FR2778281A1

FR2778281A1 - Protection pour module de batterie

Info

Publication number: FR2778281A1
Application number: FR9805541A
Authority: FR
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-05

Abstract

L'invention concerne un module pour batterie, comprenant au moins un élément électrochimique (11-16) monté en série avec un fusible (3), au moins un capteur (51 -56 ), et un relais (8) commandé par ledit capteur, et dont le circuit de puissance (9) ferme le montage série des éléments et du fusible. Lorsque le capteur détecte un dysfonctionnement, le relais ferme le montage série des éléments et du fusible; le fusible fond et isole les éléments du module. Toutefois, le module reste électriquement conducteur, avant, pendant ou après le fonctionnement du système de sécurité. On protège ainsi les éléments électrochimiques, par exemple contre les surpressions, les températures excessives, les surtensions ou les sous-tensions, ou les courts-circuits.

Description

I

PROTECTION POUR MODULE DE BATTERIE

La présente invention a pour objet un module pour batterie, comprenant au moins un élément électrochimique, et au moins un capteur de dysfonctionnement d'un ou plusieurs des éléments électrochimiques. L'invention concerne la protection des éléments de batterie contre les dysfonctionnements, tels que les surpressions pour les éléments scellés, les

températures excessives, les surtensions, ou les sous-tensions, les courts-

circuits, et autres.

US-A-5 488 285 décrit un circuit permettant de couper la charge automatique d'une batterie alcaline formée d'un ensemble d'éléments scellés montés en série. Au moins un élément est muni d'un détecteur de pression, qui commande l'ouverture d'un commutateur lorsque la pression dans l'élément dépasse une pression prédéterminée. L'ouverture du commutateur commande un relais, qui lui même commande un autre relais disposé sur le circuit d'utilisation de la batterie. Ce dispositif présente l'inconvénient suivant: le relais

d'ouverture du circuit d'utilisation est disposé sur le circuit d'utilisation lui -

même et fonctionne sous la puissance totale et l'intensité totale du circuit. Ceci peut poser des problèmes d'arcs électriques lorsque le nombre d'éléments est important et que la tension de fonctionnement devient importante. En outre, les contacts du relais fonctionnent en permanence, sur le circuit d'utilisation, ce qui peut les endommager. Enfin, le relais est disposé en permanence sur le

circuit d'utilisation, ce qui peut induire une résistance supplémentaire.

US-A- 3 622 397 décrit une batterie Ni-Cd formée d'un ensemble de

cellules scellées montées en série. Chaque cellule est pourvue d'un coupe-

circuit mécanique, formé d'une paroi déformable sous l'effet de la pression; lorsque le coupe-circuit d'une des cellules est actionné, cette cellule est chargée par un courant de charge de fuite à travers une résistance. Un bilame agissant comme coupe-circuit sensible à la température est disposé entre des cellules voisines; lorsque la température augmente, le bilame ouvre le circuit de charge, et les cellules sont chargées par un courant plus faible, à travers une résistance montée en parallèle au coupe-circuit. Ce dispositif présente les

mêmes inconvénients que le précèdent.

Il existe aussi des coupe-circuit en pression pour éléments de petite capacité, par exemple sur les éléments commercialisés par Sony sous la référence VL18650. Ces éléments comprennent un coupe-circuit sur la ligne d'utilisation avec un capteur de pression dans l'élément; cette solution présente

de nouveau l'inconvénient d'une résistance sur la ligne d'utilisation.

L'invention propose une solution au problème de la protection d'un module pour batterie, à l'aide d'un coupe-circuit disposé dans ou sur le module, et notamment propose une solution au problème de la protection

d'un module, sans augmentation de sa résistance interne.

Plus précisément, I'invention propose un module pour batterie, comprenant au moins un élément électrochimique, au moins un capteur, et des moyens d'isolation électrique des éléments électrochimique commandés par le capteur, le module restant conducteur lorsque le capteur commande les

dits moyens d'isolation.

Avantageusement, le module reste conducteur après que le capteur a

commandé les dits moyens d'isolation.

Dans un mode de réalisation, les dits moyens d'isolation comprennent un fusible monté en série avec les éléments électrochimiques, et un relais commandé par ledit capteur et dont le circuit de puissance ferme le montage

série des éléments et du fusible.

Avantageusement, les capteurs comprennent un pressostat, de préférence un pressostat pour chaque élément. Les commutateurs des capteurs sont de préférence montés en parallèle, et l'ensemble est monté en

série avec la bobine du relais.

Dans un mode de réalisation, I'ensemble monté en série avec la bobine

du dit relais est monté aux bornes des dits éléments.

Dans un mode de réalisation, les commutateurs des capteurs sont montés en série, fermés au repos et ouvert en position de commande, et l'ensemble commande la bobine du dit relais par l'intermédiaire d'un

transistor.

Dans un autre mode de réalisation, les dits capteurs sont des capteurs alimentés électriquement. Ils peuvent être choisis parmi les capteurs de température, les capteurs de pression, les capteurs détectant des surtensions,

des sous-tensions ou des courts-circuits.

Avantageusement, le ou les capteurs comprennent un circuit de temporisation. De préférence, le ou les capteurs commandent le relais par

l'intermédiaire d'une bascule. Le relais peut être un relais bi-stable.

Dans un mode de réalisation, les moyens d'isolation comprennent un fusible monté en série avec les éléments électrochimiques, et un interrupteur électronique commandé par ledit capteur qui ferme le montage série des éléments et du fusible. L'interrupteur peut être choisi parmi les MOS, transistor,

thyristor, IGBT.

L'invention propose aussi un procédé de protection contre les dysfonctionnement d'un module pour batterie comprenant au moins un élément électrochimique monté en série avec un fusible, au moins un capteur et un interrupteur commandé par ledit capteur, le procédé comprenant la commande de l'interrupteur par le capteur lorsque le capteur détecte un dysfonctionnement, I'interrupteur fermant alors le montage série des éléments

et du fusible.

Avantageusement, I'interrupteur reste fermé après sa commande par un capteur. De préférence, I'interrupteur est commandé par le capteur si le

dysfonctionnement persiste après une période de temporisation.

L'invention assure une protection des contacts du relais, qui n'est soumis qu'à la tension d'un module, quel que soit le nombre de modules montés en batterie; elle évite que les contacts du relais ne fonctionnent en permanence sur la ligne de puissance. Elle permet de limiter la présence d'organes sur la ligne du puissance, et donc ne perturbe pas le fonctionnement de la batterie,

et n'augmente sensiblement pas la résistance d'un élément.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la

lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention,

donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés qui montrent: - figure 1 une représentation schématique d'un module selon un mode de réalisation de l'invention; - figure 2 une représentation schématique d'un module selon un autre mode

de réalisation de l'invention.

La figure 1 montre une représentation schématique d'un module selon l'invention. Un tel module est destiné à être assemblé en série avec d'autres modules sur une ligne de puissance, pour former une batterie. Dans le mode de réalisation de la figure 1, I'invention propose une protection contre la surpression dans les différents éléments du module. Dans ce mode de réalisation, comme dans celui de la figure 2, on protège les éléments électrochimiques en les isolant en cas de dysfonctionnements; toutefois, le module reste électriquement conducteur, avant, pendant ou après le

fonctionnement du système de sécurité.

Le module de la figure 1 est formé de plusieurs éléments électrochimiques - six éléments 11 à 16 dans le cas de la figure - montés en série sur une ligne de puissance 2. Un fusible 3 est monté en série avec les éléments, sur la ligne de puissance 2. Dans au moins un élément, est prévu un pressostat, formé d'un détecteur de pression non représenté, qui commande la fermeture d'un commutateur; dans le mode de réalisation de la figure 1, chaque élément est pourvu d'un pressostat; les commutateurs 51 à 56 de chacun des pressostats sont montés en parallèle; les commutateurs 51 à 56 sont montés en série avec la bobine 7 d'un relais 8; le montage série des commutateurs 51 à 56 et de la bobine du relais est monté en parallèle aux bornes des éléments 1 1 à 16. Les bornes du circuit de puissance 9 du relais sont reliées aux bornes du montage série des éléments et du fusible, de sort que la bobine du relais commande la mise en court circuit des éléments 1 1 à

16 et du fusible 3.

Le fonctionnement du module de la figure 1 est le suivant. Dans la position représentée sur la figure, qui est la position normale de charge, la pression dans chaque élément est inférieure à la pression de consigne du pressostat; chaque pressostat est donc ouvert, et les éléments du modules sont chargés par la ligne de puissance. Dans cet état, les contacts du circuit de puissance du relais ne sont pas placés sur la ligne de puissance, et de ce fait

ne fonctionnent pas en permanence.

Lorsque la pression dans au moins un élément, par exemple l'élément 12, dépasse la pression de consigne, le commutateur 52 du pressostat correspondant se ferme; de la sorte, la bobine 7 du relais 8 est alimentée, et

commande la mise en court-circuit des éléments 1 1 à 16 à travers le fusible 3.

Le fusible fond, et isole les éléments 1 1 à 16, ce qui évite toute surpression.

On se trouve alors en mode dégradé, et le courant circulant dans les autres modules constituant la batterie est maintenu au travers du relais, alors que les

éléments électrochimiques du module défectueux sont isolés de la batterie.

L'invention assure une protection des éléments, sans augmenter la résistance interne du module en fonctionnement normal; de fait, seul le fusible, en fonctionnement normal, est ajouté sur la ligne de puissance, et il présente une résistance faible devant la résistance des éléments. La bobine du relais, dans le montage, est alimentée par les éléments euxmêmes, de sorte que le circuit proposé est autonome, et ne nécessite pas de source de tension extérieure; pour protéger le relais contre le courant circulant en mode dégradé dans la ligne de puissance, qui peut être trop important, on peut prévoir une résistance de protection, en série avec le relais. De nouveau, en fonctionnement normal, la bobine du relais n'est pas excitée, et cette

résistance n'est traversée par aucun courant.

En outre, le relais, lorsqu'il se ferme, n'est soumis qu'à la tension des éléments qu'il isole, et non pas à la tension de l'ensemble de la batterie; l'invention assure ainsi une protection du relais, quel que soit le nombre de modules formant la batterie, et donc quelle que soit la tension de cette dernière. De même, le fusible, lors de son ouverture, n'est soumis qu'à la tension des éléments du module; dans un cas comme dans l'autre, on évite les phénomènes d'arcs électriques. On peut aisément adapter le système par le choix du fusible. Dans un mode préféré de réalisation, le relais 8 est un relais bi-stoble prévu pour rester fermé, même si la pression dans le ou les éléments diminue et passe en dessous de la valeur de consigne. Dans ce cas, le module reste conducteur à travers le circuit de puissance du relais; le relais peut alors être

réarmé par ouverture du circuit de puissance lors du remplacement du fusible.

Dans ce mode de réalisation, le module de l'invention est particulièrement adapté à une utilisation pour les batteries de véhicules électriques. Il permet, lors de la charge de la batterie du véhicule en roulage, d'éviter les problèmes liés à une surpression dans un élément d'un module, en assurant que les autres modules restent en charge. On assure ainsi que le véhicule puisse

continuer à fonctionner en mode dégradé, jusqu'au remplacement du fusible.

Dans un autre mode de réalisation, le circuit de puissance du relais peut s'ouvrir lorsque la valeur de pression diminue, à la suite de l'isolation du module. Cette application assure l'ouverture complète du circuit lorsque la

pression redescend en dessous de la valeur de consigne.

En tous les cas, le mode de réalisation de la figure 1 assure un système passif et autosuffisant, qui fonctionne sans source de puissance externe, et qui

peut simplement être monté dans le boîtier du module.

La figure 2 montre un autre mode de réalisation de l'invention. Le mode de réalisation de la figure 2 est destiné à assurer une protection contre des dysfonctionnements d'un ou plusieurs des éléments du module, à l'aide de capteurs nécessitant une alimentation électrique propre. A cet effet, le module de la figure 2 est associé à une alimentation électrique externe, par exemple une batterie externe 1 1; une telle batterie peut notamment être commune à plusieurs modules. Cette batterie alimente un ou plusieurs capteurs 12, qui commandent la bobine 14 d'un relais 13. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, le circuit de puissance 15 du relais ferme le montage série du fusible et des éléments électrochimiques du module. Dans ce mode de réalisation, dans la mesure o l'on dispose en tout état de cause d'une alimentation extérieure, il est aussi simple d'alimenter le relais par cette alimentation; une solution du type de celle de la figure 1 reste néanmoins possible. Le fait d'assurer l'alimentation du relais par les éléments du module présente l'avantage que les éléments électrochimiques du module, après ouverture du fusible, s'autodéchargent lentement de par l'alimentation de la bobine; on assure ainsi une décharge lente des éléments, qui ne restent pas

en surcharge, et ne sont plus dangereux à terme.

On peut utiliser dans le mode de réalisation de la figure 2 des capteurs de toute nature. Par exemple, on peut prévoir des capteurs de température, de sorte à détecter si la température d'un ou de plusieurs éléments du module dépasse une valeur de consigne. On peut pour cela utiliser avantageusement utiliser comme capteurs de température des résistances à coefficient de température positif (CTP) montées en série, comme expliqué par exemple dans

US-A-4 967 176.

On peut utiliser des capteurs pour la mesure de la tension, et ainsi détecteur des surtension ou des sous-tensions aux bornes du module ou de ses éléments. Il suffit pour cela d'utiliser des amplificateurs opérationnels

montés en comparateurs. Cette solution permet aussi de détecter des courts-

circuits dans le module; en effet, de tels courts-circuits provoqueraient une sous-tension. On peut aussi utiliser un ou plusieurs capteurs dédiés à la

détection de courts-circuits.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, on peut prévoir que les capteurs commandent le relais par l'intermédiaire d'une bascule; cette solution assure que le relais reste excité, et son circuit de puissance fermé, même lorsque les capteurs ne détectent plus le dysfonctionnement; on assure ainsi une solution comparable à celle décrite en référence à la figure 1, o le module reste conducteur après la fusion du fusible, et ce quels que soient les résultats des mesures des capteurs. Si l'on utilise un relais bi-stable, une telle

bascule n'est pas indispensable.

On peut combiner les modes de réalisation des figures 1 et 2. Dans ce cas, on peut par exemple commander le relais par les pressostats montés en parallèle d'une part, et d'autre part par les capteurs de la figure 2. On peut aussi utiliser des détecteurs de pression à commande électrique, par exemple des capteurs de pression à jauge de contrainte, dont le signal de sortie est exploité comme dans le mode de réalisation de la figure 2. Il apparaît en tout état de cause que l'on peut multiplier le nombre de capteurs; et monter ceux-ci en parallèle aux bornes du relais pour détecter l'occurrence d'un dysfonctionnement. On pourrait aussi monter des capteurs en série aux bornes du relais, dans la mesure o l'on désire ne commander la fermeture

du relais qu'en cas de concomitance de plusieurs dysfonctionnements.

Dans un mode de réalisation comme dans l'autre, on peut prévoir des moyens de temporisation, par exemple un circuit de temporisation. Un tel circuit permet de ne commander la fermeture du relais que si le ou les dysfonctionnements détectés par le ou les capteurs persistent pendant une

certaine durée. Ceci permet d'éviter les déclenchements intempestifs.

Il est possible de prévoir que les capteurs - notamment les pressostats -

sont conducteurs en fonctionnement normal des éléments, et s'ouvrent en cas de dysfonctionnement; dans ce cas, les capteurs sont montés en série, et commandent le relais par l'intermédiaire d'un transistor. Cette solution présente l'avantage d'une plus grande fiabilité: si l'un des capteurs est défaillant, le circuit série des capteurs s'ouvre et commande l'isolation des

éléments.

L'invention s'applique notamment pour les véhicules électriques, et tout particulièrement aux éléments Li-ion, pour les générateurs secondaires destinés à de tels véhicules. On utilise de préférence un couple électrochimique Li-ion, et des électrodes planes ou spiralées, i. e. des éléments prismatiques ou cylindriques. L'invention s'applique par exemple à la

protection d'un module formé de six éléments cylindriques.

Dans les deux modes de réalisation décrits, et en particulier dans l'application aux véhicules électriques, il est avantageux que le module reste conducteur après que le capteur a commandé les moyens d'isolation; ceci

peut être assuré, dans le mode de réalisation de la figure 1, par un relais bi-

stable; on peut aussi prévoir que les capteurs, une fois fermés, restent fermés.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, ceci peut être assuré par une bascule, ou par un choix approprié des composants. Dans tous ces exemples, on dispose dans la chaîne de commande une fonction de mémorisation; cette fonction assure que le module reste conducteur, dès que les capteurs ont

détecté un dysfonctionnement, et quel que soit l'état ultérieur des éléments.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. Dans le montage de la figure 1, les commutateurs des pressostats et la bobine du relais pourraient être montés aux bornes du montage série des éléments et du fusible, et non

pas aux bornes des éléments.

On pourrait utiliser non pas un seul relais, mais deux relais ou plus montés en parallèle, en fonction du courant destiné à traverser le module; ces relais en parallèle constituent fonctionnellement un relais unique. On pourrait aussi utiliser à la place du ou des relais un interrupteur électronique, tel que MOS, transistor, thyristor, IGBT ou autre; cette solution présente l'avantage de

la compacité, et évite tout mouvement mécanique.

Claims

REVENDICATIONS

1.- Un module pour batterie, comprenant au moins un élément électrochimique (11-16), au moins un capteur (51-56, 12), et des moyens (8, 9, 13, 15) d'isolation électrique des éléments électrochimique commandés par le capteur, le module restant conducteur lorsque le capteur commande les dits

moyens d'isolation.

2.- Le module selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module reste conducteur après que le capteur a commandé les dits moyens d'isolation 3.- Le module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dits moyens d'isolation comprennent un fusible (3) monté en série avec les éléments électrochimiques, et un relais (8, 13) commandé par ledit capteur et dont le circuit de puissance (9, 15) ferme le montage série des éléments et du fusible. 4.- Le module selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ce

que les capteurs comprennent un pressostat.

5.- Le module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que

ce que les capteurs comprennent un pressostat pour chaque élément.

6.- Le module selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que

les commutateurs des capteurs sont montés en parallèle, et en ce que

l'ensemble est monté en série avec la bobine (7) du dit relais (8).

7.- Le module selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ensemble monté en série avec la bobine (7) du dit relais (8) est monté aux bornes des

dits éléments.

8.- Le module selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que

les commutateurs des capteurs sont montés en série, fermés au repos et ouvert en position de commande, et en ce que l'ensemble commande la bobine (7)

du dit relais (8) par l'intermédiaire d'un transistor.

9.- Le module selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que

les dits capteurs sont des capteurs alimentés électriquement.

10.- Le module selon la revendication 9, caractérisé en ce que les capteurs sont choisis parmi les capteurs de température, les capteurs de pression, les capteurs détectant des surtensions, des sous-tensions ou des courts-circuits.

1 1.- Le module selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce

que le ou les dits capteurs comprennent un circuit de temporisation.

12.- Le module selon l'une des revendication 1, 2, 9 à 11, caractérisé en ce que les dits moyens d'isolation comprennent un fusible (3) monté en série avec les éléments électrochimiques, et un interrupteur électronique commandé

par ledit capteur qui ferme le montage série des éléments et du fusible.

13.- Le module selon la revendication 12, caractérisé en ce que

l'interrupteur est choisi parmi les MOS, transistor, thyristor, IGBT.

14.- Le module selon l'une des revendications 3 à 13, caractérisé en ce

que le relais est un relais bi-stable.

15.- Procédé de protection contre les dysfonctionnement d'un module pour batterie comprenant au moins un élément électrochimique (11-16) monté en série avec un fusible (3), au moins un capteur (51-56) et un interrupteur commandé par ledit capteur, le procédé comprenant la commande de l'interrupteur par le capteur lorsque le capteur détecte un dysfonctionnement, I'interrupteur fermant alors le montage série des éléments

et du fusible.

16.- Le procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que

lI'interrupteur reste fermé après sa commande par un capteur.

17.- Le procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que l'interrupteur est commandé par le capteur si le dysfonctionnement persiste

après une période de temporisation.