toutefois toujours définie pour rester inférieure ou égale à la puissance électrique que la station de charge peut délivrer.

Selon une variante de l’invention, le système de gestion pourrait être localisé hors du boîtier.

Encore en variante, la piste électrique pourrait être réalisée dans tout matériau conducteur électrique, typiquement en cuivre.

Claims (10)

1. Batterie d’accumulateurs (10) comportant un boîtier (20) qui loge des cellules électrochimiques et un système de gestion (42) des cellules électrochimiques, caractérisée en ce qu’elle comporte dans le boîtier (20) :
   - au moins une couche chauffante (60) qui comprend au moins une piste électrique adaptée à être alimentée en courant par les cellules électrochimiques de façon à chauffer lesdites cellules électrochimiques par effet Joule, et
   - un transistor (80),
   le système de gestion (42) étant programmé pour piloter le transistor (80) de manière à moduler la puissance électrique reçue par ladite au moins une piste électrique en largeur d’impulsion.
2. Batterie d’accumulateurs (10) selon la revendication 1, dans laquelle ladite au moins une piste électrique est réalisée, au moins en partie, en aluminium.
3. Batterie d’accumulateurs (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le boîtier (20) loge un circuit de refroidissement (50) des cellules électrochimiques, et dans lequel ladite au moins une couche chauffante (60) est située entre ledit circuit de refroidissement (50) et lesdites cellules électrochimiques.
4. Procédé de pilotage d’un transistor d’une batterie d’accumulateurs (10) conforme à l’une des revendications 1 à 3, selon lequel le transistor (80) est piloté de façon à ce que le courant électrique délivré par les cellules électrochimiques à ladite au moins une piste électrique varie par modulation de largeur d’impulsion.
5. Procédé de pilotage selon la revendication 4, dans lequel il est prévu de mesurer au moins une température relative à la température des cellules électrochimiques, et dans lequel le transistor (80) est piloté en fonction de la température mesurée.
6. Procédé de pilotage selon la revendication 5, dans lequel il est prévu de déterminer un état de charge (SOC) de la batterie d’accumulateurs (10) puis de calculer une puissance de chauffe cible (P_cib) en fonction au moins de l’état de charge (SOC) et de la température mesurée, et dans lequel le transistor (80) est piloté de façon à ce que la puissance électrique reçue par ladite au moins une couche chauffante (60) soit égale à la puissance de chauffe cible (P_cib).
7. Procédé de pilotage selon la revendication 5 ou 6, dans lequel, chaque cellule électrochimique présentant une première face située du côté de ladite au moins une couche chauffante (60), il est prévu d’acquérir une valeur représentative de la température de la première face de l’une au moins des cellules électrochimiques, et dans lequel le transistor (80) est piloté de façon que la valeur acquise reste inférieure ou égale à un seuil maximum.
8. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 5 à 7, dans lequel, chaque cellule électrochimique présentant une première face située du côté de ladite au moins une couche chauffante (60) et une seconde face opposée, il est prévu d’acquérir une première valeur représentative de la température de la première face de l’une au moins des cellules électrochimiques et une seconde valeur représentative de la température de la seconde face de l’une au moins des cellules électrochimiques, et dans lequel le transistor (80) est piloté de façon que l’écart entre les première et seconde valeurs reste inférieur ou égal à un seuil.
9. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 5 à 8, dans lequel, chaque cellule électrochimique présentant une première face située du côté de ladite au moins une couche chauffante (60) et une seconde face opposée, il est prévu d’acquérir deux valeurs représentatives de la température de la seconde face de deux des cellules électrochimiques, et dans lequel le transistor (80) est piloté de façon que la différence entre les deux valeurs reste inférieure ou égale à un seuil.
10. Procédé de pilotage selon l’une des revendications 4 à 9, dans lequel, lorsque la batterie d’accumulateurs (10) est connectée à un chargeur externe et est en charge, il est prévu de déterminer la puissance électrique maximum que le chargeur peut débiter, et le transistor (80) est piloté de façon à ce que la puissance électrique reçue par ladite au moins une couche chauffante (60) reste inférieure à ladite puissance électrique maximum.