FR2982998A1

FR2982998A1 - Batterie d'accumulateurs protegee contre les courts-circuits internes

Info

Publication number: FR2982998A1
Application number: FR1160460A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Carcouet; Bruno Beranger; Daniel Chatroux
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-24
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: FR2982998B1; US10059216B2; US20140354232A1; WO2013072358A1; EP2781000A1

Abstract

L'invention concerne une batterie d'accumulateurs, comprenant au moins : -des premier et deuxième étages (Et1, Et2) connectés électriquement en série, chaque étage incluant au moins des premier à troisième accumulateurs (A11, A21, A31) connectés électriquement en parallèle ; -au moins des premier et deuxième limiteurs de courant (Li11, Li21) par l'intermédiaire desquels les premier à troisième accumulateurs (A11, A21, A31) dudit premier étage (Et1) sont connectés en parallèle et par l'intermédiaire desquels les premier à troisième accumulateurs (A12, A22, A32) dudit deuxième étage (Et2) sont connectés en parallèle.

Description

BATTERIE D'ACCUMULATEURS PROTEGEE CONTRE LES COURTS- CIRCUITS INTERNES L'invention concerne les batteries d'accumulateurs électrochimiques. Celles-5 ci peuvent par exemple être utilisées dans le domaine des transports électriques et hybrides ou les systèmes embarqués. Les véhicules hybrides combustion/électrique ou électriques incluent notamment des batteries de forte puissance. De telles batteries sont utilisées pour entraîner un moteur électrique à courant alternatif par l'intermédiaire d'un 10 onduleur. Les niveaux de tension nécessaires pour de tels moteurs atteignent plusieurs centaines de Volts, typiquement de l'ordre de 400 Volts. De telles batteries comportent également une forte capacité afin de favoriser l'autonomie du véhicule en mode électrique. Pour obtenir de fortes puissances et capacités, on place plusieurs groupes série. Le nombre d'étages (nombre de groupes nombre d'accumulateurs en parallèle dans chaque étage la tension, du courant et de la capacité souhaités pour la de plusieurs accumulateurs est appelée une batterie accumulateurs électrochimiques utilisés pour de tels 15 d'accumulateurs en d'accumulateurs) et le varient en fonction de batterie. L'association d'accumulateurs. Les 20 véhicules sont généralement du type lithium ion pour leur capacité à stocker une énergie importante avec un poids et un volume contenus. Les technologies de batterie de type Lithium ion phosphate de fer LiFePO4 font l'objet d'importants développements du fait d'un niveau de sécurité intrinsèque élevé, au détriment d'une densité de stockage d'énergie un peu en retrait. Un accumulateur 25 électrochimique a habituellement une tension nominale de l'ordre de grandeur suivant : 3.3 V pour une technologie lithium-ion phosphate de Fer, LiFePO4, 4.2 V pour une technologie de type lithium-ion à base d'oxyde de cobalt. L'invention peut également s'appliquer à des super-condensateurs. 30 La figure 1 représente une batterie d'accumulateurs lithium-ion Bat connue de l'état de la technique. La batterie Bat est composée de quatre étages Et1, Et2, Et3 et Et4 connectés en série. Chaque étage comprend quatre accumulateurs similaires, connectés en parallèle. Les bornes des accumulateurs d'un même étage sont 35 raccordées ensemble par l'intermédiaire de connexions électriques de forte section. Chaque étage est également raccordé aux étages adjacents par l'intermédiaire de connexions électriques de forte section afin de laisser passer de forts courants correspondant à la somme des courants des accumulateurs d'un étage. Une ou plusieurs charges sont destinées à être connectées aux bornes N et P de la batterie 40 1.

La tension aux bornes des quatre étages est notée respectivement U1, U2, U3 et U4. Dans ce schéma, la tension totale U entre les bornes N et P de la batterie 1 est la somme des tensions U1, U2, U3 et U4. Le courant traversant chaque accumulateur du quatrième étage Et4 est notée respectivement 11, 12, 13 et 14. Le courant 1 généré sur la borne P de la batterie Bat est la somme des courants 11, 12, 13 et 14. Un circuit d'équilibrage de charge Eq est connecté aux bornes de chaque étage de la batterie Bat. Dans toute la durée de vie de la batterie, certains défauts peuvent apparaître sur certains accumulateurs composant la batterie. Un défaut sur un accumulateur se traduit généralement soit par la mise en court-circuit de l'accumulateur, soit par une mise en circuit ouvert, soit par un courant de fuite important dans l'accumulateur. Il est important de connaître l'impact de la défaillance d'un accumulateur sur la batterie. Une mise en circuit ouvert ou en court-circuit peut provoquer une défaillance globale de toute la batterie.

Dans le cas de l'apparition d'un courant de fuite important dans un accumulateur d'un étage, la batterie se comporte comme une résistance qui provoque une décharge des accumulateurs de l'étage considéré jusqu'à zéro. Les risques de départ de feu sont faibles car l'énergie est dissipée relativement lentement. En technologie lithium ion, la décharge des accumulateurs de l'étage jusqu'à une tension nulle les détériore ce qui implique leur remplacement en plus de l'accumulateur initialement défaillant. Lorsqu'un accumulateur forme un court-circuit, les trois autres accumulateurs de l'étage vont initialement se décharger dans cet accumulateur, du fait de la forte section des connexions électriques entre eux. Le fusible placé en série avec l'accumulateur en court-circuit va interrompre la décharge parasite des trois autres accumulateurs. Afin de protéger la batterie Bat des conséquences d'un court-circuit dans un accumulateur, chaque accumulateur présente un fusible qui lui est connecté en série. Lorsqu'un accumulateur forme un court-circuit, le courant le traversant augmente sensiblement et fait fondre son fusible série afin de protéger le reste de la batterie Bat. En l'absence de fusible, la dissipation d'énergie dans l'accumulateur en court-circuit induirait son échauffement ainsi que celui des autres accumulateurs se déchargeant. Une telle dissipation pourrait être la cause d'un départ de feu. Les technologies lithium ion sont particulièrement à risque lorsqu'un étage comprend un grand nombre d'accumulateurs en parallèle pour stocker une énergie importante. L'oxyde de cobalt est connu comme une chimie fortement réactive. Le phosphate de fer est lui connu comme la chimie la plus sûre. L'utilisation de fusibles s'avère donc particulièrement appropriée pour ces technologies, en particulier pour le phosphate de fer qui tolère une certaine surtension. Cependant, la présence des fusibles en série entre les étages 40 d'accumulateurs induit des pertes non négligeables, particulièrement handicapantes pour des applications embarquées.

Le document FR09/03358 décrit une structure de batterie permettant d'éliminer les pertes induites par un système de protection durant le fonctionnement normal de la batterie, et permettant en outre d'assurer une continuité de service de la batterie lorsqu'un élément de la batterie se retrouve en court-circuit ou en coupe-circuit. Dans ce document, la batterie comprend au moins des première et deuxième branches présentant chacune au moins des premier et deuxième accumulateurs connectés en série. La batterie comprend en outre un fusible par l'intermédiaire duquel les premiers accumulateurs sont connectés en parallèle et par l'intermédiaire duquel les deuxièmes accumulateurs sont connectés en parallèle. Le seuil de coupure du fusible est dimensionné pour s'ouvrir lorsqu'un des accumulateurs est en court-circuit. Lorsque la batterie alimente un moteur électrique de véhicule, sa recharge intervient soit à l'arrêt du véhicule en raccordant la batterie au réseau électrique, soit durant le roulage du véhicule pendant des phases durant laquelle le moteur électrique fonctionne en génératrice. Durant une recharge rapide à l'arrêt du véhicule ou lors du fonctionnement du moteur électrique en génératrice, des courants de recharge ou d'équilibrage non négligeables peuvent être appliqués sur les accumulateurs. Les fusibles connectés dans les connexions en parallèle peuvent ainsi être traversés par des courants relativement importants. En outre, certains fusibles peuvent être traversés par le cumul des courants de recharge ou d'équilibrage à destination de plusieurs accumulateurs d'un même étage et distants de la connectique de recharge. Certains fusibles peuvent ainsi représenter une connexion commune de plusieurs accumulateurs au circuit d'équilibrage. Par conséquent, le dimensionnement des fusibles des connexions en parallèle peut s'avérer délicat pour assurer à la fois la protection des accumulateurs, la continuité de service de la batterie lors d'un dysfonctionnement d'un accumulateur, et la recharge des différents accumulateurs. Des pertes par effet Joule peuvent également intervenir durant la recharge ou l'équilibrage du fait des courants traversant les fusibles. La durée de vie des fusibles peut également être amoindrie par l'application répétée de courants de charge les traversant. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. 35 L'invention porte ainsi sur une batterie d'accumulateurs, comprenant au moins : -des premier et deuxième étages connectés électriquement en série, chaque étage incluant au moins des premier à troisième accumulateurs connectés électriquement en parallèle ; -au moins des premier et deuxième limiteurs de courant par l'intermédiaire 40 desquels les premier à troisième accumulateurs dudit premier étage sont connectés en parallèle et par l'intermédiaire desquels les premier à troisième accumulateurs dudit deuxième étage sont connectés en parallèle. Selon une variante, la batterie comprend en outre un troisième limiteur de courant, lesdits premier à troisième accumulateurs du premier étage étant connectés à un noeud de connexion commun par l'intermédiaire respectivement des premiers à troisième limiteurs de courant. Selon encore une variante, lesdits premier à troisième limiteurs de courant limitent le courant de façon unidirectionnelle entre le noeud de connexion commun et respectivement les premier à troisième accumulateurs.

Selon une autre variante, lesdits limiteurs de courant incluent chacun un premier transistor de type JFET dont la grille est connectée à la source, dont la source est connectée à une borne d'un des accumulateurs du premier étage et dont le drain est connecté à une borne d'un autre des accumulateurs du premier étage. Selon encore une autre variante, lesdits limiteurs de courant incluent chacun un premier transistor de type Mosfet à déplétion dont la grille est connectée à la source, dont la source est connectée à une borne d'un des accumulateurs du premier étage et dont le drain est connecté à une borne d'un des accumulateurs du premier étage. Selon une variante, lesdits limiteurs de courant incluent chacun un premier 20 transistor de type Mosfet à enrichissement et un circuit de commande configuré pour maintenir ledit transistor Mosfet fermé. Selon encore une autre variante, lesdits limiteurs de courant incluent chacun un deuxième transistor de même type que le premier transistor et monté tête-bêche avec le premier transistor. 25 Selon une autre variante, la batterie comprend au moins cinq étages connectés électriquement en série, chaque étage incluant au moins des premier à troisième accumulateurs de type lithium-ion LiFeP et connectés électriquement en parallèle par l'intermédiaire d'au moins deux limiteurs de courant respectifs. Selon encore une variante, la tension nominale aux bornes de chacun 30 desdits accumulateurs est supérieure à la tension de saturation aux bornes des limiteurs de courant au-delà de laquelle les limiteurs de courant sont traversés par un courant de saturation sensiblement constant. Selon une autre variante, chacun desdits limiteurs de courant se comporte comme un circuit résistif présentant une résistance inférieure à 1n lorsque la 35 tension à ses bornes est inférieure à ladite tension de saturation. L'invention porte sur un système comprenant : -une batterie telle que décrite ci-dessus; -un circuit d'équilibrage connecté aux bornes de chacun des étages de l'accumulateur et configuré pour appliquer un courant d'équilibrage aux 40 accumulateurs d'un étage, ce courant d'équilibrage présentant une amplitude maximale inférieure audit courant de saturation.

Selon une variante, le circuit d'équilibrage est connecté à un noeud de connexion commun des accumulateurs d'un étage et configuré pour appliquer un courant d'équilibrage à chacun des accumulateurs dudit étage, le courant d'équilibrage de chacun des accumulateurs présentant une amplitude maximale inférieure audit courant de saturation divisé par le nombre d'accumulateurs dudit étage. L'invention porte par ailleurs sur un système comprenant : -deux batteries telles que décrites ci-dessus, lesdites batteries étant connectées en série et comportant chacune des premier et deuxième pôles de 10 sortie de puissance ; -un dispositif de sécurisation associé à une desdites batterie et comprenant : -des premier et deuxième interrupteurs, le premier interrupteur étant un interrupteur normalement ouvert, le deuxième interrupteur étant un interrupteur normalement fermé, une tension d'alimentation de ladite batterie étant appliquée 15 comme signal de commande de fermeture par défaut du deuxième interrupteur ; -des première et deuxième branches connectées en parallèle entre les premier et deuxième pôles de sortie de puissance, la première branche incluant une batterie et l'interrupteur normalement ouvert connectés en série, la deuxième branche étant sélectivement ouverte/fermée par l'interrupteur normalement fermé. 20 Selon une variante, le système comprend en outre un circuit de commande qui, durant l'utilisation de la batterie associée au dispositif de sécurisation, applique un signal de commande forçant la fermeture du premier interrupteur et applique un signal de commande forçant l'ouverture du deuxième interrupteur. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de batterie selon l'état de la technique ; 30 -la figure 2 est une représentation schématique d'un exemple de batterie selon un mode de réalisation de l'invention ; -la figure 3 illustre un exemple de limiteur de courant bidirectionnel ; -la figure 4 illustre un autre exemple de limiteur de courant bidirectionnel ; -la figure 5 illustre encore un autre exemple de limiteur de courant 35 bidirectionnel ; -la figure 6 est un diagramme illustrant la réponse en intensité usuelle d'un transistor JFET en fonction de la tension appliquée entre sa source et son drain ; -la figure 7 est une représentation schématique d'un exemple de batterie selon un mode de réalisation de l'invention, ayant fait l'objet de simulations lors du 40 dysfonctionnement d'une cellule électrochimique ; -la figure 8 est un diagramme illustrant l'évolution de l'intensité dans des cellules électrochimiques de la batterie de la figure 7 ; -la figure 9 est un diagramme illustrant l'évolution de la tension aux bornes de différentes cellules électrochimiques de la batterie de la figure 7 ; -la figure 10 est un diagramme illustrant l'évolution de la tension aux bornes de cellules électrochimiques dans un étage comportant une cellule électrochimique défaillante ; -la figure 11 illustre schématiquement une variante avantageuse de connexion de cellules électrochimiques dans un étage de batterie ; -la figure 12 illustre un limiteur de courant monodirectionnel pouvant être utilisé dans la variante de la figure 11; -la figure 13 illustre un circuit d'isolation d'un module de batterie incluant une cellule électrochimique défaillante ; -la figure 14 illustre une batterie incluant plusieurs modules dans un mode 15 de fonctionnement normal ; -la figure 15 illustre la batterie de la figure 14 dans un mode de fonctionnement où l'un des modules inclut une cellule électrochimique défaillante. On désignera par la suite par limiteur de courant un composant ou circuit 20 traversé par un courant sensiblement proportionnel à la tension à ses bornes lorsque cette tension est inférieure à une tension de saturation, et traversée par un courant de saturation sensiblement constant lorsque cette tension est supérieure audit seuil de saturation. 25 La figure 2 est une représentation schématique d'un exemple de batterie 1 selon un mode de réalisation de l'invention. La batterie 1 comprend cinq étages Et1 à Et5 connectés électriquement en série. Chaque étage comprend cinq accumulateurs ou cellules électrochimiques connectés électriquement en parallèle. La batterie 1 comprend ainsi cinq branches Br1 à Br5 connectées électriquement 30 en parallèle. La connexion en parallèle des accumulateurs d'un étage est réalisée par l'intermédiaire de limiteurs de courant Li. Chaque limiteur de courant Li de l'exemple participe à la connexion en parallèle de deux accumulateurs d'un étage, ainsi qu'à la connexion en parallèle de deux accumulateurs d'un autre étage. Une charge électrique 3 est connectée aux bornes Pet N de la batterie 1, de 35 façon à être alimentée par cette batterie. Un circuit de gestion d'équilibrage de charge 2 est connecté électriquement à chacun des étages Et1 à Et5. Le circuit 2 est configuré pour procéder à la charge des accumulateurs de ces étages. Le circuit 2 est également configuré pour assurer le suivi de l'état de charge des accumulateurs. Le circuit 2 est également configuré pour mettre en oeuvre un équilibrage de 40 charge des accumulateurs de ces étages, en fonction du suivi de leur état de charge. Les fonctions de charge/suivi l'état de charge/équilibrage de charge sont connus en soi et ne seront pas détaillées davantage. Au niveau des bornes P et N, la batterie 1 comprend avantageusement des collecteurs de puissance traversés par les courants en parallèle provenant des différentes branches Br1 à Br5. Les limiteurs de courant permettent de limiter le courant débité à travers un 5 accumulateur en court-circuit, afin d'éviter tout risque d'échauffement et de départ de feu, et ce même en présence d'un grand nombre d'accumulateurs connectés en parallèle dans chaque étage. La vitesse de décharge des accumulateurs d'un étage incluant un accumulateur en court-circuit est également limitée, ce qui peut permettre de poursuivre l'utilisation de la batterie 1. Par ailleurs, un accumulateur 10 en court-circuit n'est pas isolé du circuit 2, ce qui permet de détecter sa défaillance et de poursuivre sa surveillance. Les limiteurs de courant permettent également de mettre en oeuvre une répartition d'intensité entre les accumulateurs des différentes branches en présence d'un accumulateur en court-circuit. 15 L'utilisation de limiteurs de courant dans les connexions en parallèle des accumulateurs permet d'appliquer des courants de charge d'amplitudes élevées sur les accumulateurs, pour mettre en oeuvre soit une charge rapide par le réseau électrique (nécessaire pour assurer des temps de charge réduits), soit une charge par un moteur électrique fonctionnant en génératrice (par exemple lors d'une 20 phase de freinage d'un véhicule), sans induire de coupure intempestive de ces connexions en parallèle. Durant une phase de charge ou de décharge, le courant principal dans une branche traverse l'ensemble des accumulateurs connectés en série dans cette 25 branche. Durant un tel fonctionnement, si l'ensemble des accumulateurs sont similaires et présentent un même état de charge ou de décharge, aucun courant transversal ne circule à travers les limiteurs de courant Li. Les limiteurs de courants Li peuvent être de tout type approprié. La figure 3 30 illustre un exemple de limiteur de courant Li basé sur l'utilisation de transistors de type JFET. Le limiteur de courant Li de cet exemple comporte avantageusement deux transistors T1 et T2 montés tête-bêche. Le transistor T1 a sa grille connectée à sa source. Son drain est destiné à être connecté à une borne d'un accumulateur. Le transistor T1 assure ainsi une limitation du courant le traversant dans le sens allant 35 de son drain vers sa source. Le transistor T2 a sa grille connectée à sa source. Son drain est destiné à être connecté à une borne d'un accumulateur. Le transistor T2 assure ainsi une limitation du courant le traversant dans le sens allant de son drain vers sa source. Un transistor de type JFET présente l'avantage d'être naturellement fermé en l'absence de circuit de commande pour polariser sa grille. Il n'est ainsi 40 pas nécessaire de disposer d'un circuit de commande pour permettre le passage des courants transversaux d'équilibrage de charge ou de recharge des accumulateurs. Le montage de deux transistors tête-bêche dans le limiteur de courant Li permet de réaliser une limitation de courant bidirectionnelle. Ainsi, un limiteur de 5 courant Li : -limite le courant de décharge provenant d'un accumulateur auquel il est connecté lorsque celui-ci se décharge dans un autre accumulateur en court-circuit ; -limite le courant de charge (provenant de plusieurs accumulateurs) vers l'accumulateur auquel il est connecté lorsque celui-ci est en court-circuit. 10 La figure 6 illustre un exemple classique de caractéristique d'un transistor JFET pour une différence de potentiel Vgs entre grille et source donnée. L'ordonnée correspond au courant drain-source Ids, l'abscisse correspondant à la différence de potentiel Vds entre son drain et sa source. 15 De façon connue en soi, le courant Ids est sensiblement proportionnel à la tension Vds lorsque Vds est inférieur à la tension de saturation Vs. Le courant est sensiblement constant et proche d'un courant de saturation Is lorsque la tension Vds est supérieure audit seuil de saturation Vs. L'homme du métier saura de façon connue en soi déterminer le 20 dimensionnement des transistors des limiteurs de courant pour obtenir des valeurs souhaitées de courant de saturation Is et de tension de saturation Vs. Le ou les transistors de type JFET du limiteur de courant Li peuvent également être remplacés par des transistors de type Mosfet à déplétion dont la 25 grille est connectée à la source et dont le drain est connecté à une borne d'un accumulateur. Un tel transistor permet également d'être naturellement fermé en l'absence de circuit de commande pour polariser sa grille. Le ou les transistors de type JFET du limiteur de courant Li peuvent 30 également être remplacés par des transistors de type Mosfet à enrichissement de type canal N. Un tel transistor étant à l'état naturellement ouvert, sa grille doit être commandée en permanence pour le maintenir fermé. La figure 4 illustre un premier exemple de structure de limiteur Li permettant de maintenir à l'état fermé deux transistors de type Mosfet à enrichissement de type 35 canal N, sans nécessiter de circuit de commande externe pour polariser sa grille. Deux Mos tête-bêche sont utilisés du fait de la présence d'une jonction de diode interne au Mos entre drain et source. Le limiteur Li comporte un transistor T1. La diode D1 modélise la diode intrinsèque au transistor Mos T1, dont l'anode est connectée à la source du 40 transistor T1 et dont la cathode est connectée au drain du transistor T1. Le limiteur Li comporte un transistor T2. La diode D2 modélise la diode intrinsèque au transistor Mos T2, dont l'anode est connectée à la source du transistor T2 et dont la cathode est connectée au drain du transistor T2. La grille des transistors T1 et T2 est connectée par l'intermédiaire d'une même résistance R à une borne d'un accumulateur A. En pratique, la tension aux bornes de l'accumulateur A polarise la grille des transistors T1 et T2 et les maintient donc passants. La figure 5 illustre un deuxième exemple de structure de limiteur Li permettant de maintenir à l'état fermé deux transistors de type NMos, sans nécessiter de circuit de commande externe pour polariser sa grille. Deux accumulateurs Al et A2 sont connectés en parallèle dans un même étage. La source du transistor T1 est connectée à une première borne de l'accumulateur Al. La grille du transistor T1 est connectée à une deuxième borne de l'accumulateur Al par l'intermédiaire d'une résistance R1. La source du transistor T2 est connectée à une première borne de l'accumulateur A2. La grille du transistor T2 est connectée à une deuxième borne de l'accumulateur A2 par l'intermédiaire d'une résistance R2. Les transistors T1 et T2 sont connectés par leur source. Les diodes intrinsèques D1 et D2 respectives des transistors MOS T1 et T2 sont également illustrées. Les tensions aux bornes des accumulateurs Al et A2 polarisent les grilles respectives des transistors T1 et T2 et les maintiennent donc passants.

Même en maintenant les transistors NMos T1 et T2 fermés en permanence, leur consommation reste relativement réduite en fonctionnement normal car l'oxyde de grille des Mos est un condensateur qui ne consomme donc aucun courant permanent. De ce fait, une tension constante est appliquée sur leur grille correspondant à la tension des accumulateurs Al et A2, typiquement de l'ordre de 3,3 V pour des accumulateurs de type LiFeP. Comme illustré à la figure 7, une batterie 1 selon l'invention comprend avantageusement des accumulateurs de type lithium-ion LiFeP avec un nombre d'étages supérieur ou égal à 7 (en l'occurrence 8 dans cet exemple). En effet, un accumulateur de ce type tolère une surtension (tension pouvant atteindre jusqu'à 4,2 V) et la surtension induite dans les accumulateurs d'une branche incluant un accumulateur en court-circuit n'induit ainsi pas leur destruction ou un risque de sécurité pour un nombre d'étages aussi important. La première branche Brl inclut des accumulateurs Al 1 à Al 8 connectés en série. La deuxième branche Br2 inclut des accumulateurs A21 à A28 connectés en série. La troisième branche Br3 inclut des accumulateurs A31 à A38 connectés en série. La quatrième branche Br4 inclut des accumulateurs A41 à A48 connectés en série. Des limiteurs de courants Lil 1 à Lil 7 réalisent la connexion en parallèle des accumulateurs des première et deuxième branches. Des limiteurs de courants Li21 à Li27 réalisent la connexion en parallèle des accumulateurs des deuxième et troisième branches. Des limiteurs de courants Li31 à Li37 réalisent la connexion en parallèle des accumulateurs des troisième et quatrième branches. Des simulations de dysfonctionnements ont été réalisées avec un modèle d'une batterie 1 selon la figure 7. Pour ces simulations, les accumulateurs ont été assimilés à des sources de tension de 3,3 V en série avec une résistance interne de 0,01n. Les limiteurs de courant ont été dimensionnés avec un courant de saturation de 1A, avec une résistance nominale de 0,015n. Dans l'exemple de la figure 7, l'accumulateur A26 subit un dysfonctionnement en court-circuit. La figure 8 est un diagramme représentant l'évolution de l'intensité à travers les différentes branches suite à l'apparition du dysfonctionnement. Du fait de la présence des limiteurs de courant Li15, Li25, Li35 et Li16, Li26, Li36, les courants de charge transversaux provenant des accumulateurs A16, A36 et A46 restent relativement limités. De ce fait le courant de charge reçu par la branche Br2 ne vient pas des courants de charge transversaux mais par les connections externes des branches Br1, Br3, Br4,.non pourvues de limiteurs Les branches Br1, Br3 et Br4 fournissent donc un courant de charge (trait discontinu). La branche Br2 reçoit un courant de charge (en pointillés), correspondant au cumul des courants de charge des branches Br1, Br3 et Br4. La figure 9 est un diagramme représentant la tension aux bornes de l'accumulateur A26 (en pointillés) et la tension aux bornes des accumulateurs de la branche Br2 (en trait discontinu) exempts de dysfonctionnements. La tension aux bornes de l'accumulateur défaillant A26 chute progressivement jusqu'à une valeur proche de OV. La tension aux bornes des autres accumulateurs de la branche Br2 augmente progressivement d'une valeur de 3,3 V jusqu'à environ 3,8 V, pour compenser la baisse de tension dans l'étage Et6. Cette tension est largement supportable par les autres accumulateurs de la branche Br2 en technologie LiFeP. Comme illustré à la figure 10, la vitesse de décharge des accumulateurs A16, A36 et A46 (trait discontinu) est par conséquent nettement plus lente que la vitesse de décharge de l'accumulateur A26 (en pointillés). Progressivement, l'ensemble de l'étage Et6 se décharge et la tension aux bornes de la batterie 1 baisse en conséquence. Le temps de décharge de cet étage défaillant est bien entendu dépendant du nombre d'accumulateurs connectés en parallèle et du courant de saturation des limiteurs de courant. Dans une telle batterie, il reste possible de procéder à un équilibrage de charge des étages non défaillants même en présence d'un étage défaillant. Le circuit 2 pourra déterminer la présence d'un accumulateur défaillant en identifiant une branche absorbant un courant de charge provenant des autres branches ou en identifiant un étage aux bornes duquel la tension varie anormalement par rapport aux autres étages, soit lors d'une charge, soit lors d'une décharge. On peut également identifier un étage contenant un accumulateur défaillant à partir d'une variation importante de sa vitesse de décharge ou de son niveau de tension puisqu'il se décharge progressivement pour atteindre OV. La figure 11 représente schématiquement une variante avantageuse de 5 connexion d'accumulateurs dans un étage. En l'occurrence, l'ensemble des accumulateurs Al à A5 d'un étage Et ont une borne connectée à un noeud de connexion commun NC par l'intermédiaire de limiteurs de courant respectifs Li1 à Li5. L'autre borne de ces accumulateurs Al à A5 peut être connectée à un autre noeud de connexion commun par l'intermédiaire d'autres limiteurs de courant 10 respectifs. Une telle structure permet d'une part d'utiliser des limiteurs de courant unidirectionnels. Une telle structure permet par ailleurs de déterminer aisément quelle zone de la batterie est défaillante, les limiteurs de courant maintenant un contact électrique avec la zone défaillante. En outre, les courants d'équilibrage 15 transitent uniquement par le limiteur de charge associé à l'accumulateur concerné. Il n'y a ainsi pas de limiteur de courant qui voit transiter du courant de charge ou d'équilibrage à destination de plusieurs accumulateurs, ce qui limite les pertes et permet de réduire leur dimensionnement. A cet effet, le circuit 2 est ici connecté aux noeuds de connexion communs. En outre, une telle structure permet de limiter 20 le nombre de transistors intégrés dans les limiteurs de courant. Pour des limiteurs de courant dans le sens de la charge (courant allant du noeud commun vers les accumulateurs), si un accumulateur se retrouve en court-circuit, le courant de charge fourni par les autres accumulateurs de l'étage devra forcément traverser son limiteur de courant. L'accumulateur en court-circuit sera 25 donc protégé d'un courant de charge excessif. Pour des limiteurs de courant dans le sens de la décharge (courant allant d'un accumulateur vers le noeud commun), si un accumulateur se retrouve en court-circuit, les courants de décharge fournis par les autres accumulateurs de l'étage seront limités par leurs limiteurs de courant respectifs. L'accumulateur en 30 court-circuit sera donc protégé d'un courant de charge excessif par les limiteurs de courant des autres accumulateurs. La figure 12 représente schématiquement un limiteur de courant unidirectionnel Li, basé sur un transistor JFET T3, limitant le courant dans le sens d'un accumulateur vers le noeud commun NC. 35 Différents critères pourront être pris en compte pour dimensionner le courant de saturation et/ou la tension de saturation des limiteurs de courant. On pourra notamment utiliser des limiteurs de courant dont la tension de saturation est inférieure à la tension nominale de chacun des accumulateurs de la 40 batterie 1.

On pourra également utiliser un circuit d'équilibrage 2 configuré pour appliquer un courant d'équilibrage aux accumulateurs restant inférieur aux courants de saturation des limiteurs de courant. Le courant de saturation pourra également être défini à un courant nominal 5 d'un accumulateur aboutissant à sa décharge complète en une heure. Une batterie 1 destinée à alimenter un moteur électrique de véhicule automobile présente typiquement une tension nominale comprise entre 200 et 500 V. Pour une telle batterie, les limiteurs de courant pourront être dimensionnés pour présenter une intensité de saturation comprise entre 200 mA et 2 A, par exemple 10 de l'ordre de 1 A. Afin de limiter les pertes lors de la charge ou de l'équilibrage de charge dans la batterie 1, les limiteurs de courant sont avantageusement dimensionnés pour présenter une résistance réduite à l'état passant, typiquement inférieure ou égale à 0,1 n, de préférence inférieure à 1 n, lorsque la tension à leurs bornes est inférieure à ladite tension de saturation.

15 Avantageusement, le circuit 2 peut réaliser un écrêtage de tension aux bornes des accumulateurs, pour des accumulateurs de type lithium-ion incapables de réaliser naturellement cet écrêtage. Un tel écrêtage peut être réalisé par un circuit 2 d'un volume et d'un coût relativement réduits, du fait de la connexion en parallèle des accumulateurs d'un même étage.

20 Un dispositif de stockage ou batterie de puissance dont la tension nominale est généralement supérieure à 100V comprendra typiquement plusieurs modules ou batteries connectées en série. Chaque module comprendra alors plusieurs étages en série avec plusieurs branches en parallèle. Dans le cas où un 25 accumulateur soit défaillant dans l'un des modules, le circuit 2 pourra avantageusement commander le court-circuitage de ce module afin d'assurer la continuité de service du reste du dispositif de stockage. La figure 13 illustre un circuit d'isolation d'un module Mod en cas de défaillance de celui-ci. Le module Mod comporte des bornes B1 et B2 entre 30 lesquelles il applique sa différence de potentiel d'alimentation. Le circuit d'isolation comporte deux pôles de sortie de puissance P et N, destinées à être connectées à des modules en série ou à une des bornes de puissance du dispositif de stockage de puissance. Le circuit de puissance comporte deux branches connectées en parallèle entre les pôles P et N. Une première branche inclut 35 l'interrupteur 11 en série avec le module Mod. Une deuxième branche de dérivation inclut l'interrupteur. L'interrupteur 12 est configuré pour être normalement fermé, l'interrupteur 11 étant configuré pour être normalement ouvert. L'interrupteur 11 est configuré pour ouvrir/fermer sélectivement la branche incluant le module Mod. L'interrupteur 12 40 est configuré pour ouvrir/fermer sélectivement la branche de dérivation. La fermeture de l'interrupteur 11 est commandée par le circuit 2. En l'absence de signal de commande appliqué par le circuit 2, l'interrupteur 11 est maintenu ouvert afin d'isoler automatiquement le module Mod en cas de dysfonctionnement. La fermeture de l'interrupteur 12 est commandée par défaut par la tension entre les bornes B1 et B2. Ainsi, la présence normale d'une tension entre les bornes B1 et B2 maintient l'interrupteur 12 ouvert en l'absence d'autres commandes, ce qui assure le court-circuitage du module Mod par défaut en cas de dysfonctionnement. L'ouverture de l'interrupteur 12 doit être commandée de façon active par le circuit 2 afin d'appliquer la tension du module Mod sur les pôles P et N. Les interrupteurs 11 et 12 peuvent être des transistors de type MOSFET, qui 10 peuvent aisément être dimensionnés de façon appropriée à un coût relativement réduit. Les transistors 11 et 12 peuvent être de type nMOS. La figure 14 illustre un système 4 comprenant des modules Mod1, Mod2, Mod3 connectés en série. Le module Mod1 est connecté entre les pôles P1 et P2, 15 le module Mod2 est connecté entre les pôles P2 et P3, le module Mod3 est connecté entre les pôles P3 et P4. Le circuit d'isolation du module Mod1 comprend des interrupteurs 111 et 112, le circuit d'isolation du module Mod2 comprend des interrupteurs 121 et 112, le circuit d'isolation du module Mod3 comprend des interrupteurs 131 et 132. Dans la configuration illustrée, les modules 20 Mod1, Mod2, Mod3 sont opérationnels. Par conséquent, les interrupteurs 111, 121 et 131 sont fermés et leurs interrupteurs 112, 122 et 132 sont ouverts, de sorte que les modules Mod1, Mod2, Mod3 sont connectés en série. La figure 14 illustre le système 4 lorsque le module Mod2 connaît un dysfonctionnement. Lorsque le circuit 2 détecte ce dysfonctionnement, il ouvre 25 l'interrupteur 121 et ferme l'interrupteur 122. Le module Mod2 est ainsi court-circuité. Le module Mod2 peut être ainsi isolé afin d'éviter sa charge et ainsi éviter une avarie plus grave. Le système 4 peut donc être utilisé de façon dégradée en assurant sa continuité de service.

30 L'invention s'applique à une batterie comprenant au moins deux étages et au moins trois accumulateurs dans chaque étage, bien qu'un nombre d'étages et d'accumulateurs plus important ait été mentionnés dans les différents modes de réalisation décrits.

Claims

REVENDICATIONS1. Batterie d'accumulateurs (1), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins : -des premier et deuxième étages (Etl, Et2) connectés électriquement en série, chaque étage incluant au moins des premier à troisième accumulateurs (Al 1, A21, A31) connectés électriquement en parallèle ; -au moins des premier et deuxième limiteurs de courant (Lil 1, Li21) par l'intermédiaire desquels les premier à troisième accumulateurs (A11, A21, A31) dudit premier étage (Et1) sont connectés en parallèle et par l'intermédiaire desquels les premier à troisième accumulateurs (Al2, A22, A32) dudit deuxième étage (Et2) sont connectés en parallèle.
2. Batterie d'accumulateurs selon la revendication 1, comprenant en outre un troisième limiteur de courant (Li3), lesdits premier à troisième accumulateurs (Al, A2, A3) du premier étage étant connectés à un noeud de connexion commun (NC) par l'intermédiaire respectivement des premiers à troisième limiteurs de courant (Lil, Li2, Li3).
3. Batterie d'accumulateurs selon la revendication 2, dans laquelle lesdits premier à troisième limiteurs de courant (Lil, Li2, Li3) limitent le courant de façon unidirectionnelle entre le noeud de connexion commun (NC) et respectivement les premier à troisième accumulateurs (Al, A2, A3).
4. Batterie d'accumulateurs selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdits limiteurs de courant incluent chacun un premier transistor de type JFET dont la grille est connectée à la source, dont la source est connectée à une borne d'un des accumulateurs du premier étage et dont le drain est connecté à une borne d'un autre des accumulateurs du premier étage.
5. Batterie d'accumulateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle lesdits limiteurs de courant incluent chacun un premier transistor de type Mosfet à déplétion dont la grille est connectée à la source, dont la source est connectée à une borne d'un des accumulateurs du premier étage et dont le drain est connecté à une borne d'un des accumulateurs du premier étage.
6. Batterie d'accumulateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle lesdits limiteurs de courant incluent chacun un premier transistor de type Mosfet à enrichissement et un circuit de commande configuré pour maintenir ledit transistor Mosfet fermé.
7. Batterie d'accumulateurs selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle lesdits limiteurs de courant incluent chacun un deuxième transistor de même type que le premier transistor et monté tête-bêche avec le premier transistor.
8. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins cinq étages (Et1-Et8) connectés électriquement en série, chaque étage incluant au moins des premier à troisième accumulateurs de type lithium-ion LiFeP et connectés électriquement en parallèle par l'intermédiaire d'au moins deux limiteurs de courant respectifs.
9. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la tension nominale aux bornes de chacun desdits accumulateurs est supérieure à la tension de saturation aux bornes des limiteurs de courant au-delà de laquelle les limiteurs de courant sont traversés par un courant de saturation sensiblement constant.
10. Batterie selon la revendication 8, dans laquelle chacun desdits limiteurs de courant se comporte comme un circuit résistif présentant une résistance inférieure à 1n lorsque la tension à ses bornes est inférieure à ladite tension de saturation.
11. Système comprenant : -une batterie selon la revendication 8 ou 10; -un circuit d'équilibrage (2) connecté aux bornes de chacun des étages de l'accumulateur et configuré pour appliquer un courant d'équilibrage aux accumulateurs d'un étage, ce courant d'équilibrage présentant une amplitude maximale inférieure audit courant de saturation.
12. Système selon la revendication 11, incluant une batterie selon la revendication 9, et dans lequel le circuit d'équilibrage (2) est connecté à un noeud de connexion commun (NC) des accumulateurs d'un étage et configuré pour appliquer un courant d'équilibrage à chacun des accumulateurs dudit étage, le courant d'équilibrage de chacun des accumulateurs présentant une amplitude maximale inférieure audit courant de saturation divisé par le nombre d'accumulateurs dudit étage.
13. Système (3) comprenant: -deux batteries (Mod1, Mod2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lesdites batteries étant connectées en série et comportant chacune des premier et deuxième pôles de sortie de puissance (P1, P2) ;-un dispositif de sécurisation associé à une desdites batterie (Mod1) et comprenant : -des premier et deuxième interrupteurs (111, 112), le premier interrupteur étant un interrupteur normalement ouvert (111), le deuxième interrupteur étant un interrupteur normalement fermé (112), une tension d'alimentation de ladite batterie (Mod1) étant appliquée comme signal de commande de fermeture par défaut du deuxième interrupteur (112); -des première et deuxième branches connectées en parallèle entre les premier et deuxième pôles de sortie de puissance (P1, P2), la première branche incluant une batterie et l'interrupteur normalement ouvert (111) connectés en série, la deuxième branche étant sélectivement ouverte/fermée par l'interrupteur normalement fermé (112).
14.Système selon la revendication 13, comprenant en outre un circuit de commande (2) qui, durant l'utilisation de la batterie associée au dispositif de sécurisation, applique un signal de commande forçant la fermeture du premier interrupteur et applique un signal de commande forçant l'ouverture du deuxième interrupteur.