WO2011110761A1 - Batterie adaptee pour permettre le recueil d'informations fiables sur son etat afin d'ameliorer sa duree de vie - Google Patents

Batterie adaptee pour permettre le recueil d'informations fiables sur son etat afin d'ameliorer sa duree de vie Download PDF

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WO2011110761A1
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WO
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battery
processing unit
central processing
charge
charging
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PCT/FR2011/050297
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Bilal Manai
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Bilal Manai
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a rechargeable type battery regardless of its technology.
  • a rechargeable battery is still referred to as a secondary battery to distinguish it from a non-rechargeable battery also named primary battery.
  • the invention is more particularly the management of batteries over time, for example the management of their charge according to their capacity to optimize their use and their lifetime. More generally, the invention relates to the management of all information relating to the state of a secondary battery.
  • the secondary batteries are intended to equip and supply energy to all types of portable devices such as for example cameras or MP3 players or toys or backup systems used in the medical or space for example, but also electric vehicles, such as cars, motorcycles, bicycles for example.
  • This type of battery generally incorporates an accumulator associated with an electronic protection circuit which provides electrical protection of the battery against short circuits, undervoltage, overvoltages or against a heating of electrical origin.
  • Other batteries are intended to be implanted in devices for which it is very important to know the amount of charge remaining in the battery to better know or estimate the moment when it will be necessary to recharge it or to replace it. Typically, this information is critical for backup systems used in the medical or spatial field for example.
  • the devices in which the batteries are inserted include an electronic circuit traditionally called monitoring circuit, or fuel-gauging or gas-gauging in English terminology. This electronic circuit makes it possible to measure the amount of charge remaining in the battery of the battery.
  • FIG. 1 schematically illustrates a current system for managing a secondary battery. Such a system is partially implanted in a device 30 operating with a battery 20 and in the battery itself.
  • the electronic protection circuits 21 and identification or authentication 23 are generally located in the battery 20, while the monitoring circuits 33 and load 35 are located in the device 30.
  • Charging is the primary function of managing a secondary battery. It consists in recovering electricity from an electrical source, such as the mains, to transfer it to the battery 101 of the battery 20 when the latter is completely or partially discharged by the device 30 that the battery is supplying. The recovery of electricity is traditionally done via a wall charger 36 and an electronic charging circuit 35.
  • This circuit 35 uses a charging algorithm that is specific to battery technology and controls the battery. injection, in a given time, of a charging current corresponding to its initial capacity.
  • the charging circuit 35 is managed by the microprocessor 32 of the device 30. It thus monopolizes resources of the microprocessor 32, which can therefore operate at full speed and has limited resources for the operation of the device.
  • the charging currents must be specific depending on the battery technology, it is very difficult for the charging circuit 35 controlled by the microprocessor CPU 32 of the device to deliver charging currents corresponding to the actual capacity of the battery. This is because the charging function of the devices is designed by the device manufacturers and not by the battery manufacturer, so that the electronic charging circuit is designed for a multitude of batteries with different capacities. In general, the charging currents are either too high or less than the actual capacity of the battery of the battery. In the first case, the excessively high charge currents considerably limit the life of the battery since it is continually overloaded with current at the time of charging relative to its capacity. In the second case, where the charging currents are insufficient, the charging times are considerably lengthened or even the charging processes never reach term due to the exceeding of the recommended charging times. The payload of the battery is then well below its real capacity. The use of the electrical device intended to be powered by the battery is thus greatly limited in time, the device having a very limited autonomy.
  • the current secondary batteries are also and generally provided with an electrical function able to measure the temperature of the battery.
  • This electrical function is then carried out for example by means of a negative temperature coefficient resistor 22, denoted CTN, which makes it possible to calculate the temperature of the battery as a function of the value of the resistance, which decreases uniformly with the temperature .
  • This measurement can also be carried out with a resistance with a positive temperature coefficient CTP.
  • the potential difference is thus measured between the terminal ts (acronym for "temperature sensor" in English terminology) and the reference potential or mass for example, through this resistance to know the temperature of the battery.
  • the electrical device 30 then comprises a double comparator for comparing the measured temperature at the two thresholds of an acceptable temperature range to allow charging.
  • the electrical device authorizes charging when the measured temperature is between 0 and 40 ° C while it controls the stop of the load when the temperature exceeds one or other of these two terminals.
  • Some applications also require knowledge of the remaining load for the user.
  • This is a function of managing the remaining quantity of charge which is carried out by means of an electronic circuit called monitoring 33 which makes it possible to measure the quantity of incoming and outgoing charge.
  • This information is more or less accurate depending on the needs and the required quality of information for the device used.
  • the information on the remaining charge is very basic or even completely absent.
  • the remaining charge is given more precisely as a percentage display.
  • the electronic monitoring circuit 33 makes it possible to measure the amount of charge remaining in the battery. This measurement then makes it possible to adapt the load according to the quantity remaining.
  • the monitoring function 33 which makes it possible to calculate the quantity of charge remaining, uses a measurement of current entering and leaving the battery through a so-called sensing resistor 34.
  • the measurement of the current is made with respect to the potential drop across the resistance 34.
  • this measurement of the amount of charge remaining remains very approximate due to parasitic resistance routing and connection between the electrical device and the battery, which are not taken into account.
  • the accuracy of the measurement is very limited.
  • the erroneous measurement of the remaining amount of charge therefore leads to a limitation of the life of the secondary battery since it is overloaded with current at the moment of charging relative to its actual capacity.
  • the monitoring circuit 33 is conventionally implanted in the electrical device 30 and uses the computing power of the microprocessor 32 embedded in the device 30.
  • the circuit 33 like the charging circuit 35, monopolizes resources. the microprocessor CPU 32, which can therefore operate at full speed and has limited resources for the operation of the device.
  • the electronic protection circuit 21 provides electrical protection for the battery against short circuits, overvoltages, or overheating. temperature of electrical origin.
  • the protection circuit 21 thus makes it possible, by means of a continuous measurement of the voltage across the accumulator of the battery, to protect it against undervoltage by acting directly on switches C1 and C2. These switches are generally materialized by power transistors. In the same way, excessively high operating currents can generate overheating or short circuits.
  • the protection circuit therefore measures the incoming and outgoing current in the battery through the equivalent resistance of the switches C1 and C2. This measurement makes it possible to deduce the exceeding of a predefined limit value of potential drop across the switches C1 and C2. In this case, the electronic protection circuit controls the switches C1 and C2 to open the current path and thus protects the battery.
  • the electrical device 30 when the protection circuit is triggered to lock the battery in a state of protection, the electrical device 30 has no information on the state or nature of the protection and can not tell the difference between a dead battery and a battery in state of protection. The device therefore has no way to unlock the battery protection. The latter remains frozen until the end of the cause that triggered the protection.
  • an object of the present invention is to provide a battery, comprising at least one accumulator for storing and then returning electrical energy, a central processing unit able to communicate to an electrical device - powered by said battery - information on the state of the latter, said information being obtained from at least one measurement carried out within the battery and analyzed by the central processing unit.
  • a battery comprises means for evaluating the amount of remaining charge of the battery and controlling the charge of the at least one accumulator according to the amount of charge remaining evaluated.
  • the invention also relates to an electrical device intended to be supplied with energy by the battery and comprising a means of communication to ensure an exchange of information between the battery and itself to be informed of a change of state of the battery. drums.
  • a device comprises means for delivering to the battery the charge currents necessary for its charging.
  • Another object of the invention relates to a method of communication between a battery and a device according to the invention, comprising the steps of:
  • FIG. 1 already described, a diagram of operation of a secondary battery according to the prior art, when it supplies an electrical device
  • FIGS. 2A and 2B respectively a first and a second operating diagram of a secondary battery according to the invention connected to an electrical device which it supplies with energy
  • FIGS. 3A to 3C diagrams schematizing the steps of a communication protocol between a battery according to the invention and an electrical device that it supplies with energy.
  • battery accumulator is used to denote both a single component, which is also commonly known as a cell, capable of storing electrical energy and then restoring it later. set comprising several of these components or cells.
  • battery we also use the term “battery” to characterize an assembly formed of an accumulator - as previously defined - and an electronics controlling said accumulator. In the literature, such an assembly is also called “battery pack”.
  • the battery is modified so that it integrates a central processing unit able on the one hand to analyze and process raw data obtained from measurements made within the battery and, from on the other hand, to communicate the information resulting from this treatment and relating to the state of the battery, to the microprocessor of the electrical device that it supplies with energy.
  • the battery communicates, via an on-board processing unit, to the microprocessor of the electrical device, information such as its date of manufacture for example. Thanks to the date of manufacture, the device can then estimate the amount of charge remaining in the battery and estimate its life before recharging.
  • FIG. 2A schematizes a first example of a secondary battery 100 as well as its connections with an electrical device 170 that it supplies with energy.
  • the electrical device 170 is represented by a telephone provided with a screen 171.
  • the battery may be intended to power any other type of electrical device such as, for example, portable audio devices and / or video, video game consoles, digital cameras or cameras, laptops, but also electric vehicles whether it is a car, a motorcycle or a bicycle, or power tools, etc.
  • the battery 100 shown diagrammatically in FIG. 2A comprises an intelligent battery management system 190.
  • This intelligent system essentially groups together a central processing unit 110 able to communicate to the electrical device 170 information on the state of the battery.
  • This information on the state of the battery is for example basic information such as the batch number of the battery or its date of manufacture which can be prerecorded in the processing unit 110.
  • This central processing unit 110 is materialized either by a microprocessor, denoted CPU, or a microcontroller, denoted MCU. Subsequently, we will talk about microcontroller MCU, to designate this unit 110, knowing that this term covers both the microcontroller and the microprocessor.
  • the microcontroller 110 embedded in the battery is able to communicate information, via a communication bus B, to the microprocessor CPU 172 of the electrical device 170.
  • One or more other electrical functions such as protection, monitoring and identification / authentication can also be added to it, by means of electronic circuits, respectively protecting 1 60, monitoring 150 and identification / authentication 140. , fulfilling these functions and which are embedded in the intelligent system 190 battery management and connected to the embedded microcontroller 110.
  • the electronic protection circuit 160 makes it possible to protect the battery against short circuits, overvoltages, overloads in current or even against electric heating.
  • the circuit makes it possible, by means of a continuous measurement of the voltage of the battery, to protect it from overvoltages or under-voltages. by acting directly on the switches C1 and C2.
  • this circuit also measures the incoming and outgoing current in the battery through the equivalent resistance of the switches C1 and C2. This measurement makes it possible to deduce the exceeding of a predefined limit value of potential drop across the switches C1 and C2. In these cases, the protection circuit 160 controls the C1 and C2 switches to open the current path and thus protect the battery.
  • the advantage of having a microcontroller MCU 110 in the battery allows the electronic protection circuit 160 to transmit information on the state and the nature of the protection.
  • the MCU 110 can then communicate this information to the microprocessor CPU 172 of the device 170 via the communication bus B.
  • the device can therefore know the cause that triggered the protection of the battery and how the battery was protected .
  • the microprocessor CPU 172 of the device can then send a command to the microcontroller MCU 110 embedded in the battery in order either to unlock this protection and reboot the battery to allow it to function again, or to keep the battery in its protection state.
  • An electronic monitoring circuit 150 cooperating with the microcontroller 110 includes calculation algorithms for measuring the amount of charge remaining.
  • the measurement of the amount of charge remaining is based, as in the prior art, on a measurement of current entering and leaving the battery through a resistor 151 called sensing.
  • This resistor 151 is placed in series with respect to the negative pole of the battery.
  • the measurement of the current is made with respect to a potential drop across this resistor 151.
  • the measurement is then analyzed and processed by the embedded MCU microcontroller 110.
  • the calculation algorithms used by the microcontroller MCU to process the data from The measurement can furthermore incorporate other additional parameters such as the age of the battery for example.
  • the monitoring function transmitted the raw data to be processed to the CPU microprocessor of the device, which solicited the monopolization of CPU resources. Thanks to the invention, the raw data are processed by the onboard microcontroller MCU then directly exploitable data, expressed as percentage of remaining charge, are transmitted to the CPU microprocessor of the device.
  • the negative temperature coefficient NTC resistor 120 which could very well be replaced by a positive temperature coefficient (PTC) resistor, makes it possible to provide an indication of the temperature of the battery, which indication is then digitally coded on a bit, for example, by the microcontroller MCU 110. Knowing the temperature makes it possible to better manage the charge function of the battery by authorizing or not charging the battery according to the temperature. Specifically, charging is allowed when the temperature is within an allowable temperature range and charging is stopped when the temperature exceeds either of the two limits of the permitted temperature range.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the identification / authentication function uses an electronic circuit 140 which makes it possible to identify or authenticate the battery for the device for which it is intended. It uses in its most basic versions a fixed code to recognize by the device. In other situations, the identification function uses cryptography for a more reliable security and in this case we speak more about authentication. This circuit can also, for certain applications and in particular in the field of electric vehicles, perform mutual authentication, that is to say that the battery, too, authenticates the vehicle and only works if the vehicle is really compatible and dedicated. Code exchanges are performed via the communication bus B between the microcontroller MCU 110 embedded in the battery 100 and the microprocessor CPU 172 of the device 170.
  • the recharging function consists of recovering electricity from a source of electricity, such as the mains, to transfer it to the battery via the wall charger 180 and an electronic charging circuit 130.
  • circuit uses a charging algorithm specific to the battery technology and injects in a given time, a current corresponding to its initial capacity. Thanks to the invention, it becomes possible to integrate the electronic charging circuit 130 within the intelligent management system 190 of the battery. In this case, because the electronic charging circuit is embedded in the battery 100 and not in the electrical device 170, the device no longer needs to know the battery technology to load it correctly. Therefore, thanks to the invention, it becomes possible to insert any which battery technology in any electrical device, as long as the battery is able to authenticate and is intended to provide an electric current and voltage compatible with the use of the electrical device.
  • connection 174 of the charging function is deported from the device 170 to the battery 100 (connection 131).
  • a bold line schematizes the communication bus B between the microcontroller MCU 110 of the battery 100 and the microprocessor CPU 172 of the device 170.
  • the communication bus can be monofilar. , 2-wire or multi-wire type HDQ, SMBus I 2 C or SPI or any other bus that can provide communication between two electronic components.
  • the electrical device 170 is adapted to include a connection 173 which allows the connection of the battery via this communication bus B.
  • the data on the carrier current that is to say via the power bus C for delivering the load currents.
  • FIG. 2B shows an alternative embodiment of a secondary battery according to the invention.
  • the invention provides - according to this variant 2B - to replace the electronic circuits, respectively protection 160, load 130, 150 monitoring and identification / authentication 140, fulfilling these functions and which are embedded in the intelligent system 190 battery management as described in connection with Figure 2A, an on-board microcontroller 110 adapted for it to achieve directly:
  • a battery 100 cooperates with an electronic device 170 such as a mobile phone for example.
  • the battery 100 comprises an intelligent management system 190 coupled to an accumulator 101.
  • the management system 190 comprises an MCU microcontroller 110 capable of communicating with the microprocessor 172 of the device 170.
  • the microcontroller 110 however differs from that of 2A because it implements directly a monitoring function allowing it to measure the incoming and outgoing current in the battery as well as an accurate measurement of the voltage delivered by the accumulator 101.
  • the microcontroller 110 according to 2B, is adapted to measure a potential difference across a sensing precision resistor. 151 (connections r and gnd). To prevent dissipation by Joule effect, we can focus on a suitable resistance value.
  • the microcontroller 110 can further exploit a negative temperature coefficient CTN resistor 120 for measuring the temperature of the battery.
  • This resistor 120 may be replaced by a positive temperature coefficient resistor.
  • the measurement from 120 can then be digitally coded by the microcontroller 110 and allow it to manage for example the charging function of the battery by allowing or not the charging of the battery according to the measured temperature.
  • the microcontroller 110 can implement a function intended to protect the battery against overvoltages and under-voltages.
  • the microcontroller 110 thus continuously measures the voltage of the battery and acts on switches C1 and C2 materialized for example in the form of transistors.
  • the measurement of the current entering or leaving the battery is (see above) ensured by the microcontroller via the potential difference between the terminals of the sensing precision resistor 151.
  • the use of a precision resistor enables a better measurement of the charging current or overload and therefore reduces the stress of the battery.
  • the return to the normal state can be done by injecting a low current into the battery in case of under-voltages so as to gradually increase its voltage up to a voltage limit to return to the normal state.
  • the rebooting of the battery is entirely controlled by the microcontroller MCU 110.
  • the invention provides that the device 170 can transmit a request for rebooting, via the communication bus B, to ask the microcontroller 110 to accelerate the reboot without waiting for the 'aut odé simple charge' for example.
  • the microcontroller 110 of the battery also makes it possible to identify / authenticate the battery.
  • Said microcontroller can indeed implement any type of cryptographic algorithm to identify or authenticate the battery and transmit the information to an electronic device according to the invention.
  • the code exchanges are carried out via the communication bus B between the microcontroller 110 embedded in the battery 100 and the microprocessor 172 of the device 170.
  • the microcontroller can also implement any type of countermeasures or means guaranteeing the iniolability of cryptographic algorithms and / or manipulated secrets. It is therefore very difficult to hack or divert a battery of its nominal use.
  • the microcontroller 110 also provides a charging function for recharging the battery 101 from an external source of electrical energy - such as a wall charger 180.
  • the invention thus makes it possible to adapt the microcontroller 1 to apply, according to battery technologies, algorithms or sequences of charges of the "constant current", “constant voltage”, “pulsed current”, etc. types.
  • the battery can be recharged independently (independently of the electronic device to which it will be coupled) via a charger perfectly adapted to the battery ensuring the best performance (charging time, capacity, etc.). The life of a battery is thus lengthened compared to that of batteries according to the state of the art which are recharged through host electronic devices to which they are coupled or connected).
  • the charging current is measured by the microcontroller 110, for example via a potential drop across the sensing resistor 151 - also used to provide the monitoring and / or protection functions.
  • the microcontroller uses the measurement and controls a component 131, a power transistor for example, to manage the charge of the accumulator according to a determined charging algorithm.
  • a component 131 a power transistor for example
  • an output ch of the mi crocontr ô 1 eur 110 provides the component 131 an analog or digital signal.
  • the invention provides for using a capacity (not represented in 2B) for filtering a digital signal delivered for an analog conversion.
  • the output ch can deliver a digital signal driving a power transistor 131.
  • the microcontroller 110 can communicate with the processor 172 of a device 170 by means of a monofilar, two-wire or multi-wire communication bus B.
  • the microcontroller as well as the configuration of the electronic components 120, 131, 151, C1, C2, as described in connection with FIG. 2B, are only one exemplary embodiment.
  • the invention is not limited thereto.
  • An alternative configuration would allow positioning of the sensing resistor 151. switches C1 and C2 - in the form of transistors driven by signals delivered by the terminals od and oc of the microcontroller 110 - between the + terminal of the battery 100 and the + terminal of the accumulator 101.
  • the + and B or C terminals of the battery according to 2B could further be merged into a single terminal to reduce the number of connections between a battery according to the invention and a host electronic device, etc.
  • the invention has many advantages. We can mention a gain in volume of the electronic card of the electrical device since the functions related to the management of the battery are implemented by fully integrated components within the battery pack. On the other hand, the resources of the CPU microprocessor of the electrical device can be entirely dedicated to the operation of the device and no longer to the management of the battery as is generally the case with the management systems of the prior art.
  • the electronic charging circuit being integrated within the battery, it is specific to the battery and can deliver currents corresponding to the technology and the real capacity of the battery. The electrical device no longer provides the charging function, can connect to batteries regardless of their technology.
  • the electrical device is informed about the state of a possible protection of the battery and has the possibility to send instructions to maintain the battery. blocking state or unblock the battery and reboot it.
  • the communication bus it is possible to greatly increase the security and allow safer authentication of the battery with respect to the device, or even mutual authentication of the two entities to be connected.
  • the battery management system 190 is advantageously connected to each component 101 of the battery, so that The central processing unit 110 knows which (or which) is the defective component (s) 101.
  • FIGS. 3A to 3C schematize in the form of diagrams, the exchange protocols between the microcontroller MCU 110 of a battery 100 - as described with reference to FIGS. 2A or 2B - and the CPU microprocessor 172 of an electrical device 170 when the battery is connected to said device.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C respectively represent the steps of an authentication protocol, a protection protocol and an exchange protocol making it possible to estimate the quantity of charge remaining in a battery which can be executed for secondary batteries according to the invention.
  • the authentication protocol schematized in FIG. 3A consists in identifying, or authenticating according to the desired level of security, the battery when it is first used with the electrical device or when it is reconnected after a disconnection.
  • the CPU of the device interrogates the MCU of the battery to collect an identification code which is then compared to a code embedded on the device side. The result of the comparison makes it possible to authorize or not the use of the battery as a source of energy.
  • the authentication makes it possible to add additional security by verifying the authenticity of the battery by an encrypted secret code exchange with random generation for example (steps 210 and 211), and simultaneous decoding on the battery side and the device side.
  • the CPU of the device then decrypts the code then compares it with a secret key (step 212) and, depending on the result of the comparison, decides whether or not the battery is compliant (step 215) and dedicated to the device. If the battery is found to be non-compliant (step 214), the device does not work and can for example go into an error mode indicating to the user the non-compliance of the battery. Once the battery is recognized for the electrical device, it is allowed to power the device energy.
  • the authentication protocol is a well known protocol which can be CRC type or SHA-1 type or SHA-2 for example, with a 160-bit coding.
  • the battery is no longer a simple slave of the electrical device and also plays a role in setting up the operation of the device. This can for example apply to electric vehicles.
  • the battery can also authenticate the vehicle by asking for its code and comparing it to another secret key. If one of the two entities is found to be non-compliant by the other, the device does not work.
  • the battery can become locked in protected mode following an overvoltage, short-circuit, current overload or electrical heating event (step 300).
  • the microcontroller MCU 110 of the battery sends to the microprocessor CPU 172 of the device the status of the mode protection, that is, the nature of the protection, depending on the cause that caused it, and its state (step 301).
  • the microprocessor CPU of the device checks whether the battery is protected (step 302) and, if it is, it can then send the microcontroller MCU instructions or commands to either maintain protection or to reboot the battery (step 303).
  • the embedded MCU microcontroller then controls the protection components 160 and / or charge 130 to reboot a battery as described in Figure 2A for example (step 304). If the battery is not locked in protected mode, it can power the device power without problem (step 305).
  • the device can thus be able to distinguish between a battery that has become really unusable and a battery that is in a protective situation.
  • the device has the possibility to send instructions to reboot, which was not possible with the existing batteries so far.
  • FIG. 3C illustrates the information exchanges during an estimation of the amount of charge remaining in connection with a battery 100 as described with reference to FIG. 2A.
  • the electronic monitoring circuit 150 measures the current entering and leaving the battery and sends this measurement (step 401) to the microcontroller MCU embedded in the battery.
  • the MCU analyzes this raw data allowing it to make an accurate estimate of the amount of remaining charge QR, which it sends to the microprocessor CPU of the electrical device (step 402).
  • the microprocessor CPU 172 of the device then compares this quantity QR with a predefined threshold value VS (step 403). If the remaining quantity QR is greater than the threshold value VS, the battery can still power the device without problems (step 404). On the other hand, when the quantity QR is lower than the threshold value VS, the microprocessor CPU returns a message to indicate that the load is insufficient (step 405).
  • the device can warn the user that it is time to charge the battery (step 406).
  • the microcontroller MCU 110 of the battery sends a command to the electronic charging circuit 130 to charge the battery (step 408).
  • the monitoring circuit 150 performs its measurement (step 409) and sends it back to the central processing unit MCU 110 (step 410) throughout the charging phase to allow the central processing unit MCU to send to the microprocessor of the device the evolution of the remaining amount of charge QR (step 411).
  • the microprocessor CPU 172 of the device then checks whether the load is complete or not (step 412). If complete, the device indicates that the charger can be unplugged and the battery can power the device autonomously (step 413). On the other hand, if the charge is incomplete (step 414), the CPU MCU 110 of the battery continues to control the charging circuit (step 408) and steps 408 to 412 are repeated until charging is complete. battery.
  • the information on the remaining amount of charge is sent by the microcontroller MCU battery to microprocessor CPU of the device periodically, either on the own initiative of the microcontroller, or on request of the microprocessor of the device. This information can also be sent on the own initiative of the battery microcontroller when the amount of remaining charge varies very significantly.
  • the battery is managed optimally in relation to its actual capacity, so that its life is considerably increased.
  • Such a method can be applied in the same way to a battery such as that described with reference to FIG. 2B.
  • the respective functions of monitoring and charging components 150 and 130 are then provided by the microcontroller 110 - as previously described.

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Abstract

L'invention concerne une batterie, comprenant au moins un accumulateur pour stocker puis restituer de l'énergie électrique et alimenter en énergie un dispositif électrique. Ladite batterie comporte une unité centrale de traitement apte à communiquer audit dispositif électrique des informations sur son état à partir de mesures réalisées au sein de la batterie et analysées par ladite unité centrale de traitement. L'unité de traitement d'une telle batterie communique au dispositif hôte des informations précises et fiables permettant d'optimiser la capacité et la durée de vie de la batterie.

Description

Batterie adaptée pour permettre le recueil d' informations fiables sur son état afin d' améliorer sa durée de vie
La présente invention concerne une batterie de type rechargeable quelle que soit sa technologie. Une batterie rechargeable est encore dénommée batterie secondaire pour la distinguer d'une batterie non rechargeable également nommée batterie primaire.
Il existe actuellement de nombreuses technologies de batteries parmi lesquelles on peut citer par exemple les batteries Pb-acide, les batteries NiCd, NiMH, Li- Ion, etc. L'invention vise plus particulièrement la gestion des batteries au cours du temps, par exemple la gestion de leur charge en fonction de leur capacité pour optimiser leur utilisation et leur durée de vie. De manière plus générale, l'invention concerne la gestion de toutes informations relatives à l'état d'une batterie secondaire.
Les batteries secondaires sont destinées à équiper et alimenter en énergie tous types de dispositif portable tels que par exemple des appareils photo ou des lecteurs MP3 ou des jouets ou des systèmes de sauvegarde utilisés dans le domaine médical ou spatial par exemple mais aussi des véhicules électriques, tels que voitures, motocyclette, bicyclettes par exemple. Ce type de batterie intègre en général un accumulateur associé à un circuit électronique de protection qui assure la protection électrique de la batterie contre les courts-circuits, les sous-tensions, les surtensions ou encore contre un échauffement d'origine électrique. D' autres batteries sont destinées à être implantées dans des dispositifs pour lesquels il est très important de connaître la quantité de charge restante dans la batterie afin de mieux connaître ou estimer le moment où il faudra la recharger voire la remplacer. Typiquement, cette information est critique pour les systèmes de sauvegarde utilisés dans le domaine médical ou spatial par exemple. Dans ce cas, les dispositifs dans lesquels sont insérées les batteries comprennent un circuit électronique traditionnellement appelé circuit de monitoring, ou encore fuel-gauging ou gas- gauging en terminologie anglo-saxonne. Ce circuit électronique permet de mesurer la quantité de charge restante dans l'accumulateur de la batterie.
Le schéma de la figure 1 illustre de manière schématique un système actuel de gestion d'une batterie secondaire. Un tel système est implanté partiellement dans un dispositif 30 fonctionnant avec une batterie 20 et dans la batterie elle-même. Les circuits électroniques de protection 21 et d'identification ou d' authentification 23 sont en général implantés dans la batterie 20, tandis que les circuits de monitoring 33 et charge 35 sont implantés dans le dispositif 30.
La charge est la principale fonction de la gestion d'une batterie secondaire. Elle consiste à récupérer de l'électricité depuis une source électrique, telle que le secteur, pour la transférer vers l'accumulateur 101 de la batterie 20 lorsque celui-ci est complètement ou partiellement déchargé par le dispositif 30 que la batterie alimente. La récupération de l'électricité se fait traditionnellement par l'intermédiaire d'un chargeur mural 36 et d'un circuit électronique de charge 35. Ce circuit 35 utilise un algorithme de charge qui est spécifique à la technologie de la batterie et qui commande l'injection, en un temps donné, d'un courant de charge correspondant à sa capacité initiale. Le circuit de charge 35 est géré par le microprocesseur 32 du dispositif 30. Il monopolise ainsi des ressources du microprocesseur 32, lequel ne peut donc fonctionner à plein régime et présente des ressources limitées pour le fonctionnement du dispositif. De plus, bien que les courants de charge doivent être spécifiques en fonction de la technologie de la batterie, il est très difficile, pour le circuit de charge 35 commandé par le microprocesseur CPU 32 du dispositif, de délivrer des courants de charge correspondant à la capacité réelle de la batterie. Ceci est dû au fait que la fonction charge des dispositifs est conçue par les fabricants de dispositifs et non par le fabriquant de batteries, si bien que le circuit électronique de charge est conçu pour une multitude de batteries ayant des capacités différentes. En général, les courants de charge sont soit trop élevés soit moins élevées par rapport à la capacité réelle de l'accumulateur de la batterie. Dans le premier cas, les courants de charges trop élevés limitent considérablement la durée de vie de la batterie puisque celle-ci se retrouve continuellement surchargée en courant au moment de la charge par rapport à sa capacité. Dans le deuxième cas, où les courants de charge sont insuffisants, les temps de charges sont considérablement rallongés voire même les processus de charge n'arrivent jamais à terme du fait des dépassements de délais de charges recommandés. La charge utile de la batterie est alors très en deçà de sa capacité réelle. L'utilisation du dispositif électrique destiné à être alimenté par la batterie est ainsi grandement limitée dans le temps, le dispositif présentant une autonomie très réduite.
Les batteries secondaires actuelles sont également et généralement pourvues d'une fonction électrique capable de mesurer la température de la batterie. Cette fonction électrique est alors réalisée par exemple au moyen d'une résistance à coefficient de température négatif 22, notée CTN, qui permet de calculer la température de la batterie en fonction de la valeur de la résistance, qui diminue de manière uniforme avec la température. Cette mesure peut également être réalisée avec une résistance à coefficient de température positif CTP. On mesure donc la différence de potentiel entre la borne ts (acronyme pour « température sensor » en terminologie anglo-saxonne) et le potentiel de référence ou masse par exemple, à travers cette résistance pour connaître la température de la batterie. Le dispositif électrique 30 comprend alors un double comparateur pour comparer la température mesurée aux deux seuils d'une plage de température acceptable pour autoriser la charge. Ainsi, par exemple le dispositif électrique autorise la charge lorsque la température mesurée se situe entre 0 et 40°C alors qu'il commande l'arrêt de la charge lorsque la température dépasse l'une ou l'autre de ces deux bornes .
Certaines applications nécessitent par ailleurs une connaissance de la charge restante pour l'utilisateur. Il s'agit d'une fonction de gestion de la quantité de charge restante qui est réalisée par le biais d'un circuit électronique dénommé monitoring 33 qui permet de mesurer la quantité de charge entrante et sortante. Cette information est plus ou moins précise selon les besoins et la qualité requise de l'information pour le dispositif utilisé. Ainsi, pour un dispositif ou l'absence de charge dans la batterie ne présente aucun caractère critique, l'information sur la charge restante est très sommaire voire même complètement absente. Par contre, pour des dispositifs pour lesquels cette information est critique, tels que les véhicules électriques par exemple, la charge restante est donnée de manière plus précise sous forme d'affichage en pourcentage. Le circuit électronique de monitoring 33 permet de mesurer la quantité de charge restante dans la batterie. Cette mesure permet ensuite d'adapter la charge en fonction de la quantité restante .
La fonction monitoring 33, permettant de calculer la quantité de charge restante, utilise une mesure de courant entrant et sortant de la batterie à travers une résistance dite de sensing 34. La mesure du courant se fait par rapport à la chute de potentiel à travers la résistance 34. Cependant cette mesure de la quantité de charge restante reste très approximative du fait des résistances parasites de routage et de liaison entre le dispositif électrique et la batterie, qui ne sont pas prises en compte. Par conséquent, la précision de la mesure est très limitée. La mesure erronée de la quantité de charge restante engendre donc une limitation de la durée de vie de la batterie secondaire puisqu'elle se retrouve surchargée en courant au moment de la charge par rapport à sa capacité réelle.
De plus, le circuit de monitoring 33 est classiquement implanté dans le dispositif électrique 30 et utilise la puissance de calcul du microprocesseur 32 embarqué dans le dispositif 30. De ce fait, le circuit 33, tout comme le circuit de charge 35, monopolise des ressources du microprocesseur CPU 32, lequel ne peut donc fonctionner à plein régime et présente des ressources limitées pour le fonctionnement du dispositif .
Le circuit électronique de protection 21 assure la protection électrique de la batterie contre les courts- circuits, les surtensions, ou encore la surchauffe en température d'origine électrique. Le circuit de protection 21 permet donc, par le biais d'une mesure continue de la tension aux bornes de l'accumulateur de la batterie, de le protéger des sous-tensions, en agissant directement sur des commutateurs Cl et C2. Ces commutateurs sont en général matérialisés par des transistors de puissance. De même, des courants d'utilisation trop importants peuvent générer des surchauffes ou des courts-circuits. Le circuit de protection mesure donc le courant entrant et sortant dans la batterie à travers la résistance équivalente des commutateurs Cl et C2. Cette mesure permet de déduire le dépassement d'une valeur limite prédéfinie de chute de potentiel à travers les commutateurs Cl et C2. Dans ce cas, le circuit électronique de protection commande les commutateurs Cl et C2 pour ouvrir le chemin de passage du courant et protège ainsi la batterie .
D'autre part, lorsque le circuit de protection se déclenche pour bloquer la batterie dans un état de protection, le dispositif électrique 30 n'a aucune information sur l'état ou la nature de la protection et ne sait pas faire la différence entre une batterie morte et une batterie en état de protection. Le dispositif n'a donc aucun moyen de débloquer la protection de la batterie. Cette-dernière reste figée jusqu'à la fin de la cause qui a déclenché la protection .
Par conséquent, les informations sur l'état des batteries recueillies par le microprocesseur 32 des dispositifs électriques 30 auxquels ces batteries sont connectées, ne sont pas fiables car elles sont très souvent erronées ou en tout cas trop parcellaires. Aussi, un objet de la présente invention consiste à proposer une batterie, comprenant au moins un accumulateur pour stocker puis restituer de l'énergie électrique, une unité centrale de traitement apte à communiquer à un dispositif électrique - alimenté en énergie par ladite batterie - des informations sur l'état de cette dernière, lesdites informations étant obtenues à partir d'au moins une mesure réalisée au sein de la batterie et analysée par l'unité centrale de traitement. Selon l'invention, une telle batterie comporte des moyens pour évaluer la quantité de charge restante de la batterie et piloter la charge du au moins un accumulateur selon la quantité de charge restante évaluée.
L'invention porte également sur un dispositif électrique destiné à être alimenté en énergie par la batterie et comportant un moyen de communication pour assurer un échange d' informations entre la batterie et lui-même pour être informé d'un changement d'état de la batterie. Selon l'invention, un tel dispositif comporte des moyens pour délivrer à la batterie les courants de charges nécessaires à son chargement.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de communication entre une batterie et un dispositif conformes à l'invention, comportant les étapes consistant à :
informer le dispositif d'un changement d'état de la batterie, lorsque la quantité de charge restante est inférieure à une valeur seuil,
- transmettre une instruction à l'unité centrale de traitement de la batterie pour recharger la batterie .
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées qui représentent :
la figure 1, déjà décrite, un schéma de fonctionnement d'une batterie secondaire selon l'art antérieur, lorsqu'elle alimente un dispositif électrique,
- la figure 2A et 2B, respectivement un premier et un deuxième schéma de fonctionnement d'une batterie secondaire selon l'invention connectée à un dispositif électrique qu'elle alimente en énergie,
- les figures 3A à 3C, des diagrammes schématisant les étapes d'un protocole de communication entre une batterie selon l'invention et un dispositif électrique qu'elle alimente en énergie.
Dans la suite de la description, on parle « d'accumulateur » de batterie pour désigner aussi bien un seul composant, que l'on appelle aussi couramment cellule, apte à stocker de l'énergie électrique puis à la restituer ultérieurement, qu'un ensemble comprenant plusieurs de ces composants ou cellules. Nous utilisons également le terme de « batterie » pour caractériser un assemblage formé d'un accumulateur - tel que précédemment défini - et une électronique contrôlant ledit accumulateur. Dans la littérature, un tel assemblage est également nommé « pack de batterie ».
Conformément à l'invention, la batterie est modifiée de sorte qu'elle intègre une unité centrale de traitement capable d'une part d'analyser et de traiter des données brutes obtenues à partir de mesures faites au sein de la batterie et, d'autre part, de communiquer les informations issues de ce traitement et relatives à l'état de la batterie, au microprocesseur du dispositif électrique qu'elle alimente en énergie. Ainsi, par exemple, dans sa conception la plus simple, la batterie communique, via une unité de traitement embarquée, au microprocesseur du dispositif électrique, des informations telles que sa date de fabrication par exemple . Grâce à la date de fabrication, le dispositif peut alors estimer quelle est la quantité de charge restante dans la batterie et estimer sa durée de vie avant rechargement.
La figure 2A schématise un premier exemple de batterie secondaire 100 ainsi que ses connexions avec un dispositif électrique 170 qu'elle alimente en énergie .
Sur le schéma représenté en figure 2A, le dispositif électrique 170 est représenté par un téléphone muni d'un écran 171. Bien sûr, la batterie peut être destinée à alimenter tout autre type de dispositif électrique comme par exemple des dispositifs portables audio et/ou vidéo, des consoles de jeux vidéo, des appareils photos numériques ou caméra, des ordinateurs portables, mais aussi des véhicules électriques que ce soit voiture, motocyclette ou bicyclette ou encore des outils de puissance etc.
La batterie 100 schématisée sur la figure 2A comporte un système intelligent de gestion de batterie 190. Ce système intelligent regroupe essentiellement une unité centrale de traitement 110 apte à communiquer au dispositif électrique 170 des informations sur l'état de la batterie. Ces informations sur l'état de la batterie sont par exemple des informations de base telles que le numéro de lot de la batterie ou sa date de fabrication qui peuvent être préenregistrées dans l'unité de traitement 110.
D' autres informations peuvent être obtenues à partir de mesures réalisées au sein de la batterie et analysées par ladite unité centrale de traitement. Cette unité centrale de traitement 110 est matérialisée soit par un microprocesseur, noté CPU, ou un microcontrôleur, noté MCU. Par la suite nous parlerons de microcontrôleur MCU, pour désigner cette unité 110, sachant que ce terme couvre aussi bien le microcontrôleur que le microprocesseur.
Le microcontrôleur 110 embarqué dans la batterie est apte à communiquer des informations, par le biais d'un bus de communication B, au microprocesseur CPU 172 du dispositif électrique 170.
On peut également y adjoindre une ou plusieurs autres fonctions électriques telles que la protection, le monitoring et l'identification/ authentification, grâce à des circuits électroniques, respecti ement de protect i on 1 60 , de monitoring 150 et d' identification/authentification 140, remplissant ces fonctions et qui sont embarqués dans le système intelligent 190 de gestion de la batterie et connectés au microcontrôleur embarqué 110.
Ainsi, le circuit électronique de protection 160 permet de protéger la batterie contre des courts- circuits, des surtensions, des surcharges en courant ou encore contre 1 ' échauffement d'origine électrique. Pour cela, tout comme les circuits électroniques de protection existants et déjà décrits en regard de la figure 1, le circuit permet, par le biais d'une mesure continue de la tension de la batterie, de la protéger des surtensions ou des sous-tensions en agissant directement sur les commutateurs Cl et C2. De même, ce circuit mesure aussi le courant entrant et sortant dans la batterie à travers la résistance équivalente des commutateurs Cl et C2. Cette mesure permet de déduire le dépassement d'une valeur limite prédéfinie de chute de potentiel à travers les commutateurs Cl et C2. Dans ces cas, le circuit de protection 160 commande les commutateurs Cl et C2 pour ouvrir le chemin de passage du courant et protéger ainsi la batterie.
L'avantage d'avoir un microcontrôleur MCU 110 dans la batterie permet au circuit électronique de protection 160 de lui transmettre des informations sur l'état et la nature de la protection. Le MCU 110 peut alors communiquer ces informations au microprocesseur CPU 172 du dispositif 170 par le biais du bus de communication B. Le dispositif peut donc connaître la cause qui a déclenché la mise en protection de la batterie et la manière dont la batterie a été protégée. Le microprocesseur CPU 172 du dispositif peut alors renvoyer une instruction au microcontrôleur MCU 110 embarqué dans la batterie en vue soit de débloquer cette protection et réamorcer la batterie pour lui permettre de fonctionner à nouveau, soit de maintenir la batterie dans son état de protection.
Un circuit électronique de monitoring 150 coopérant avec le microcontrôleur 110, comporte des algorithmes de calcul pour mesurer la quantité de charge restante. La mesure de la quantité de charge restante est basée, comme dans l'art antérieur, sur une mesure de courant entrant et sortant de la batterie à travers une résistance 151 dite de sensing. Cette résistance 151 est placée en série par rapport au pôle négatif de la batterie. La mesure du courant se fait par rapport à une chute de potentiel à travers cette résistance 151. La mesure est ensuite analysée et traitée par le microcontrôleur MCU embarqué 110. Pour cela, les algorithmes de calcul utilisés par le microcontrôleur MCU pour traiter les données issues de la mesure peuvent en outre intégrer d' autres paramètres supplémentaires tels que l'âge de la batterie par exemple. La mesure du courant à travers la résistance 151 étant réalisée au plus près de la batterie, il n'y a plus aucune résistance parasite pouvant fausser la mesure, et les paramètres supplémentaires intégrés dans les calculs apportent encore plus de précision dans l'estimation de la quantité de charge restante. Cette estimation étant très précise, la batterie peut être rechargée en fonction de sa capacité réelle, elle ne subit plus de surcharge constante, et sa durée de vie s'en trouve donc grandement améliorée. Dans les systèmes de l'art antérieur, la fonction monitoring transmettait les données brutes à traiter au microprocesseur CPU du dispositif, ce qui sollicitait la monopolisation des ressources du CPU. Grâce à l'invention, les données brutes sont traitées par le microcontrôleur MCU embarqué puis les données directement exploitables, exprimées en pourcentage de charge restante, sont transmises au microprocesseur CPU du dispositif.
La résistance CTN à coefficient de température négatif 120, qui pourrait très bien être remplacée par une résistance à coefficient de température positif (CTP) , permet de fournir une indication sur la température de la batterie, cette indication étant ensuite codée de manière numérique, sur un bit par exemple, par le microcontrôleur MCU 110. Le fait de connaître la température permet de mieux gérer ensuite la fonction de charge de la batterie en autorisant, ou non, la charge de la batterie en fonction de la température. Plus précisément, la charge est autorisée lorsque la température se trouve dans une plage de température autorisée et la charge est arrêtée lorsque la température dépasse l'une ou l'autre des deux bornes de la plage de températures autorisées.
La fonction identification/authentification fait appel à un circuit électronique 140 qui permet d'identifier ou d'authentifier la batterie pour le dispositif pour lequel elle est destinée. Elle utilise dans ses versions les plus élémentaires un code figé à reconnaître par le dispositif. Dans d'autres situations la fonction d' identification fait appel à la cryptographie pour une sécurisation plus fiable et dans ce cas on parle plus d' authentification . Ce circuit peut également, pour certaines applications et notamment dans le domaine des véhicules électriques, réaliser une authentification mutuelle, c'est-à-dire que la batterie, elle aussi, authentifie le véhicule et ne fonctionne que si le véhicule lui est vraiment compatible et dédié. Les échanges de codes sont réalisés via le bus B de communication entre le microcontrôleur MCU 110 embarqué dans la batterie 100 et le microprocesseur CPU 172 du dispositif 170.
Indépendamment de leur technologie, les batteries secondaires nécessitent une recharge afin de restituer totalement ou partiellement leur charge. Selon l'invention, la fonction de recharge consiste à récupérer l' électricité depuis une source d'électricité, telle que le secteur, pour la transférer vers la batterie par l'intermédiaire du chargeur mural 180 et un circuit électronique de charge 130. Ce circuit utilise un algorithme de charge spécifique à la technologie de la batterie et injecte en un temps donné, un courant correspondant à sa capacité initiale. Grâce à l'invention, il devient possible d'intégrer le circuit électronique de charge 130 au sein même du système intelligent de gestion 190 de la batterie. Dans ce cas, du fait que le circuit électronique de charge est embarqué dans la batterie 100 et non plus dans le dispositif électrique 170, le dispositif n'a plus besoin de connaître la technologie de la batterie pour la charger correctement. Par conséquent, grâce à l'invention, il devient possible d'insérer n'importe quelle technologie de batterie dans n' importe quel dispositif électrique, du moment que la batterie puisse s'authentifier et qu'elle est destinée à fournir un courant électrique et une tension compatibles avec l'utilisation du dispositif électrique.
L'ensemble des connexions d'alimentation existantes du dispositif électrique pour fournir l'énergie est conservé, à ceci près que la connexion 174 de la fonction charge est déportée depuis le dispositif 170 vers la batterie 100 (connexion 131) . Cela signifie que, grâce à l'invention, il devient possible de charger la batterie seule, indépendamment du dispositif électrique. De plus, cela permet d'avoir un circuit électronique de charge spécifique à la technologie de la batterie et donc de fournir des courants de charge correspondant à sa capacité réelle.
Sur le schéma de la figure 2A, un trait gras schématise le bus B de communication entre le mi c r o c o n t r ô 1 eu r MCU 110 de la batterie 100 et le microprocesseur CPU 172 du dispositif 170. En fait, le bus de communication peut être monofilaire, bifilaire ou multifilaire de type HDQ, SMBus I2C ou SPI ou tout autre bus pouvant assurer une communication entre deux composants électroniques. Le dispositif électrique 170 est adapté pour comprendre une connexion 173 qui permet le raccordement de la batterie via ce bus de communication B.
Dans une variante de réalisation, destinée à réduire le nombre de fils, il est possible de communiquer les données sur courant porteur, c'est-à- dire par l'intermédiaire du bus de puissance C permettant de délivrer les courants de charge. Cela permet de réduire le nombre de connexions à trois pour le pack batterie : les pôles positif et négatif et le bus de communication/alimentation. Dans une autre variante de réalisation, il est possible de prévoir un moyen de communication sans contact entre le microprocesseur 172 du dispositif et le microcontrôleur MCU 110 de la batterie et utiliser pour cela un protocole de communication sans contact de type bluetooth, NFC ou encore wifi par exemple.
La figure 2B présente une variante de réalisation d'une batterie secondaire conforme à l'invention.
Pour pouvoir adjoindre une ou plusieurs fonctions électriques telles que la protection, la charge, le monitoring et l'identification/ authentification, l'invention prévoit - selon cette variante 2B - de remplacer les circuits électroniques, respectivement de protection 160, de charge 130, de monitoring 150 et d' identification/authentification 140, remplissant ces fonctions et qui sont embarqués dans le système intelligent 190 de gestion de la batterie telle que décrite en liaison avec la figure 2A, par un microcontrôleur embarqué 110 adapté pour qu'il puisse réaliser directement :
la mesure du courant entrant et sortant de la batterie ;
la protection électrique de la batterie ; - évaluer la quantité de charge restante ;
assurer la charge de la batterie en fonction de ladite quantité de charge restante ;
permettre une authentification de la batterie par le dispositif électrique auquel est connecté la batterie.
Ainsi, selon la figure 2B, une batterie 100 coopère avec un dispositif électronique 170 tel qu'un téléphone portable par exemple. La batterie 100 comporte un système de gestion intelligent 190 couplé à un accumulateur 101. Le système de gestion 190 comporte un microcontrôleur MCU 110 apte à communiquer avec le microprocesseu r 172 du dispositi f 170. Le microcontrôleur 110 se distingue toutefois de celui selon 2A car il met en œuvre directement une fonction de monitoring lui permettant de mesurer le courant entrant et sortant dans la batterie ainsi qu'une mesure précise de la tension délivrée par l'accumulateur 101. Le microcontrôleur 110, selon 2B, est adapté pour mesurer une différence de potentiel aux bornes d'une résistance de précision de sensing 151 (connexions r et gnd) . Pour prévenir toute dissipation par effet de joule, on pourra privilégier une valeur de résistance adaptée .
Le microcontrôleur 110 peut exploiter en outre une résistance CTN à coefficient de température négatif 120 pour mesurer la température de la batterie. Cette résistance 120 peut être remplacée par une résistance à coefficient de température positif. La mesure issue de 120 peut être ensuite codée de manière numérique par le microcontrôleur 110 et lui permettre de gérer par exemple la fonction de charge de la batterie en autorisant, ou non, la charge de la batterie en fonction de la température mesurée.
Selon la figure 2B, le microcontrôleur 110 peut mettre en œuvre une fonction visant à protéger la batterie contre les surtensions et les sous-tensions. Le microcontrôleur 110 mesure ainsi continuellement la tension de la batterie et agit sur des commutateurs Cl et C2 matérialisés par exemple sous la forme de transistors. La mesure du courant entrant ou sortant dans la batterie est (voir supra) assurée par le microcontrôleur via la différence de potentiel entre les bornes de la résistance de précision de sensing 151. L'utilisation d'une résistance de précision permet une meilleure mesure du courant de charge ou de surcharge et par conséquent permet de réduire le stress de la batterie. Le retour à l'état normal peut se faire par une injection d'un faible courant dans la batterie en cas de sous-tensions de façon à augmenter progressivement sa tension jusqu'à une tension limite de retour à l'état normal. Dans le cas d'une surtension, c'est par exemple au moyen d'une décharge à faible courant ou par autodécharge simple de la batterie qu'un réamorçage de la batterie devient possible. Selon ce mode de réalisation de l'invention, le réamorçage de la batterie est entièrement contrôlé par le microcontrôleur MCU 110. L'invention prévoit que le dispositif 170 puisse transmettre une requête de réamorçage, via le bus de communication B, pour demander au microcontrôleur 110 d'accélérer le réamorçage sans attendre 1 ' aut odé charge simple par exemple .
Selon la figure 2B, le microcontrôleur 110 de la batterie permet e n o u t r e une identification/authentification de la batterie. Ledit microcontrôleur peut en effet mettre en œuvre tout type d'algorithme cryptographique pour identifier ou authentifier la batterie et transmettre l'information à un dispositif électronique conforme à l'invention. Pour certaines applications et notamment dans le domaine des véhicules électriques, il est possible de réaliser une authentification mutuelle afin que la batterie puisse elle-même authentifier le véhicule et ne fonctionne que si le véhicule lui est réellement compatible et dédié. Les échanges de codes sont réalisés via le bus B de communication entre le microcontrôleur 110 embarqué dans la batterie 100 et le microprocesseur 172 du dispositif 170. Le microcontrôleur peut en outre mettre en œuvre tout type de c o n t r e me s u r e s ou moyens garantissant l' in iolabilité des algorithmes cryptographiques et/ou des secrets manipulés. Il devient dès lors très difficile de pirater ou de détourner une batterie de son usage nominal.
Lesdits algorithmes et secrets peuvent en outre être mis en jour en toute sécurité selon les besoins.
Dans le cas d'une batterie secondaire telle que celle décrite en liaison avec la figure 2B, le microcontrôleur 110 assure en outre une fonction de charge pour recharger l'accumulateur 101 depuis une source d'énergie électrique externe - telle qu'un chargeur mural 180. L'invention permet ainsi d'adapter le m i c r o c o n t r ô 1 e u r pour appliquer, selon les technologies d'accumulateurs, des algorithmes ou séquences de charges de types « courant constant », « tension constante », « courant puisé », etc. La batterie peut être ainsi rechargée en toute autonomie (indépendamment du dispositif électronique auquel elle sera couplée) par l'intermédiaire d'un chargeur parfaitement adapté à la batterie garantissant les meilleurs performances (temps de charge, capacité, etc.) . La durée de vie d'une batterie est ainsi allongée au regard de celle des batteries selon l'état de la technique qui sont rechargées au travers de dispositifs électroniques hôtes auxquels elles sont couplées ou connectées) . Selon la figure 2B, le courant de charge est mesuré par le microcontrôleur 110 par exemple via une chute de potentiel à travers la résistance de sensing 151 - également utilisée pour assurer les fonctions de monitoring et/ou de protection. Le microcontrôleur exploite la mesure et pilote un composant 131, un transistor de puissance par exemple, pour gérer la charge de l'accumulateur selon un algorithme de charge déterminé. Ainsi pour une charge de type « courant constant - tension constante » une sortie ch du mi c r o c o n t r ô 1 e u r 110 délivre au composant 131 un signal analogique ou numérique. Selon un mode de réalisation, l'invention prévoit d'utiliser une capacité (non représentée en 2B) pour filtrer un signal numérique délivré pour une conversion analogique. Pour mettre en œuvre une charge de type « courant puisé », la sortie ch peut délivrer un signal numérique pilotant un transistor de puissance 131.
Tout comme pour un mode de réalisation conforme à la figure 2A, le microcontrôleur 110 selon la figure 2B peut communiquer avec le processeur 172 d'un dispositif 170 au moyen d'un bus de communication B monofilaire, bifilaire ou multifilaire .
Le microcontrôleur ainsi que la configuration des composants électroniques 120, 131, 151, Cl, C2, tels que décrits en liaison avec la figure 2B, ne sont qu'un exemple de réalisation. L'invention n'est pas limitée à celui-ci. Parmi l'ensemble de variantes possibles, nous pouvons mentionner à titre d'exemple, la possibilité de positionner la résistance de sensing 151 entre la borne + de l' accumulateur 101 et la borne r du microcontrôleur 110. Une configuration alternative permettrait de positionner les commutateurs Cl et C2 - sous la forme de transistors pilotés par des signaux délivrés par les bornes od et oc du microcontrôleur 110 - entre la borne + de la batterie 100 et la borne + de l'accumulateur 101. Les bornes + et B ou C de la batterie selon 2B pourraient en outre être fusionnées en une seule et unique borne pour réduire le nombre de connexions entre une batterie conforme à l'invention et un dispositif électronique hôte, etc.
Quel que soit le mode de réalisation, l'invention présente de nombreux avantages. Nous pouvons mentionner un gain en volume de la carte électronique du dispositif électrique puisque les fonctions liées à la gestion de la batterie sont mises en œuvre par des composants entièrement intégrés au sein du bloc batterie. D'autre part, les ressources du microprocesseur CPU du dispositif électrique peuvent entièrement être dédiées au fonctionnement du dispositif et non plus à la gestion de la batterie comme c'est généralement le cas avec les systèmes de gestion de l'art antérieur. Le circuit électronique de charge étant intégré au sein de la batterie, il est spécifique à la batterie et peut délivrer des courants correspondant à la technologie et à la capacité réelle de la batterie. Le dispositif électrique n'assurant plus la fonction de charge, peut se connecter à des batteries quelle que soit leur technologie. La mesure permettant d'estimer la quantité de charge restante étant effectuée au plus près de la batterie, il n'y a plus de résistance parasite perturbant la mesure et engendrant des informations erronées . La durée de vie de la batterie s'en trouve donc considérablement augmentée. Par ailleurs, grâce au bus de communication entre les deux unités de traitement disposées côté batterie et côté dispositif, le dispositif électrique est renseigné sur l'état d'une protection éventuelle de la batterie et a la possibilité d'envoyer des instructions pour maintenir l'état de blocage ou débloquer la batterie et la réamorcer. De plus, du fait de la présence du bus de communication, il est possible d' augmenter grandement la sécurité et permettre une authentification plus sécuritaire de la batterie par rapport au dispositif, voire même une authentification mutuelle des deux entités à connecter. Pour améliorer cette sécurité, il est en outre possible de prévoir une m i s e à j o u r d e s a l g o r i t h m e s d' identification/authentification de la batterie par une communication d' informations et une programmation de l'unité centrale de traitement de la batterie, via le dispositif électrique hôte de la batterie par exemple .
Par ailleurs, lorsque la batterie comprend plusieurs composants ou cellules 101, capables de stocker de l'énergie puis de la restituer ultérieurement, le système de gestion 190 de la batterie est avantageusement connecté à chaque composant 101 de la batterie, de sorte que, l'unité centrale de traitement 110 sait quel est (ou quels sont) le (ou les) composant (s) 101 défaillant ( s ) .
Enfin, grâce à l'invention, il est possible de créer différentes gammes de batterie en réalisant des batteries « à la carte », avec un ou plusieurs circuits électroniques. Il est aussi possible de prévoir une batterie intégrant tous les circuits électroniques, pour les avoir à disposition, les circuits pouvant être activés ou désactivés par le microcontrôleur embarqué en fonction des utilisations souhaitées. De la même manière, on peut aisément réaliser des batteries « à la carte » en paramétrant et/ou activant les fonctions offertes par un microcontrôleur MCU tel que celui décrit en liaison avec la figure 2B.
Les figures 3A à 3C schématisent sous forme de diagrammes, les protocoles d'échange entre le microcontrôleur MCU 110 d'une batterie 100 - telle que celle décrite en liaison avec les figures 2A ou 2B - et le microprocesseur CPU 172 d'un dispositif électrique 170 lorsque la batterie est connectée audit dispositif.
Les figures 3A, 3B et 3C représentent respectivement les étapes d'un protocole d' authentification, d'un protocole de protection et d'un protocole d'échange permettant d'estimer la quantité de charge restante dans une batterie qui peuvent être exécutées pour des batteries secondaires conformes à l'invention. Le protocole d' authentification schématisé sur la figure 3A consiste à identifier, ou authentifier selon le niveau de sécurité souhaité, la batterie lors de sa première utilisation avec le dispositif électrique ou lorsqu'elle est reconnectée après une déconnexion. Dans le cas le plus simple et le moins sécuritaire, consistant en une simple identification, le CPU du dispositif interroge le MCU de la batterie pour recueillir un code d' identification qui est ensuite comparé à un code embarqué côté dispositif. Le résultat de la comparaison permet d'autoriser ou non l'utilisation de la batterie en tant que source d'énergie. Ce niveau d'identification n'est cependant pas très sécuritaire car le code peut être facilement récupéré pour être utilisé dans des batteries contrefaites. L' authentification permet de rajouter une sécurité supplémentaire en vérifiant l'authenticité de la batterie par un échange de code secret crypté à génération aléatoire par exemple (étapes 210 et 211), et décodage simultané côté batterie et côté dispositif.
Le CPU du dispositif décrypte alors le code puis le compare à une clé secrète (étape 212) et, en fonction du résultat de la comparaison, décide si, oui ou non, la batterie est conforme (étape 215) et dédiée au dispositif. Si la batterie est jugée non conforme (étape 214), le dispositif ne fonctionne pas et peut par exemple se mettre dans un mode erreur indiquant à l'utilisateur la non-conformité de la batterie. Une fois la batterie reconnue pour le dispositif électrique, elle est autorisée à alimenter le dispositif en énergie. Le protocole d' authentification est un protocole bien connu qui peut être de type CRC ou de type SHA-1 ou SHA-2 par exemple, avec un codage sur 160 bits.
Dans une autre application un peu plus complexe, on peut réaliser une authentification mutuelle. Dans ce cas, la batterie n'est plus un simple esclave du dispositif électrique et joue aussi un rôle dans la mise en place du fonctionnement du dispositif. Cela peut par exemple s'appliquer aux véhicules électriques. Dans ce cas, la batterie peut également authentifier le véhicule en lui demandant son code et en le comparant à une autre clé secrète. Si l'une des deux entités est jugée non conforme par l'autre, le dispositif ne fonctionne pas.
D'autres protocoles d'échange se mettent en place d'une part lorsque la batterie est bloquée en mode protégé (figure 3B) , et d'autre part pour mesurer la quantité de charge restante (figure 3C) . Ces protocoles d'échanges ne sont pas réalisés dans un ordre particulier, ils se font concomi tamment ou bien l'un après l'autre, l'ordre important peu.
Au cours de l'utilisation de la batterie par le dispositif, la batterie peut se retrouver bloquée en mode protégé suite à un événement de type surtension, court-circuit, surcharge en courant ou échauffement d'origine électrique (étape 300). Pour cela, tel qu'illustré sur la figure 3B, dès l'avènement d'une telle situation nécessitant le déclenchement d'une protection de la batterie, le microcontrôleur MCU 110 de la batterie envoie au microprocesseur CPU 172 du dispositif le statut du mode de protection, c'est à dire la nature de la protection, en fonction de la cause qui l'a engendrée, et son état (étape 301) . Le microprocesseur CPU du dispositif vérifie si la batterie est protégée (étape 302) et, si c'est le cas, il peut alors envoyer au microcontrôleur MCU des instructions ou commandes pour soit maintenir la protection, soit réamorcer la batterie (étape 303) . Le microcontrôleur MCU embarqué commande ensuite les composants de protection 160 et/ou de charge 130 pour réamorcer une batterie telle que décrite en figure 2A par exemple (étape 304) . Si la batterie n'est pas bloquée en mode protégé, elle peut alimenter le dispositif en énergie sans problème (étape 305) . De manière avantageuse, le dispositif peut donc arriver à faire la distinction entre une batterie qui est devenue réellement inutilisable et une batterie qui est en situation de protection. De plus, dans le cas d'une batterie en état de protection, le dispositif a la possibilité d'envoyer des instructions pour la réamorcer, ce qui n'était pas possible avec les batteries existantes jusqu'à présent.
La figure 3C illustre les échanges d' information lors d'une estimation de quantité de charge restante en lien avec une batterie 100 telle que décrite en liaison avec la figure 2A. Dans une première étape 400, le circuit électronique de monitoring 150 mesure le courant entrant et sortant de la batterie et envoie cette mesure (étape 401) au microcontrôleur MCU embarqué dans la batterie. Le MCU analyse alors cette donnée brute lui permettant de faire une estimation précise de la quantité de charge restante QR, qu' il envoie au microprocesseur CPU du dispositif électrique (étape 402) . Le microprocesseur CPU 172 du dispositif compare alors cette quantité QR à une valeur seuil VS prédéfinie (étape 403) . Si la quantité restante QR est supérieure à la valeur seuil VS, la batterie peut encore alimenter le dispositif sans problème (étape 404) . Par contre, lorsque la quantité QR est inférieure à la valeur seuil VS, le microprocesseur CPU renvoie un message pour signaler que la charge est insuffisante (étape 405) .
Le dispositif peut avertir l'utilisateur qu'il est temps de charger la batterie (étape 406) . Lorsque le chargeur mural est branché à la batterie, le microcontrôleur MCU 110 de la batterie envoie une commande au circuit électronique de charge 130 pour charger la batterie (étape 408) . Puis le circuit de monitoring 150 effectue sa mesure (étape 409) et la renvoie à l'unité centrale de traitement MCU 110 (étape 410) tout au long de la phase de charge pour permettre à l'unité centrale de traitement MCU d'envoyer au microprocesseur du dispositif l'évolution de la quantité de charge restante QR (étape 411) . Le microprocesseur CPU 172 du dispositif vérifie alors si la charge est complète ou non (étape 412) . Si elle est complète, le dispositif indique que le chargeur peut être débranché et la batterie peut alimenter le dispositif de manière autonome (étape 413) . Par contre, si la charge est incomplète (étape 414), l'unité centrale de traitement MCU 110 de la batterie continue de commander le circuit de charge (étape 408) et les étapes 408 à 412 sont répétées jusqu'à la charge complète de la batterie.
Les informations sur la quantité de charge restante sont envoyées par le microcontrôleur MCU de la batterie au microprocesseur CPU du dispositif de manière périodique, soit de la propre initiative du microcontrôleur, soit sur demande du microprocesseur du dispositif. Ces informations peuvent également être envoyées de la propre initiative du microcontrôleur de la batterie lorsque la quantité de charge restante varie de manière très importante.
Grâce à ces échanges d' informations précises sur la quantité de charge restante, la batterie est gérée de manière optimale par rapport à sa capacité réelle, de sorte que sa durée de vie est considérablement augmentée. Un tel procédé peut s'appliquer de la même manière à une batterie telle que celle décrite en liaison avec la figure 2B. Les fonctions respectives de monitoring et de charge des composants 150 et 130 sont alors assurées par le microcontrôleur 110 - tel que précédemment décrit.

Claims

REVENDICATIONS
Batterie (100) comprenant au moins un accumulateur (101) pour stocker puis restituer de l'énergie électrique, une unité centrale de traitement (110) apte à communiquer à un dispositif électrique (170) alimenté en énergie par ladite batterie, des informations sur l'état de cette dernière, lesdites informations étant obtenues à partir d' au moins une mesure réalisée au sein de la batterie et analysée par l'unité centrale de traitement (110) caractérisée en ce que ladite batterie comporte des moyens pour évaluer la quantité de charge restante de la batterie et piloter la charge du au moins un accumulateur (101) selon la quantité de charge restante évaluée.
Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens (120) pour mesurer la température dudit au moins un accumulateur et en ce que l'unité de traitement (110) prend en compte ladite mesure de température pour autoriser le circuit de charge (130) à charger ledit au moins un accumulateur.
Batterie selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de communication pour permettre une communication d'informations entre l'unité centrale de traitement (110) et une unité de traitement (172) implantée dans ledit dispositif électrique (170).
Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que le moyen de communication est un bus (B) . Batterie selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bus (B) de communication est confondu avec un bus de puissance (C) destiné à injecter un courant d'alimentation et en ce que la communication d' informations se fait par courant porteur .
Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit électronique de mesure (150, 151) pour mesurer le courant entrant et sortant de la batterie, ledit circuit électronique coopérant avec l'unité centrale de traitement (110) pour lui communiquer ces mesures à partir des quelles l'unité centrale de traitement évalue la quantité de charge restante au sein de la batterie.
Batterie selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit électronique de mesure (151) coopérant avec l'unité centrale de traitement (110) pour mesurer le courant entrant et sortant de la batterie, l'unité centrale de traitement évaluant ainsi la quantité de charge restante au sein de la batterie à partir des mesures réalisées.
Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en qu'elle comporte un circuit électronique de charge (130) coopérant avec l'unité centrale de traitement (110), pour assurer la charge du au moins un accumulateur en fonction de la quantité de charge restante évaluée par ladite unité centrale de traitement (110) .
9. Batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en que l'unité centrale de traitement (110) évalue la quantité de charge restante et assure la charge du au moins un accumulateur en fonction de la quantité de charge restante ainsi évaluée.
10. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens électroniques de protection (160, Cl,
C2) coopérant avec l'unité centrale de traitement pour assurer la protection électrique de la batterie et communiquer l'état de cette dernière à l'unité centrale de traitement (110).
11. Batterie selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'unité centrale de traitement assure la protection électrique de la batterie en coopérant avec des circuits électroniques de protection (Cl, C2).
12. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un circuit électronique d' identification/authentification (140) pour assurer une authentification de la batterie (110) par le dispositif électrique (170) et/ou une authentification du dispositif électrique (170) par la batterie (110) .
13. Batterie selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'unité centrale de traitement assure une authentification de la batterie (110) par le dispositif électrique (170) et/ou une authentification du dispositif électrique (170) par la batterie (110).
14. Dispositif électrique (170) apte à coopérer avec une batterie (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes pour recueillir de l'énergie électrique délivrée par ladite batterie, ledit dispositif étant adapté pour comporter un moyen de communication (173) pour permettre un échange d' informations entre la batterie et le dispositif et être informé d'un changement d'état de la batterie, caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre des moyens (C) pour délivrer à la batterie les courants de charges nécessaires à son chargement.
15. Procédé de communication entre une batterie (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 et un dispositif électrique (170) selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à :
informer (402) le dispositif (170) d'un changement d'état de la batterie, lorsque la quantité de charge restante (QR) est inférieure à une valeur seuil (VS) ,
transmettre (406) une instruction à l'unité centrale de traitement (110) de la batterie (100) pour recharger la batterie. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu' il comporte les étapes consistant à :
informer (301) le dispositif (170) d'un statut du mode de protection lorsque la batterie est bloquée en mode protégé, transmettre (303) une instruction à l'unité centrale de traitement (110) de la batterie (100) pour maintenir la batterie bloquée ou réamorcer celle-ci.
Procédé selon les revendications 15 ou 16, caractérisé en ce qu'une étape préalable consiste à mettre à jour des algorithmes par une communication d' informations et une programmation de l'unité centrale de traitement (110) de la batterie .
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