WO2010112694A2 - Procede de securisation du fonctionnement d'une batterie electrique - Google Patents

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method of securing the operation of an electric battery, and a battery in which such a method can be implemented.
  • An electric battery according to the invention is particularly intended for the traction of an electric or hybrid motor vehicle, that is to say comprising an electric motor driving the driving wheels combined with a heat engine driving these wheels. or possibly other driving wheels.
  • the invention applies for a high degree of hybridization of the thermal vehicles which can go up to a complete electrification of the traction chain.
  • the batteries are not only used to assist the vehicles in acceleration phases but also to ensure the movement of the vehicle autonomously over more or less important distances.
  • the electric battery according to the invention can also find application in other technical fields, for example for the storage of electrical energy in other modes of transport, especially in aeronautics. Moreover, in stationary applications such as for wind turbines, the securing of a battery according to the invention can also be used advantageously.
  • the generating elements conventionally comprise a tight, flexible or rigid envelope, in which is arranged a stack or a winding electroactive layers acting successively as cathodes and anodes, said layers being brought into contact via an electrolyte.
  • electrochemical elements of Lithium - ion or Lithium - polymer type can be used to generate the required electrical energy.
  • the generating elements may have malfunctions, for example induced by wear, malfunction or abuse, which pose a risk to the proper functioning of the battery, particularly with regard to the safety of use and / or to the expected electricity production.
  • defective elements may undergo a succession of exothermic chemical reactions that may lead to a thermal runaway which, combined with a production of gas inside the sealed envelope, induces a divergent reaction process that runs the risk of explosion of the element.
  • tri-layer separators have been developed. They are generally composed of layers of polypropylene (PP), polyethylene (PE) in a configuration of the PP / PE / PP type. These separators, located between the anode and the cathode elements, conduct the current through the ionic flow of the electrolyte contained in their pores. For temperatures close to 130 ° C., these porosities close rapidly and the impedance of the film increases abruptly, thus conferring on it an electrical insulation function. Moreover, the chemical processes appearing in the defective elements give place to productions of gas which, if they are not evacuated quickly, lead to accelerate the thermal phenomena, thus creating a risk of runaway of the reaction processes which can go up to the explosion.
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • aeration devices are used to open the envelope of a defective element.
  • the aeration devices can be made by local thinning of one of the walls of the battery element, by integrated peaks on plates coming through a diaphragm or by balls inserted in orifices.
  • circuit cuts can be integrated in the elements, the opening of the circuit can be triggered when overpressure or overheating appear in the element.
  • the securing devices according to the prior art have the disadvantage of being of the passive type, that is to say that they are triggered by an action induced by the phenomenon they aim to secure. Therefore, their release, although fast, is only realized when the phenomenon (temperature, pressure, voltage) is relatively high, which goes against the expected security.
  • the battery systems according to the prior art incorporate other devices for their security, among which:
  • the triggering of the associated safety devices can occur before the main contactor has had time to open.
  • This configuration induces two risks: the first relates to an untimely stop of energy production, stopping the vehicle on the taxiway, which can be relatively dangerous. The second is to trigger a dreaded phenomenon of the thermal runaway type, explosion of the battery.
  • the operating voltage of the system can reach several hundred volts (generally between 300 and 700V), and the use of the securing devices of the elements according to the prior art can then cause problems.
  • Capacitor which can give rise to arcing when the main contactor remains closed. These electric arcs can initiate a highly exothermic or even explosive reaction on the active materials of the element.
  • the battery may comprise a plurality of cells which are connected in series in the production circuit, each cell comprising at least two elements connected in parallel.
  • the current flowing through the defective cell will preferentially pass through the healthy, less resistive elements, thus creating a risk of overheating, over-discharge or even inversion of an element.
  • the invention aims to solve the problems of the prior art by proposing in particular a method of securing the operation of a battery which allows to limit as soon as possible and particularly reliably the risks associated with a defective element, and without inducing interruption of electricity production.
  • the invention makes it possible to secure a traction battery of a damaged vehicle, in particular with regard to the risk of electrocution of the intervention personnel.
  • the invention proposes a method for securing the operation of an electric battery comprising a plurality of electrical energy generating elements which are mounted in an electricity production circuit, said method providing for to monitor the appearance of a malfunction of each of said elements and, in the event of detection of the faulty operation of an element, to actuate a shunt of said defective element so that the electric current no longer passes through said defective element while now the closed production circuit.
  • the invention proposes an electric battery comprising a plurality of electrical energy generating elements which are mounted in a power generation circuit, each element being conditioned in a sealed envelope which is provided with two terminals for connecting said element to the production circuit, each element being equipped with a selector movable between a connection position of the terminals of said element in the production circuit and a shunt position in which the electric current no longer passes through said element while maintaining the closed production circuit, said battery further comprising a device for monitoring the appearance of a malfunction of each elements and a device for actuating the displacement in the shunt position of a selector respectively in case of detection of the defective operation of the element which it equips.
  • FIG. 1 illustrates the circuit for producing an electric battery according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 illustrates the circuit for producing an electric battery according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustrates the mounting of a cell in the production circuit of an electric battery according to a variant of the second embodiment of the invention
  • Figures 4 illustrate a selector according to one embodiment of the invention, said selector being shown in shunt position respectively from above ( Figure 4a) and AA section ( Figure 4b).
  • an electric battery comprising a plurality of elements E generators of electrical energy which are mounted in a circuit 1 for generating electricity.
  • the electrochemistry of the elements E can be of lithium-ion or lithium-polymer type to generate the required electrical energy.
  • Each element E is conditioned in a sealed envelope which is provided with two connection terminals, respectively an anode and a cathode, from said element to the production circuit 1.
  • the layers can be packaged in a flexible envelope. Alternatively, they can be packaged in a rigid container.
  • the elements ErE n are connected in series in the production circuit 1.
  • the battery comprises a plurality of DrD n cells which are connected in series in the production circuit 1, each cell D comprising at least two elements E connected in parallel.
  • each cell D 1 -D n comprises three elements E 1 , E 1 -, E 1 -E n , E n -, E n - in parallel and
  • FIG. 3 represents a cell D 1 with two elements E 1 , Er mounted in parallel.
  • Each element E is equipped with a selector S which is movable between a connection position B of the terminals of the element E to the production circuit 1 and a shunt position A in which the electric current no longer passes through said element while maintaining the production circuit 1 closed so that the other elements E connected to the production circuit 1 can continue to provide the required electricity.
  • the security of the operation of the battery can be achieved by monitoring the occurrence of a malfunction of each of the elements E and, in the event of detection of the faulty operation of an element E, by actuating the shunt of said defective element so that the electric current no longer passes through said defective element while keeping the production circuit 1 closed.
  • the battery comprises a device for monitoring the appearance of a malfunction of each of the elements E and a device for actuating the displacement in position A of shunt respectively a selector S in case of detection of the defective operation of the element E that it equips.
  • the detection of a fault makes it possible to rapidly actuate the shunt of the defective element E, so as to electrically insulate said defective element from the production circuit 1.
  • the defective element E is no longer electrically biased so in particular to avoid aggravation of the defect that may lead to a risky event relative to the operation of the battery. In particular, it avoids any thermal runaway within a defective E element.
  • the electric production of the battery is not interrupted so in particular to meet the requirements for the time required for the driver to exit safely from the traffic space.
  • the monitoring of the occurrence of a malfunction of an element E comprises the measurement of the electrical voltage across said element, said measurement being conventionally performed by the electronic system for monitoring the battery.
  • the measurement of the voltage can be carried out at the terminals of said cells. Then, the measured voltage is compared with a threshold value, the faulty operation being detected when said measured voltage is lower than said threshold value.
  • the threshold value may be between 0.2 and 2 V, for example of the order of 1 V.
  • a terminal of the element E is connected to the production circuit 1 via a selector S.
  • the production circuits 1 can integrate a contactor main C p which, after shunting a defective element E, can be actuated to open the production circuit 1, including timed so that the driver can exit safely from the circulation space.
  • the elements E can also be equipped with separators, ventilators (English venting) and / or cut-off circuits, such as those known from the prior art, these devices being able, after shunting, to be activated without risk of dielectric breakdown since the element E is then electrically isolated.
  • the security method can provide for the detection of a shock that can affect the battery.
  • the shock detected may relate to an accident on said vehicle, in particular a crash that may affect the mechanical integrity of the battery.
  • the shock can be detected by the system that is integrated into the vehicle to do this, in particular for triggering active safety devices such as airbags.
  • the method provides for using this information that is available in the vehicle to, in the event of such a shock, activate the shunting of all the elements E of said battery, so as to eliminate any risk of electrocution of the batteries. personal backup by contact with the high voltage of the battery. Furthermore, it can be provided that the S selectors can be removed from the elements E in order to easily replace them after an accident in which said elements would not have been damaged.
  • the production circuits 1 shown include a diagram of the occurrence of a fault on an element E in the form of a contactor C, but said circuits do not include such contactors, the position 1 corresponding to the absence of defect and the position 0 to the detection of a fault on the element E.
  • the element Ei has a fault and the selector So is in position A shunt.
  • a shunt loop 2 which equips each of the elements E, said loop being mounted on either side of the terminals of said element.
  • the selector S in position B of connection connects the terminals of the element E to the production circuit 1 and, in the shunt position A, connects said loop to said circuit.
  • the shunt loop 2 may comprise a resistor.
  • a resistor in the case of a battery incorporating cells D (FIG. 2), such a resistance makes it possible to avoid the looping of the current in the elements E of the cell D comprising an element E shunted.
  • the same effect can be obtained by providing that, in the event of faulty operation of an element E of a cell D, the shunting of all the elements E of said cell is actuated so as to avoid the risks over-discharge of the elements E or of inversion on one of the elements E of the cell D.
  • the two elements E 1 , Er of a cell Di are equipped with a shunt branch 3 having two terminals, each selector S connecting to the production circuit 1 the terminals of an element E or one
  • the two selectors Si, Sr are in the connection position (FIG. 3)
  • the two elements E 1 , E r are connected in parallel and, as soon as a fault is detected, the corresponding S selector switches to shunt A position on a terminal of the branch 3, without risk of looping the current on the other element E.
  • a selector S which is operable in displacement between the connection positions B and of shunt A is described below.
  • the selector S can be screwed onto the connector of FIG. the element E so that a disassembly function can be integrated.
  • the means for measuring the voltage across an element E can be integrated into a module comprising the selector S, said module being mounted removably on the connector of said element.
  • the selector S shown comprises three members connected to the production circuit 1, two members 4, 5 being fixed and a member 6 being rotatable between two positions A, B of connection with respectively one of the fixed members 4, 5.
  • the selector S comprises a fixed housing 7 which is connected to the 8 production circuit 1, the rotary member 6 being connected 9 in rotation to said housing.
  • the fixed members 4, 5 are mounted in the housing 7 respectively being connected to a terminal of the element E and the loop 2 or branch 3 shunt.
  • the displacement between the connection positions B and the shunt A can be carried out gradually so as to ensure a gradual decrease in the passage of the electric current in the defective element E.
  • it avoids the formation of an electric arc when actuating the selector S.
  • the members 4-6 have respective contact surfaces 4a-6a which are arranged so that the rotary member 6 ensures a gradual transition of the connection from a fixed member 4 to the other fixed member 5, in order to to obtain electrical continuity in said transition.
  • the rotation of the member 6 is limited to 90 ° by a stop wall 10 and its contact surface 6a extends over a semicircle.
  • the contact surface 4a, 5a of the fixed members 4, 5 extends over a quarter circle, said surfaces being positioned symmetrically at 180 ° to each other.
  • the device may comprise means for applying a mechanical force of displacement of the selector S between its connection positions B and shunt A, so as to overcome the contact forces that are required for the connections.
  • contacts between the members 4-6 can advantageously be made by tight fitting type “adjustment with clamping" (press-fit).
  • the means may be chosen from pyrotechnic means, piezoelectric means, in particular a piezoelectric motor, mechanical means, in particular a prestressed spring and electromechanical means, in particular an electromagnet releasing a prestressed mechanical member.
  • the housing 7 includes a compartment 11 delimited on either side by the wall 10 and by the rotary member 6, in which a pyrotechnic means 12 is disposed.
  • the pyrotechnic means 12 comprises a charge and an igniter which is activated during the detection of a defect so, by generating gas in the compartment 11, to push the member 6 in rapid rotation between its two positrons A, B of connection.
  • the time required between the detection of a fault, in particular by measuring the voltage of the elements E, and the shunting of an element E may be less than 1 second, for example of the order of a few tens or even hundreds of milliseconds.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de sécurisation du fonctionnement d'une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments (E) générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production (1) d'électricité, ledit procédé prévoyant de surveiller l'apparition d'un défaut de fonctionnement de chacun desdits éléments et, en cas de détection du fonctionnement défectueux d'un élément (E), d'actionner un shuntage dudit élément défectueux afin que le courant électrique ne traverse plus ledit élément défectueux tout en maintenant le circuit de production (1) fermé. L'invention concerne également une batterie dans laquelle un tel procédé peut être mis en œuvre.

Description

Procédé de sécurisation du fonctionnement d'une batterie électrique
L'invention concerne un procédé de sécurisation du fonctionnement d'une batterie électrique, ainsi qu'une batterie dans laquelle un tel procédé peut être mis en œuvre.
Une batterie électrique selon l'invention est notamment destinée à la traction d'un véhicule automobile électrique ou hybride, c'est-à-dire comprenant un moteur électrique d'entraînement des roues motrices combiné avec un moteur thermique d'entraînement de ces roues ou éventuellement d'autres roues motrices.
En particulier, l'invention s'applique pour un haut degré d'hybridation des véhicules thermiques qui peut aller jusqu'à une électrification complète de la chaîne de traction. Dans ce cas, les batteries ne servent plus uniquement à assister les véhicules dans des phases d'accélération mais également à assurer le déplacement du véhicule de manière autonome sur des distances plus ou moins importantes.
La batterie électrique selon l'invention peut également trouver son application dans d'autres domaines techniques, par exemple pour le stockage d'énergie électrique dans d'autres modes de transport, notamment en aéronautique. Par ailleurs, dans des applications stationnaires telles que pour des éoliennes, la sécurisation d'une batterie selon l'invention peut également être utilisée de façon avantageuse.
Pour garantir les niveaux de puissance et/ou d'énergie requis pour les applications considérées, il est nécessaire de créer des batteries comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production d'électricité.
Les éléments générateurs comprennent classiquement une enveloppe étanche, souple ou rigide, dans laquelle est disposé un empilement ou un enroulement de couches électro actives agissant successivement comme cathodes et anodes, lesdites couches étant mises en contact par l'intermédiaire d'un électrolyte. En particulier, des éléments électrochimiques de type Lithium - ion ou Lithium - polymère peuvent être utilisés pour générer l'énergie électrique requise.
Toutefois, les éléments générateurs peuvent présenter des défauts de fonctionnement, par exemple induits par une usure, une malfaçon ou une utilisation abusive, qui font courir un risque quant au bon fonctionnement de la batterie, notamment relativement à la sécurité d'utilisation et/ou à la production d'électricité attendue.
En particulier, des éléments défectueux peuvent subir une succession de réactions chimiques exothermiques pouvant conduire à un emballement thermique qui, combiné à une production de gaz à l'intérieur de l'enveloppe étanche, induit un processus réactionnel divergeant faisant courir le risque d'une explosion de l'élément.
Afin de réduire les risques induits par les défauts de fonctionnement des éléments, ces derniers sont classiquement équipés de différents dispositifs de sécurisation visant à stopper le processus réactionnel divergeant. Des exemples de tels dispositifs sont présentés dans l'art antérieur, parmi lesquels on peut citer les séparateurs, les aérateurs (ventings en anglais), les coupes circuits intégrés aux éléments.
A titre d'exemple, des séparateurs tri-couches ont été développés. Ils sont généralement composés de couches de polypropylène (PP), polyéthylène (PE) dans une configuration du type PP/PE/PP. Ces séparateurs, situés entre l'anode et la cathode des éléments, conduisent le courant par le biais du flux ionique de l'électrolyte contenu dans leurs porosités. Pour des températures proches de 1300C, ces porosités se ferment rapidement et l'impédance du film s'accroit brutalement lui conférant ainsi une fonction d'isolation électrique. Par ailleurs, les processus chimiques apparaissant dans les éléments défectueux donnent lieux à des productions de gaz qui, si ils ne sont pas évacués rapidement, conduisent à accélérer les phénomènes thermiques, créant ainsi un risque d'emballement des processus réactionnels pouvant aller jusqu'à l'explosion.
Pour éviter ce risque, des dispositifs d'aération sont utilisés pour ouvrir l'enveloppe d'un élément défectueux. Les dispositifs d'aération peuvent être réalisés par amincissement local d'une des parois de l'élément de batterie, par des pics intégrés sur des plaques venant percer un diaphragme ou par des billes insérées dans des orifices.
Enfin, des coupes circuits peuvent être intégrés dans les éléments, l'ouverture du circuit pouvant être déclenchée lorsque des surpressions ou des surchauffes apparaissent dans l'élément.
Toutefois, les dispositifs de sécurisation selon l'art antérieur présentent l'inconvénient d'être de type passif, c'est-à-dire qu'ils sont déclenchés par une action induite par le phénomène qu'ils visent à sécuriser. Par conséquent, leur déclenchement, bien que rapide, n'est réalisé que lorsque le phénomène (température, pression, tension) est relativement important, ce qui va à rencontre de la sécurisation attendue.
Par ailleurs, les systèmes batteries selon l'art antérieur intègrent d'autres dispositifs servant à leur sécurisation, parmi lesquels :
• les contacteurs qui permettent de sectionner le passage du courant lorsque le véhicule est arrêté, évitant ainsi les risques d'électrocution par ouverture du circuit de production ;
• les fusibles qui protègent la batterie en cas de court-circuit externe ; • les algorithmes de gestion de la batterie qui limite l'utilisation de cette dernière afin d'éviter l'apparition de zone appauvrit en électrolyte lors de décharges sévères ou bien l'apparition de précipitations de sels métalliques lors de phases de régénération. S'agissant des applications véhicules électriques, en cas de défaillance d'un élément de batterie, les règlements imposent à la batterie de pouvoir fournir l'énergie et la puissance pendant un temps suffisant pour que le conducteur puisse sortir de l'espace de circulation sans risque. Pour répondre à ces exigences, une temporisation est généralement appliquée entre la détection d'une défaillance et l'ouverture du circuit de production.
Ainsi, lorsqu'un défaut de fonctionnement intervient sur un des éléments, un signal est envoyé à un contacteur principal afin qu'il puisse ouvrir le circuit de production. Cependant, afin de laisser le temps au conducteur de sortir de l'espace de circulation sans danger, un délai de plusieurs dizaines de seconde à une ou deux minutes est appliqué avant que la commande d'ouverture du circuit de production ne soit effectivement réalisée (exigences du règlement ECE R100). Or, pendant cette temporisation, le fonctionnement de la batterie n'est pas sécurisé et, l'élément défectueux étant encore en production, son défaut de fonctionnement à tendance à s'amplifier.
Ainsi, lorsqu'un processus réactionnel divergeant apparaît dans un élément, le déclenchement des dispositifs de sécurisation associés (aérateur, séparateur, coupe-circuit...) peut se produire avant que le contacteur principal n'est eu le temps de s'ouvrir.
Cette configuration induit deux risques : le premier est relatif à un arrêt intempestif de la production d'énergie, stoppant le véhicule sur la voie de circulation, ce qui peut être relativement dangereux. Le second consisterait à déclencher un phénomène redouté du type emballement thermique, explosion de la batterie.
En effet, pour les batteries de forte puissance et de forte énergie qui sont destinées à la traction des véhicules automobiles, la tension de fonctionnement du système peut atteindre plusieurs centaines de volts (généralement entre 300 et 700V), et l'utilisation des dispositifs de sécurisation des éléments suivant l'art antérieur peut alors poser des problèmes.
Lorsque les éléments sont montés en série dans le circuit de production, le déclenchement des dispositifs de sécurisation selon l'art antérieur ou l'apparition de zones appauvries dans l'électrolyte, voire une fuite de ce dernier, peut créer localement une perte de continuité électrique (formation locale d'un
« condensateur »), ce qui peut donner naissance à des arcs électriques lorsque le contacteur principal reste fermé. Ces arcs électriques pouvant amorcer une réaction fortement exothermique, voire explosives, sur les matériaux actifs de l'élément.
Par ailleurs, toujours lorsque les éléments sont montés en série dans le circuit de production, le déclenchement des dispositifs de sécurisation ou des contacteurs selon l'art antérieur conduit à stopper la production d'électricité. Cet arrêt intempestif de la production d'électricité, sans préavis, reste dangereux pour l'utilisateur de véhicule électrique piégé dans l'espace de circulation et ne permet pas de répondre aux exigences réglementaires.
Selon une autre réalisation, la batterie peut comprendre une pluralité de cellules qui sont montées en série dans le circuit de production, chaque cellule comprenant au moins deux éléments montés en parallèle. Dans cette réalisation, lorsque le contacteur principal est fermé, le courant traversant la cellule défectueuse transitera préférentiellement par les éléments sains, moins résistifs, créant ainsi un risque d'échauffement, de sur-décharge voire d'inversion d'un élément.
Et, une fois le contacteur principal ouvert, de très forts courants vont circuler entre les éléments sains et les éléments défectueux de la cellule, aggravant ainsi le risque d'emballement thermique. Et, si tous les éléments montés en parallèle dans une même cellule sont amenés à être défectueux, se posent les mêmes problèmes qu'avec la configuration dans laquelle les éléments sont montés en série dans le circuit de production. Un autre problème concernant la sécurisation des batteries de forte énergie et de forte puissance provient de la présence de haute tension lors d'intervention de personnels de secours sur un véhicule accidenté. En effet, en cas de crash, l'intégrité mécanique de la batterie peut être plus ou moins altérée. Un écrasement, même partiel, de la batterie peut conduire à rendre inopérant le fonctionnement des contacteurs et/ou à créer un risque de court-circuit.
En outre, une seconde source de risque apparaît pour les services de secours amenés à intervenir sur le véhicule accidenté. En effet, quelque soit l'état dans lequel se trouve le contacteur, la haute tension reste présente entre les éléments de batteries assemblés électriquement et le personnel de secours peut donc être amené à entrer en contact avec ces sources de tension.
L'invention vise à résoudre les problèmes de l'art antérieur en proposant notamment un procédé de sécurisation du fonctionnement d'une batterie qui permet de limiter au plus tôt et de façon particulièrement fiable les risques liés à un élément défectueux, et ce sans induire d'interruption de la production d'électricité. En outre, l'invention permet de sécuriser une batterie de traction d'un véhicule accidenté, notamment relativement aux risques d'électrocution des personnels d'intervention.
A cet effet, selon un premier aspect, l'invention propose un procédé de sécurisation du fonctionnement d'une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production d'électricité, ledit procédé prévoyant de surveiller l'apparition d'un défaut de fonctionnement de chacun desdits éléments et, en cas de détection du fonctionnement défectueux d'un élément, d'actionner un shuntage dudit élément défectueux afin que le courant électrique ne traverse plus ledit élément défectueux tout en maintenant le circuit de production fermé.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production d'électricité, chaque élément étant conditionné dans une enveloppe étanche qui est pourvue de deux bornes de connexion dudit élément au circuit de production, chaque élément étant équipé d'un sélecteur déplaçable entre une position de connexion des bornes dudit élément au circuit de production et une position de shuntage dans laquelle le courant électrique ne traverse plus ledit élément tout en maintenant le circuit de production fermé, ladite batterie comprenant en outre un dispositif de surveillance de l'apparition d'un défaut de fonctionnement de chacun des éléments et un dispositif d'actionnement du déplacement en position de shuntage de respectivement un sélecteur en cas de détection du fonctionnement défectueux de l'élément qu'il équipe.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures jointes dans lesquelles : - la figure 1 illustre le circuit de production d'une batterie électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 illustre le circuit de production d'une batterie électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 illustre le montage d'une cellule dans le circuit de production d'une batterie électrique selon une variante du deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 4 illustrent un sélecteur selon un mode de réalisation de l'invention, ledit sélecteur étant représenté en position de shuntage respectivement de dessus (figure 4a) et en coupe AA (figure 4b).
En relation avec les figures, on décrit ci-dessous une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments E générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit 1 de production d'électricité. En particulier, l'électrochimie des éléments E peut être de type Lithium - ion ou Lithium - polymère pour générer l'énergie électrique requise.
Chaque élément E est conditionné dans une enveloppe étanche qui est pourvue de deux bornes de connexion, respectivement une anode et une cathode, dudit élément au circuit de production 1. Dans l'enveloppe, est disposé un empilement ou un enroulement de couches électro actives agissant successivement comme cathodes et anodes, lesdites couches étant mises en contact par l'intermédiaire d'un électrolyte. Les couches peuvent être conditionnées dans une enveloppe souple. En variante, elles peuvent être conditionnées dans un container rigide.
Selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 , les éléments ErEn sont montés en série dans le circuit de production 1. Dans un deuxième mode de réalisation, la batterie comprend une pluralité de cellules DrDn qui sont montées en série dans le circuit de production 1 , chaque cellule D comprenant au moins deux éléments E montés en parallèle. Sur la figure 2, chaque cellule D1-Dn comprend trois éléments E1, E1-, E1-En, En-, En- en parallèle et la figure 3 représente une cellule D1 à deux éléments E1, Er montés en parallèle.
Chaque élément E est équipé d'un sélecteur S qui est déplaçable entre une position B de connexion des bornes de l'élément E au circuit de production 1 et une position A de shuntage dans laquelle le courant électrique ne traverse plus ledit élément tout en maintenant le circuit de production 1 fermé afin que les autres éléments E connectés au circuit de production 1 puissent continuer à fournir l'électricité requise.
Ainsi, la sécurisation du fonctionnement de la batterie peut être réalisée en surveillant l'apparition d'un défaut de fonctionnement de chacun des éléments E et, en cas de détection du fonctionnement défectueux d'un élément E, en actionnant le shuntage dudit élément défectueux afin que le courant électrique ne traverse plus ledit élément défectueux tout en maintenant le circuit de production 1 fermé.
Pour ce faire, la batterie comprend un dispositif de surveillance de l'apparition d'un défaut de fonctionnement de chacun des éléments E et un dispositif d'actionnement du déplacement en position A de shuntage de respectivement un sélecteur S en cas de détection du fonctionnement défectueux de l'élément E qu'il équipe.
La détection d'un défaut permet d'actionner rapidement le shuntage de l'élément E défectueux, de sorte à isoler électriquement ledit élément défectueux du circuit de production 1. Ainsi, dès l'apparition d'un défaut, l'élément E défectueux n'est plus sollicité électriquement de sorte notamment à éviter une aggravation dudit défaut pouvant conduire à un événement risqué relativement au fonctionnement de la batterie. En particulier, on évite ainsi tout emballement thermique au sein d'un élément E défectueux. En outre, la production électrique de la batterie n'est alors pas interrompue de sorte notamment à pouvoir satisfaire aux exigences relatives au temps nécessaire pour que le conducteur puisse sortir sans danger de l'espace de circulation.
Selon une réalisation avantageuse, la surveillance de l'apparition d'un défaut de fonctionnement d'un élément E comprend la mesure de la tension électrique aux bornes dudit élément, ladite mesure étant classiquement réalisée par le système électronique de surveillance de la batterie. Dans le mode de réalisation où le circuit de production 1 comprend des cellules D1 la mesure de la tension peut être réalisée aux bornes desdites cellules. Ensuite, la tension mesurée est comparée avec une valeur seuil, le fonctionnement défectueux étant détecté lorsque ladite tension mesurée est inférieure à ladite valeur seuil. Par exemple, la valeur seuil peut être comprise entre 0,2 et 2 V, par exemple de l'ordre de 1 V.
Dans les modes de réalisation représentés, une borne de l'élément E est connectée au circuit de production 1 par l'intermédiaire d'un sélecteur S. En outre, comme représenté sur la figure 1 , les circuits de production 1 peuvent intégrer un contacteur principal Cp qui, après le shuntage d'un élément E défectueux, peut être actionné pour ouvrir le circuit de production 1 , notamment de façon temporisée afin que le conducteur puisse sortir sans danger de l'espace de circulation. Par ailleurs, les éléments E peuvent également être équipés de séparateurs, d'aérateurs (ventings en anglais) et/ou de coupes circuits, tels que ceux connus de l'art antérieur, ces dispositifs pouvant, après shuntage, être activés sans risque de claquage diélectrique puisque l'élément E est alors isolé électriquement.
En outre, le procédé de sécurisation peut prévoir la détection d'un choc pouvant affecter la batterie. En particulier, pour une batterie destinée à la traction d'un véhicule automobile, le choc détecté peut concerner un accident sur ledit véhicule, en particulier un crash pouvant affecter l'intégrité mécanique de la batterie. Dans un exemple de réalisation, le choc peut être détecté par le système qui est intégré dans le véhicule pour ce faire, notamment à fin de déclenchement des dispositifs de sécurité actifs tels que les airbags.
Ainsi, le procédé prévoit d'utiliser cette information qui est disponible dans le véhicule pour, en cas de survenance d'un tel choc, activer le shuntage de tous les éléments E de ladite batterie, de sorte à éliminer tout risque d'électrocution des personnels de secours par contact avec la haute tension de la batterie. Par ailleurs, on peut prévoir que les sélecteurs S soient démontables des éléments E afin de pouvoir les remplacer facilement après un accident dans lequel lesdits éléments n'auraient pas été endommagés.
Les circuits de production 1 représentés intègrent une schématisation de l'apparition d'un défaut sur un élément E sous la forme d'un contacteur C, sans toutefois que lesdits circuits intègrent de tels contacteurs, la position 1 correspondant à l'absence de défaut et la position 0 à la détection d'un défaut sur l'élément E. Ainsi, sur les figures 1 et 2, l'élément Ei présente un défaut et le sélecteur Si est donc en position A de shuntage.
En relation avec les figures 1 et 2, on décrit une boucle de shuntage 2 qui équipe chacun des éléments E, ladite boucle étant montée de part et d'autre des bornes dudit élément. Ainsi, le sélecteur S en position B de connexion connecte les bornes de l'élément E au circuit de production 1 et, en position A de shuntage, connecte ladite boucle audit circuit.
Selon une réalisation, la boucle de shuntage 2 peut comprendre une résistance. En particulier, dans le cas d'une batterie intégrant des cellules D (figure 2), une telle résistance permet d'éviter le rebouclage du courant dans les éléments E de la cellule D comprenant un élément E shunté.
Selon une autre réalisation, le même effet peut être obtenu en prévoyant que, en cas de fonctionnement défectueux d'un élément E d'une cellule D, on actionne le shuntage de tous les éléments E de ladite cellule, de sorte à éviter les risques de sur-décharge des éléments E ou d'inversion sur un des éléments E de la cellule D.
Sur la figure 3, les deux éléments E1, Er d'une cellule Di sont équipés d'une branche de shuntage 3 présentant deux bornes, chaque sélecteur S connectant au circuit de production 1 les bornes d'un élément E ou l'une des bornes de la branche de shuntage 3. Ainsi, lorsque les deux sélecteurs Si, Sr sont en position de connexion (figure 3) les deux éléments E1, Er sont montés en parallèle et, dès qu'un défaut est détecté, le sélecteur S correspondant passe en positon A de shuntage sur une borne de la branche 3, et ce sans risquer un rebouclage du courant sur l'autre élément E.
En relation avec les figures 4, on décrit ci-dessous un mode de réalisation d'un sélecteur S qui est actionnable en déplacement entre les positions de connexion B et de shuntage A. En particulier, le sélecteur S peut être vissé sur la connectique de l'élément E de manière à ce qu'une fonction de démontabilité puisse être intégrée. De même, le moyen de mesure de la tension aux bornes d'un élément E peut être intégré dans un module comprenant le sélecteur S, ledit module étant monté de façon amovible sur la connectique dudit élément.
Le sélecteur S représenté comprend trois organes connectés au circuit de production 1 , deux organes 4, 5 étant fixes et un organe 6 étant rotatif entre deux positions A, B de connexion avec respectivement l'un des organes fixes 4, 5. En particulier, le sélecteur S comprend un boîtier fixe 7 qui est branché 8 sur le circuit de production 1 , l'organe rotatif 6 étant connecté 9 en rotation audit boîtier. Les organes fixes 4, 5 sont montés dans le boîtier 7 en étant respectivement connectés à une borne de l'élément E et à la boucle 2 ou à la branche 3 de shuntage.
Dans le mode de réalisation représenté, le déplacement entre les positions de connexion B et de shuntage A peut être réalisé de façon progressive afin d'assurer une diminution graduelle du passage du courant électrique dans l'élément E défectueux. Ainsi, on évite la formation d'un arc électrique lors de l'actionnement du sélecteur S.
Pour ce faire, les organes 4-6 présentent des surfaces de contact respectives 4a-6a qui sont agencées pour que l'organe rotatif 6 assure une transition progressive de la connexion depuis un organe fixe 4 vers l'autre organe fixe 5, afin d'obtenir une continuité électrique dans ladite transition.
Sur les figures, la rotation de l'organe 6 est limitée à 90° par une paroi 10 de butée et sa surface de contact 6a s'étend sur un demi-cercle. En outre, la surface de contact 4a, 5a des organes fixes 4, 5 s'étend sur un quart de cercle, lesdites surfaces étant positionnées symétriquement à 180° l'une de l'autre.
Ainsi, lors de la rotation de l'organe 6, la somme des surfaces de contact entre l'organe rotatif 6 et les organes fixes 4, 5 demeure sensiblement constante, tout en assurant le passage du courant depuis un organe fixe 4 vers l'autre 5.
De façon avantageuse, le dispositif peut comprendre un moyen d'application d'un effort mécanique de déplacement du sélecteur S entre ses positions de connexion B et de shuntage A, de sorte à pouvoir surmonter les efforts de contacts qui sont nécessaires aux connexions. En effet, pour assurer une bonne qualité de connexion capable de faire passer les fortes puissances demandées, même dans des conditions vibratoires sévères, les contacts entre les organes 4-6 peuvent être avantageusement réalisés par montage serré de type « ajustement avec serrage » (press-fit).
En particulier, le moyen peut être choisi parmi les moyens pyrotechniques, les moyens piézoélectriques, notamment un moteur piézoélectrique, les moyens mécaniques, notamment un ressort précontraint et les moyens électromécaniques, notamment un électroaimant libérant un organe mécanique précontraint.
Dans le mode de réalisation représenté, le boîtier 7 intègre un compartiment 11 délimité de part et d'autre par la paroi 10 et par l'organe rotatif 6, dans lequel un moyen pyrotechnique 12 est disposé. Le moyen pyrotechnique 12 comprend une charge et un allumeur qui est activé lors de la détection d'un défaut de sorte, par génération de gaz dans le compartiment 11 , à pousser l'organe 6 en rotation rapide entre ses deux positons A, B de connexion. Le temps nécessaire entre la détection d'un défaut, notamment par mesure de la tension des éléments E, et le shuntage d'un élément E peut être inférieur à 1 seconde, par exemple de l'ordre de quelques dizaines voire centaines de millisecondes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de sécurisation du fonctionnement d'une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments (E) générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production (1) d'électricité, ledit procédé prévoyant de surveiller l'apparition d'un défaut de fonctionnement de chacun desdits éléments et, en cas de détection du fonctionnement défectueux d'un élément (E), d'actionner un shuntage dudit élément défectueux afin que le courant électrique ne traverse plus ledit élément défectueux tout en maintenant le circuit de production (1) fermé.
2. Procédé de sécurisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la surveillance de l'apparition d'un défaut de fonctionnement d'un élément (E) comprend la mesure de la tension électrique aux bornes dudit élément et la comparaison de ladite tension mesurée avec une valeur seuil, le fonctionnement défectueux étant détecté lorsque ladite tension mesurée est inférieure à ladite valeur seuil.
3. Procédé de sécurisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il prévoit en outre, après le shuntage d'un élément (E) défectueux, une ouverture temporisée du circuit de production (1).
4. Procédé de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le shuntage d'un élément (E) défectueux est réalisé au moyen d'un sélecteur (S) qui est actionnable en déplacement entre une position (B) de connexion dudit élément au circuit de production (1) et une position (A) de shuntage dudit élément.
5. Procédé de sécurisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le déplacement entre les positions de connexion (B) et de shuntage (A) est réalisé de façon progressive afin d'assurer une diminution graduelle du passage du courant électrique dans l'élément (E) défectueux.
6. Procédé de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la batterie comprend une pluralité de cellules (D) qui sont montées en série dans le circuit de production (1), chaque cellule (D) comprenant au moins deux éléments (E) montés en parallèle, ledit procédé prévoyant, en cas de fonctionnement défectueux d'un élément (E) d'une cellule (D), d'actionner le shuntage de tous les éléments (E) de ladite cellule.
7. Procédé de sécurisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il prévoit la détection d'un choc pouvant affecter la batterie et, en cas de survenance d'un tel choc, le shuntage de tous les éléments (E) de ladite batterie.
8. Batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments (E) générateurs d'énergie électrique qui sont montés dans un circuit de production (1) d'électricité, chaque élément (E) étant conditionné dans une enveloppe étanche qui est pourvue de deux bornes de connexion dudit élément au circuit de production (1), ladite batterie étant caractérisée en ce que chaque élément (E) est équipé d'un sélecteur (S) déplaçable entre une position (B) de connexion des bornes dudit élément au circuit de production (1) et une position (A) de shuntage dans laquelle le courant électrique ne traverse plus ledit élément tout en maintenant le circuit de production (1) fermé, ladite batterie comprenant en outre un dispositif de surveillance de l'apparition d'un défaut de fonctionnement de chacun des éléments (E) et un dispositif d'actionnement du déplacement en position (A) de shuntage de respectivement un sélecteur (S) en cas de détection du fonctionnement défectueux de l'élément (E) qu'il équipe.
9. Batterie électrique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'une borne de l'élément (E) est connectée au circuit de production (1) par l'intermédiaire du sélecteur (S).
10. Batterie électrique selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que les éléments (E) sont montés en série dans le circuit de production (1).
11. Batterie électrique selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de cellules (D) qui sont montées en série dans le circuit de production (1), chaque cellule (D) comprenant au moins deux éléments (E) montés en parallèle.
12. Batterie électrique selon la revendication 11 , caractérisée en ce que chaque cellule (D) comprend deux éléments (E) en parallèle et une branche (3) de shuntage présentant deux bornes, chaque sélecteur (S) connectant au circuit de production (1) les bornes d'un élément ou l'une des bornes de la branche de shuntage (3).
13. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 , caractérisée en ce que chaque élément (E) est équipé d'une boucle de shuntage (2) qui est montée de part et d'autre des bornes dudit élément, le sélecteur (S) connectant au circuit de production (1) lesdites bornes ou la boucle de shuntage (2).
14. Batterie électrique selon la revendication 13, caractérisée en ce que la boucle de shuntage (2) comprend une résistance.
15. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisée en ce que le sélecteur (S) comprend trois organes (4-6) connectés au circuit de production (1), deux organes (4, 5) étant fixes et un organe (6) étant rotatif entre deux positions (A, B) de connexion avec respectivement l'un des organes fixes (4, 5).
16. Batterie électrique selon la revendication 15, caractérisée en ce que les organes (4-6) présentent des surfaces de contact respectives (4a-6a) qui sont agencées pour que l'organe rotatif (6) assure une transition progressive de la connexion depuis un organe fixe (4) vers l'autre organe fixe (5).
17. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 8 à 16, caractérisée en ce que le dispositif d'actionnement comprend un moyen d'application d'un effort mécanique de déplacement du sélecteur (S) entre ses positions de connexion (B) et de shuntage (A), ledit moyen étant choisi parmi les moyens pyrotechniques (12), les moyens piézoélectriques, les moyens mécaniques, les moyens électromécaniques.
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