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WO2013121133A2 - Systeme d'adaptation de tension et de courant d'une batterie au lithium-ion, pour un vehicule automobile - Google Patents

Systeme d'adaptation de tension et de courant d'une batterie au lithium-ion, pour un vehicule automobile Download PDF

Info

Publication number
WO2013121133A2
WO2013121133A2 PCT/FR2013/050268 FR2013050268W WO2013121133A2 WO 2013121133 A2 WO2013121133 A2 WO 2013121133A2 FR 2013050268 W FR2013050268 W FR 2013050268W WO 2013121133 A2 WO2013121133 A2 WO 2013121133A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
voltage
switch
matching system
resistance
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/050268
Other languages
English (en)
Other versions
WO2013121133A3 (fr
Inventor
Erwan Monnier
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peugeot Citroen Automobiles Sa filed Critical Peugeot Citroen Automobiles Sa
Publication of WO2013121133A2 publication Critical patent/WO2013121133A2/fr
Publication of WO2013121133A3 publication Critical patent/WO2013121133A3/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0862—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery
    • F02N11/0866—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery comprising several power sources, e.g. battery and capacitor or two batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the present invention relates to a voltage and current matching system for a battery of the onboard network of a motor vehicle, and a motor vehicle equipped with such an adaptation system.
  • Motor vehicles generally comprise lead batteries charged by an alternator, which are connected to the on-board network to supply the equipment of this network.
  • Lead-acid batteries generally comprising a voltage of about 12V, are commonly used because they have a reduced cost.
  • the vehicle networks may comprise a single battery, or several associated batteries, which will be called thereafter generally "battery".
  • a problem that arises is that lead batteries having a high mass, about 20 to 25 kg, are relatively heavy compared to the amount of electrical energy they store.
  • lead-acid batteries are, for the moment, derogated from the legislation of the European Commission which prohibits lead. This derogation could be removed one day, prohibiting the sale of these batteries, forcing manufacturers to provide alternatives.
  • Li-ion batteries including ferphosphate technology with a voltage level close to the current one by combining four cells in series, could replace lead-acid batteries.
  • this type of battery poses, depending on the operating mode, and temperature, voltage and current problems that may be different from those of lead batteries.
  • the internal resistance of this type of battery is higher than for lead-acid batteries, causing a voltage drop of the battery which, for a low voltage of this battery battery, can prevent the engine from starting.
  • boost a higher voltage
  • the battery with iron phosphate retains with a high load level, for example 90%, a large current acceptance may saturate the alternator that can not raise its voltage high enough.
  • a known solution presented in particular by the document GB-316436, comprises inductors and electric capacitors arranged in different ways on the stator circuit of this machine.
  • the present invention is intended to avoid these disadvantages of the prior art.
  • a voltage and current adaptation system for a lithium-ion battery intended for the electrical equipment of a motor vehicle, comprising a heat engine starter, an alternator and an on-board electrical system connected to the battery, characterized in that it comprises an electric circuit arranged between firstly the battery, and secondly the starter and the alternator, this circuit comprising resistors, and switches establishing different connections to to intercalate certain resistances between the battery and the equipment, according to the modes of operation of this equipment.
  • An advantage of this voltage and current matching system is that with a simple circuit interposed between the battery on the one hand and the alternator and the starting means on the other hand, it is possible to correct the voltages and the currents of a lithium-ion battery, in order to use without modification the electrical equipment usually provided for lead-acid batteries.
  • the voltage and current matching system of the invention may further include one or more of the following features, which may be combined with each other.
  • the adaptation system comprises at least two possible links that can be alternately interposed between the battery and the starter, one comprising a low resistance and the other a higher resistance.
  • the links are arranged in parallel, each having a resistor, and a switch mounted in series to activate this resistance.
  • the voltage and current matching system comprises at least two possible links that can be alternately interposed between the battery and the alternator, at least one comprising a higher resistance.
  • the voltage and current matching system incorporates at least some of the components of a protection device of a lithium-ion battery, comprising, starting from the positive terminal of the cells of this battery, a switch of protection upstream, then a downstream protection switch, each switch comprising a switch function having an internal diode arranged in parallel.
  • the downstream protection switch may have the low resistance arranged in series, to connect it between the battery and the starter.
  • the downstream protection switch and its low resistance arranged in series can receive in parallel the stronger resistance and its switch.
  • the upstream protection switch can receive in parallel a stronger resistance and its switch.
  • the approximate values of the resistances are as follows, for a resistance which is low, I mOhms, for a resistance which is stronger, 6mOhms.
  • the voltage and current matching system is integrated at least partially in the battery.
  • some of the components of the voltage and current matching system are integrated in the starter.
  • the invention also relates to a motor vehicle equipped with a lithium-ion battery, intended for electrical equipment comprising a heat engine starter, an alternator and an onboard network, this vehicle having more than one system of voltage and current adaptation having any of the preceding features.
  • the battery may comprise cells using iron-phosphate technology.
  • FIG. 4 shows a diagram of a lithium-ion battery comprising a protection device
  • FIGS. 6 to 10 show five graphs showing, as a function of time, for a lead-acid battery, and for a lithium-ion battery with the fourth electric circuit, voltages and intensities;
  • FIG. 1 shows a fifth circuit diagram for an electrical adapter system.
  • FIG. 1 shows, for a motor vehicle, an iron phosphate battery 2, the negative terminal of which is directly connected firstly to the body of the body 4, and secondly to the earth of the power unit 6.
  • the terminal positive battery 2 is directly connected to the vehicle's on-board network 8, comprising various accessories of the powertrain or the body, to supply power.
  • the positive terminal of the battery 2 is also connected by a first electrical circuit 10, to the starter 12 of the heat engine, and to the alternator 14 driven by this engine, which produces the charging electricity of this battery.
  • the starter 12 can be made according to the various known technologies, for example to perform cold starts of the engine, or automatically reboots after short stops.
  • the electrical circuit 10 comprises between the positive terminal of the battery 2 and the starter 12, a first link comprising a low resistance R1 arranged in series with a first switch K1, and a second link comprising a higher resistance R2 arranged in series with a second switch K2.
  • the electrical circuit 10 comprises between the positive terminal of the battery 2 and the alternator 14, a third link comprising only a switch K3, and a fourth link comprising a higher resistance R2 'disposed in series with a fourth switch K2'.
  • the orders of magnitude of the resistances are as follows, for the weak resistance R1, I mOhms, for the higher resistances R2, R2 ', 6mOhms.
  • the switches K1, K2, ⁇ 3, ⁇ 2 ' are controlled by a control and control electronics receiving various information on the operation of the vehicle and on the demands of the driver, who implements a control method according to the received information, for activate these switches which each connect a link.
  • the electrical circuit 10 can be included in various systems of the vehicle, in particular in the battery supervision electronics 2 which can be integrated in this battery or not, in order to achieve a compact and economical package.
  • the operation of the first electrical circuit 10 is as follows.
  • the control method can close only the switch K2 to pass the intensity by the stronger resistance R2, and perform a voltage clipping by lowering the voltage delivered by the battery.
  • a voltage of 13.4V is passed for a battery with iron phosphate, a voltage called TO which is 12.8V for a lead battery.
  • the starter 12 then operating under normal conditions, does not involve any risk of premature wear.
  • the control method can alternatively close only the switch K1 to pass the intensity by the low resistance R1, which then gives a higher voltage called TO + x which is 13.4V, delivering exceptional way to the starter 12 a stronger power facilitating starting in difficult conditions, for example during cold periods.
  • the control method can close only the switch K3 to pass the charging current without additional resistance, so as to deliver the maximum power to the battery with iron-phosphate which can accept a strong current while its level of charge is high.
  • the strong current usually saturates the alternator.
  • the control method can alternatively close only the switch K2 'to pass the intensity by the stronger resistance R2'. This reduces the charge current in the battery 2 and the risk of saturation of the alternator 14, the voltage delivered by the alternator can go up.
  • FIG. 2 shows alternatively for the same motor vehicle, a second electrical circuit 20 similar to the previous circuit 10, comprising between the positive terminal of the battery 2, and the starter 12 as well as the alternator 14 connected together, the first link comprising the low resistance R1 arranged in series with the first switch K1, the second link comprising the higher resistance R2 arranged in series with the second switch K2, and the third link comprising only the switch K3.
  • FIG. 3 shows alternatively for the same motor vehicle, a third electrical circuit 30 similar to the preceding circuit 20, comprising only between the positive terminal of the battery 2, and the starter 12 as well as the alternator 14 connected together, the first link comprising the low resistance R1 arranged in series with the first switch K1, and the second link comprising the higher resistance R2 arranged in series with the second switch K2.
  • FIG. 4 shows a diagram of an iron phosphate battery 2 comprising four elementary cells which deliver a voltage of approximately 12V, and a protection device comprising, starting from the positive terminal of these cells, a protection switch called by upstream convention Kr, then a protection switch called downstream Kd.
  • the protection device is integrated in the battery 2.
  • Each switch Kr, Kd typically consists of a power transistor of the MOS type, represented by a switch having an internal diode disposed in parallel with this switch.
  • FIG. 5 shows a fourth electrical circuit 40, resulting from a pooling of the protection device with the voltage matching system described above.
  • This diagram shows the two upstream protection switches Kr and downstream Kd connected in series, between the battery 2 on one side, and on the other side the starter 12 and the alternator 14 connected together.
  • the low resistance R1 is added between the downstream switch Kd, and the connection to the starter 12 and the alternator 14.
  • the edge network 8 is connected between the two protection switches Kr, Kd.
  • the operation of the fifth electrical circuit 50 is as follows.
  • FIGS. 6 and 7 show, as a function of the time t in seconds, respectively the currents I in Amperes and the voltages U in volts, currents consumed by the same starter 12 during a start of the engine, supplied by various means.
  • the lower curves at the beginning of the graphs 60, 70 respectively show the intensity and the voltage for a battery at lead, they are the reference values adapted to the starter 12, which was originally designed for this battery.
  • the highest curves at the beginning of the graphs 62, 72 respectively show the intensity and the voltage for a battery with iron-phosphate, without resistance in the circuit.
  • the curves 64, 74 which are at the beginning of the graphs slightly above the curves 60, 70, and at the end slightly below, present respectively the intensity and the voltage for a battery with iron-phosphate, with the stronger resistance R2 arranged in series in order to perform the voltage clipping which protects the starter 12. In this case one obtains curves very close to the reference values 60, 70, the starter 12 works under similar conditions.
  • FIGS. 8 and 9 show, as a function of time t in seconds, respectively the currents I in Amperes and the voltages U in Volts, currents produced by alternator 14 charging a lead-acid battery for curves 90 and 100, and currents charging an iron-phosphate battery for the curves 92 and 102.
  • the setpoint voltage of the alternator 14 is 14.2V, and the intensity of the current is limited in absolute value to 180A. There is no additional resistance in the circuits, between the alternator 14 and the battery 2.
  • the intensity of the current 90 rises to about 100A, and that the voltage 100 remains stable at 15.2V.
  • the intensity of the current 92 is well limited in absolute value at 180A, but that the voltage 102 does not exceed 13.7V. It is deduced that the iron-phosphate battery absorbs all the current produced, which saturates the alternator 14 and prevents to reach the required voltage of 14.2V. You can not perform a boost mode on the network 8.
  • FIG. 10 shows, as a function of the time t in seconds, the curve 1 12 of the intensity I in amperes of the current produced by the alternator 14 charging the battery with iron-phosphate 2, with a reference voltage of this alternator which is always 14.2V, and the stronger resistance R2 'arranged in series in the charging circuit.
  • FIG. 11 presents a fifth electrical circuit 120, which is simplified with respect to the fourth circuit 50 shown in FIG. 5. It comprises only one downstream switch Kd, the positive voltage for supplying the on-board network 8 being taken after this switch .
  • the resistors R1 and R2 are deported out of this fifth circuit 120, they can advantageously be integrated into the starter 12.
  • the adaptation system can be used advantageously with batteries comprising lithium-ion cells, using in particular iron-phosphate technology, but also with all types of electrochemical batteries requiring impedance adaptations. This facilitates the integration of lithium-ion batteries by limiting the modifications on the vehicle, including the starter and the alternator.

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Abstract

Système d'adaptation de tension et de courant pour une batterie (2) au lithium-ion, destinée aux équipements électriques d'un véhicule automobile, comprenant un démarreur (12) de moteur thermique, un alternateur (14) et un réseau de bord (8), caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique (10) disposé entre d'une part la batterie (2), et d'autre part le démarreur (12) et l'alternateur (14), ce circuit comprenant des résistances (R1, R2, R2'), et des commutateurs (K1, K2, K3, K2') établissant différentes liaisons afin d'intercaler certaines résistances entre la batterie et les équipements, suivant les modes de fonctionnement de ces équipements.

Description

SYSTEME D'ADAPTATION DE TENSION ET DE COURANT D'UNE BATTERIE AU LITHIUM-ION, POUR UN VEHICULE AUTOMOBILE
La présente invention concerne un système d'adaptation de tension et de courant pour une batterie du réseau de bord d'un véhicule automobile, ainsi qu'un véhicule automobile équipé d'un tel système d'adaptation.
Les véhicules automobiles comportent généralement des batteries au plomb chargées par un alternateur, qui sont reliées au réseau de bord pour alimenter les équipements de ce réseau. Les batteries au plomb comprenant généralement une tension d'environ 12V, sont couramment utilisées car elles comportent un coût réduit. Les réseaux de bord peuvent comporter une seule batterie, ou plusieurs batteries associées, qui seront appelées par la suite d'une manière générale « batterie ».
Un problème qui se pose est que les batteries au plomb comportant une masse élevée, environ 20 à 25kg, sont relativement lourdes par rapport à la quantité d'énergie électrique qu'elles stockent.
De plus les batteries au plomb font pour l'instant l'objet d'une dérogation par rapport à la législation de la commission européenne qui interdit le plomb. Cette dérogation pourrait être supprimée un jour, interdisant la vente de ces batteries, ce qui oblige les constructeurs à prévoir des solutions de remplacement.
Les batteries au lithium-ion « Li-ion », notamment la technologie fer- phosphate comportant un niveau de tension proche de celui actuel en associant quatre cellules en série, pourraient remplacer les batteries au plomb. Cependant ce type de batterie pose en fonction du mode de fonctionnement, et de la température, des problèmes de tension et de courant qui peuvent être différents de ceux des batteries au plomb.
En particulier pour les démarrages aux températures courantes, avec une batterie au fer-phosphate la tension est plus élevée. Cette tension est avec une batterie chargée de l'ordre de 13.4V, au lieu de 12.8V pour la batterie au plomb, et la chute de tension est plus faible, ce qui donne une plus grande puissance de démarrage ou de redémarrage du moteur thermique, mais un risque de réduction de la durée de vie de l'organe de démarrage.
Pour les démarrages du moteur aux températures froides, notamment inférieures à 0° C, la résistance interne de ce type de batterie est plus élevée que pour les batteries au plomb, entraînant une chute de tension de la batterie qui, pour une tension basse de cette batterie, peut empêcher le démarrage du moteur.
Par ailleurs, en cours de roulage certains organes du réseau de bord peuvent demander dans un mode de fonctionnement appelé « boost » une tension plus élevée, par exemple de l'ordre de 14.2V. Or la batterie au fer- phosphate conserve avec un niveau de charge élevé, par exemple de 90%, une acceptation de courant importante risquant de saturer l'alternateur qui ne pourra pas monter sa tension assez haut.
Pour protéger une machine électrique de pointes de courant, une solution connue, présentée notamment par le document GB-316436, comporte des selfs et des condensateurs électriques disposés de différentes manières sur le circuit du stator de cette machine.
Toutefois ce type de circuit ne convient pas pour l'adaptation d'une batterie au fer-phosphate sur un circuit d'un réseau de bord d'un véhicule automobile, prévu pour recevoir une batterie au plomb.
La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet un système d'adaptation de tension et de courant pour une batterie au lithium-ion, destinée aux équipements électriques d'un véhicule automobile, comprenant un démarreur de moteur thermique, un alternateur et un réseau de bord relié à la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique disposé entre d'une part la batterie, et d'autre part le démarreur et l'alternateur, ce circuit comprenant des résistances, et des commutateurs établissant différentes liaisons afin d'intercaler certaines résistances entre la batterie et les équipements, suivant les modes de fonctionnement de ces équipements.
Un avantage de ce système d'adaptation de tension et de courant, est qu'avec un circuit simple interposé entre d'une part la batterie, et d'autre part l'alternateur et le moyen de démarrage, on peut corriger les tensions et les courants d'une batterie au lithium-ion, afin d'utiliser sans modification des équipements électriques habituellement prévus pour les batteries au plomb.
Le système d'adaptation de tension et de courant selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
Avantageusement, le système d'adaptation comporte au moins deux liaisons possibles qui peuvent être alternativement interposées entre la batterie et le démarreur, l'une comprenant une résistance faible et l'autre une résistance plus forte.
Avantageusement, les liaisons sont disposées en parallèle, chacune comportant une résistance, et un commutateur monté en série permettant d'activer cette résistance.
Avantageusement, le système d'adaptation de tension et de courant comporte au moins deux liaisons possibles qui peuvent être alternativement interposées entre la batterie et l'alternateur, l'une au moins comprenant une résistance plus forte.
Avantageusement, certaines des liaisons possibles vers le démarreur et vers l'alternateur, sont communes.
Avantageusement, le système d'adaptation de tension et de courant, intègre au moins certains des composants d'un dispositif de protection d'une batterie au lithium-ion, comportant en partant de la borne positive des cellules de cette batterie, un commutateur de protection amont, puis un commutateur de protection aval, chaque commutateur comprenant une fonction interrupteur comportant une diode interne disposée en parallèle.
Le commutateur de protection aval peut comporter la résistance faible disposée en série, pour la connecter entre la batterie et le démarreur. Le commutateur de protection aval et sa résistance faible disposée en série, peuvent recevoir en parallèle la résistance plus forte et son commutateur.
Le commutateur de protection amont, peut recevoir en parallèle une résistance plus forte et son commutateur.
Avantageusement, les valeurs approximatives des résistances sont les suivantes, pour une résistance qui est faible, I mOhms, pour une résistance qui est plus forte, 6mOhms.
Selon un mode de réalisation, le système d'adaptation de tension et de courant est intégré au moins partiellement dans la batterie.
Selon un autre mode de réalisation, certains des composants du système d'adaptation de tension et de courant, sont intégrés dans le démarreur.
L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile équipé d'une batterie au lithium-ion, destinée aux équipements électriques comprenant un démarreur de moteur thermique, un alternateur et un réseau de bord, ce véhicule disposant de plus d'un système d'adaptation de tension et de courant comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes.
En particulier, la batterie peut comporter des cellules utilisant la technologie fer-phosphate.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1 à 3 présentent successivement trois schémas de circuits électriques pour des systèmes d'adaptation réalisés suivant l'invention ;
- la figure 4 présente un schéma d'une batterie au lithium-ion comportant un dispositif de protection ;
- la figure 5 présente un quatrième schéma de circuit électrique, résultant d'une mise en commun d'un système d'adaptation avec le dispositif de protection de la batterie ; - les figures 6 à 10 présentent cinq graphiques montrant en fonction du temps, pour une batterie au plomb, et pour une batterie au lithium-ion avec le quatrième circuit électrique, des tensions et des intensités ; et
- la figure 1 1 présente un cinquième schéma de circuit électrique pour un système d'adaptation.
La figure 1 présente pour un véhicule automobile, une batterie au fer- phosphate 2 dont la borne négative est directement reliée d'une part à la masse de la caisse 4, et d'autre part à la masse du groupe motopropulseur 6. La borne positive de la batterie 2 est directement reliée au réseau de bord 8 du véhicule, comprenant différents accessoires du groupe motopropulseur ou de la caisse, pour les alimenter en courant.
La borne positive de la batterie 2 est aussi reliée par un premier circuit électrique 10, au démarreur 12 du moteur thermique, et à l'alternateur 14 entraîné par ce moteur, qui produit l'électricité de recharge de cette batterie. On notera que le démarreur 12 peut être réalisé suivant les différentes technologies connues, pour effectuer par exemple les démarrages à froid du moteur thermique, ou de manière automatique les redémarrages après des arrêts de courte durée.
Le circuit électrique 10 comporte entre la borne positive de la batterie 2 et le démarreur 12, une première liaison comprenant une résistance faible R1 disposée en série avec un premier commutateur K1 , et une deuxième liaison comprenant une résistance plus forte R2 disposée en série avec un deuxième commutateur K2.
Le circuit électrique 10 comporte entre la borne positive de la batterie 2 et l'alternateur 14, une troisième liaison comprenant uniquement un commutateur K3, et une quatrième liaison comprenant une résistance plus forte R2' disposée en série avec un quatrième commutateur K2'.
Les ordres de grandeur des résistances sont les suivants, pour la résistance faible R1 , I mOhms, pour les résistances plus fortes R2, R2', 6mOhms. Les commutateurs K1 , K2, Κ3, Κ2' sont pilotés par une électronique de contrôle et de commande recevant différentes informations sur le fonctionnement du véhicule et sur les demandes du conducteur, qui met en œuvre un procédé de pilotage en fonction des informations reçues, pour activer ces commutateurs qui connectent chacun une liaison.
Le circuit électrique 10 peut être inclus dans différents systèmes du véhicule, en particulier dans l'électronique de supervision de la batterie 2 qui peut être intégrée dans cette batterie ou non, afin de réaliser un ensemble compacte et économique.
Le fonctionnement du premier circuit électrique 10 est le suivant.
Pour le démarrage du moteur thermique utilisant le démarreur 12, le procédé de pilotage peut fermer uniquement le commutateur K2 pour passer l'intensité par la résistance plus forte R2, et réaliser un écrêtage de tension en baissant cette tension délivrée par la batterie. Dans le cas de batteries chargées, on passe alors d'une tension de 13.4V pour une batterie au fer- phosphate, à une tension appelée TO qui est de 12.8V pour une batterie au plomb.
Le démarreur 12 fonctionnant alors dans des conditions habituelles, ne comporte pas de risque d'usure prématurée.
Pour ce démarrage du moteur thermique, le procédé de pilotage peut en variante fermer uniquement le commutateur K1 pour passer l'intensité par la résistance faible R1 , ce qui donne alors une tension plus élevée appelée TO+x qui est de 13.4V, délivrant de manière exceptionnelle au démarreur 12 une puissance plus forte facilitant des démarrages dans des conditions difficiles, par exemple lors des périodes froides.
Pour la recharge simple de la batterie 2 par l'alternateur 14, le procédé de pilotage peut fermer uniquement le commutateur K3 pour passer le courant de recharge sans résistance additionnelle, de manière à délivrer la puissance maximum à la batterie au fer-phosphate qui peut accepter un fort courant alors que son niveau de charge est élevé. Le fort courant sature alors généralement l'alternateur. Dans le cas où on veut délivrer au réseau de bord 8 une tension plus élevée, par exemple pour donner aux équipements de ce réseau une puissance plus élevée dans le mode de recharge boost, ou si l'on veut à puissance égale réduire l'intensité délivrée aux équipements pour préserver la durée de vie de ces équipements, le procédé de pilotage peut en variante fermer uniquement le commutateur K2' pour passer l'intensité par la résistance plus forte R2'. On réduit ainsi le courant de charge dans la batterie 2 et les risques de saturation de l'alternateur 14, la tension délivrée par cet alternateur peut remonter.
La figure 2 présente en variante pour le même véhicule automobile, un deuxième circuit électrique 20 similaire au circuit précédent 10, comportant entre la borne positive de la batterie 2, et le démarreur 12 ainsi que l'alternateur 14 reliés ensemble, la première liaison comprenant la résistance faible R1 disposée en série avec le premier commutateur K1 , la deuxième liaison comprenant la résistance plus forte R2 disposée en série avec la deuxième commutateur K2, et la troisième liaison comprenant uniquement le commutateur K3.
On a ainsi avec une liaison en moins ce qui réduit les coûts, pour le démarrage du moteur thermique avec le démarreur 12, comme précédemment, le choix de disposer en série uniquement la résistance faible R1 , ou la résistance plus forte R2 pour l'écrêtage de tension.
On a aussi pour la recharge de la batterie 2 comme précédemment, le choix de disposer en série uniquement la résistance plus forte R2 qui a la même valeur que la résistance plus forte R2' précédente, pour le mode de recharge avec boost, ou de ne pas utiliser de résistance avec le commutateur K3 pour la recharge simple.
La figure 3 présente en variante pour le même véhicule automobile, un troisième circuit électrique 30 similaire au circuit précédent 20, comportant seulement entre la borne positive de la batterie 2, et le démarreur 12 ainsi que l'alternateur 14 reliés ensemble, la première liaison comprenant la résistance faible R1 disposée en série avec le premier commutateur K1 , et la deuxième liaison comprenant la résistance plus forte R2 disposée en série avec le deuxième commutateur K2.
On a ainsi avec une liaison en moins ce qui réduit encore les coûts, pour le démarrage du moteur thermique avec le démarreur 12, comme précédemment, le choix de disposer en série uniquement la résistance faible R1 , ou la résistance plus forte R2 pour l'écrêtage de tension.
On a aussi pour la recharge de la batterie 2 comme précédemment, le choix de disposer en série uniquement la résistance plus forte R2 pour le mode de recharge avec boost, ou de disposer en série uniquement la résistance faible R1 pour le mode de recharge simple, cette résistance R1 étant assez faible pour retrouver quasiment une liaison sans résistance.
La figure 4 présente un schéma d'une batterie au fer-phosphate 2 comprenant quatre cellules élémentaires qui délivrent une tension d'environ 12V, et un dispositif de protection comportant en partant de la borne positive de ces cellules, un commutateur de protection appelé par convention amont Kr, puis un commutateur de protection appelé aval Kd. Avantageusement, le dispositif de protection est intégré dans la batterie 2.
Chaque commutateur Kr, Kd est constitué typiquement d'un transistor de puissance du type MOS, représenté par un interrupteur disposant d'une diode interne disposée en parallèle de cet interrupteur.
On dispose ainsi de quatre modes de fonctionnement possible. Avec les deux commutateurs de protection Kr, Kd ouverts, la batterie est isolée. Avec le commutateur Kr ouvert et le commutateur Kd fermé, la décharge est possible, et la batterie est protégée contre les charges trop élevées. Avec le commutateur Kr fermé et le commutateur Kd ouvert, la charge est possible, et la batterie est protégée contre les décharges trop fortes. Et avec les deux commutateurs de protection Kr, Kd fermés, la batterie est pleinement fonctionnelle pour la charge comme pour la décharge.
La figure 5 présente un quatrième circuit électrique 40, résultant d'une mise en commun du dispositif de protection avec le système d'adaptation de tension décrit précédemment. On retrouve pour ce schéma les deux commutateurs de protection amont Kr et aval Kd reliés en série, entre d'un côté la batterie 2, et de l'autre côté le démarreur 12 et l'alternateur 14 reliés ensemble. La résistance faible R1 est ajoutée entre le commutateur aval Kd, et la connexion vers le démarreur 12 et l'alternateur 14. Le réseau de bord 8 est connecté entre les deux commutateurs de protection Kr, Kd.
Entre la batterie 2 et le réseau de bord 8 on a un deuxième commutateur amont K2' avec sa résistance plus forte R2' montée en série, qui est disposé en parallèle du premier commutateur amont Kr.
Et entre le réseau de bord 8, et le démarreur 12 et l'alternateur 14, on a un deuxième commutateur aval K2 avec sa résistance plus forte R2 montée en série, qui est disposé en parallèle du premier commutateur aval Kd.
Le fonctionnement du cinquième circuit électrique 50 est le suivant.
Avec les deux commutateurs amont Kr, K2' ouverts, et les deux commutateurs aval Kd, K2 fermés, la décharge est possible, et la batterie est protégée contre les charges trop élevées. Avec les deux commutateurs aval Kd, K2 ouverts, et les deux commutateurs amont Kr, K2' fermés, la charge est possible, et la batterie est protégée contre les décharges trop fortes.
Avec les commutateurs Kr, K2 et K2' fermés et le commutateur Kd ouvert, on a la résistance plus forte R2 en série dans le cas de la décharge, pour l'écrêtage de tension afin de protéger le démarreur 12. Avec les commutateurs Kd, K2 et K2' fermés et le commutateur Kr ouvert, on a la résistance plus forte R2' en série dans le cas de la charge, qui procure le mode de recharge avec boost donnant aux équipements du réseau une puissance plus élevée.
Les figures 6 et 7 présentent en fonction du temps t en secondes, respectivement les intensités I en Ampères et les tensions U en Volts, des courants consommés par un même démarreur 12 lors d'un démarrage du moteur thermique, alimenté par différents moyens.
Les courbes les plus basses au début des graphiques 60, 70, présentent respectivement l'intensité et la tension pour une batterie au plomb, elles constituent les références de valeurs adaptées au démarreur 12, qui a été conçu à l'origine pour cette batterie.
Les courbes les plus hautes au début des graphiques 62, 72 présentent respectivement l'intensité et la tension pour une batterie au fer-phosphate, sans résistance dans le circuit.
Les courbes 64, 74 qui se trouvent au début des graphiques légèrement au dessus des courbes 60, 70, et à la fin légèrement en dessous, présentent respectivement l'intensité et la tension pour une batterie au fer-phosphate, avec la résistance plus forte R2 disposée en série afin de réaliser l'écrêtage de tension qui protège le démarreur 12. On obtient bien dans ce cas des courbes très proches des valeurs de référence 60, 70, le démarreur 12 travaille dans des conditions similaires.
Les figures 8 et 9 présentent en fonction du temps t en secondes, respectivement les intensités I en Ampères et les tensions U en Volts, des courants produits par l'alternateur 14 chargeant une batterie au plomb pour les courbes 90 et 100, et des courants chargeant une batterie au fer- phosphate pour les courbes 92 et 102. Pour la batterie au fer-phosphate, la tension de consigne de l'alternateur 14 est de 14.2V, et on limite l'intensité du courant en valeur absolue à 180A. Il n'y a pas de résistance additionnelle dans les circuits, entre l'alternateur 14 et la batterie 2.
On constate pour la batterie au plomb, que l'intensité du courant 90 monte à environ 100A, et que la tension 100 reste stable à 15.2V.
On constate aussi pour la batterie au fer-phosphate, que l'intensité du courant 92 est bien limitée en valeur absolue à 180A, mais que la tension 102 ne dépasse pas 13.7V. On en déduit que la batterie au fer-phosphate absorbe tout le courant produit, ce qui sature l'alternateur 14 et empêche d'atteindre la tension demandée de 14.2V. On ne peut pas réaliser de mode boost sur le réseau de bord 8.
La figure 10 présente en fonction du temps t en secondes, la courbe 1 12 de l'intensité I en Ampères du courant produit par l'alternateur 14 chargeant la batterie au fer-phosphate 2, avec une tension de consigne de cet alternateur qui est toujours de 14.2V, et la résistance plus forte R2' disposée en série dans le circuit de charge.
On constate que le courant est limité bien en dessous de la production maximale possible de l'alternateur 14, en valeur absolue à environ 1 10A. L'alternateur n'est pas saturé, et sa tension peut atteindre la consigne de 14.2V ce qui permet d'obtenir le mode boost sur le réseau de bord.
La figure 1 1 présente un cinquième circuit électrique 120, qui est simplifié par rapport au quatrième circuit 50 présenté figure 5. Il ne comporte qu'un seul commutateur aval Kd, la tension positive pour alimenter le réseau de bord 8 étant prise après ce commutateur.
Les résistances R1 et R2 sont déportées hors de ce cinquième circuit 120, elles peuvent avantageusement être intégrées dans le démarreur 12.
Le système d'adaptation peut être utilisé avantageusement avec des batteries comportant des cellules au lithium-ion, utilisant notamment la technologie fer-phosphate, mais aussi avec tous types de batteries électrochimiques nécessitant des adaptations d'impédances. On facilite ainsi l'intégration des batteries au lithium-ion en limitant les modifications sur le véhicule, notamment le démarreur et l'alternateur.
De plus en regroupant le système d'adaptation avec d'autres circuits, comme celui du dispositif de protection de la batterie, on peut obtenir une solution compacte et économique.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Système d'adaptation de tension et de courant pour une batterie (2) au lithium-ion, destinée aux équipements électriques d'un véhicule automobile, comprenant un démarreur (12) de moteur thermique, un alternateur (14) et un réseau de bord (8) relié à la batterie (2), caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique (10, 20, 30, 50, 120) disposé entre d'une part la batterie (2), et d'autre part le démarreur (12) et l'alternateur (14), ce circuit comprenant des résistances (R1 , R2, R2'), et des commutateurs (K1 , K2, K3, K2', Kr, Kd) établissant différentes liaisons afin d'intercaler certaines résistances entre la batterie et les équipements, suivant les modes de fonctionnement de ces équipements.
2 - Système d'adaptation de tension et de courant selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux liaisons possibles qui peuvent être alternativement interposées entre la batterie (2) et le démarreur (12). l'une comprenant une résistance faible (R1 ) et l'autre une résistance plus forte (R2).
3 - Système d'adaptation de tension et de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les liaisons sont disposées en parallèle, chacune comportant une résistance (R1 , R2), et un commutateur (K1 , Kd, K2) monté en série permettant d'activer cette résistance.
4 - Système d'adaptation de tension et de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux liaisons possibles qui peuvent être alternativement interposées entre la batterie (2) et l'alternateur (14), l'une au moins comprenant une résistance plus forte (R2, R2').
5 - Système d'adaptation de tension et de courant selon les revendications 2 ou 3, et 4, caractérisé en ce que certaines des liaisons possibles vers le démarreur (12) et vers l'alternateur (14), sont communes.
6 - Système d'adaptation de tension et de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il intègre au moins certains des composants d'un dispositif de protection d'une batterie au lithium-ion (2), comportant en partant de la borne positive des cellules de cette batterie, un commutateur de protection amont (Kr), puis un commutateur de protection aval (Kd), chaque commutateur comprenant une fonction interrupteur comportant une diode interne disposée en parallèle.
7 - Système d'adaptation de tension et de courant selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que le commutateur de protection aval (Kd) comporte la résistance faible (R1 ) disposée en série, pour la connecter entre la batterie (2) et le démarreur (12).
8 - Système d'adaptation de tension et de courant selon la revendication 7, caractérisé en ce que le commutateur de protection aval (Kd) et sa résistance faible (R1 ) disposée en série, reçoivent en parallèle la résistance plus forte (R2) et son commutateur (K2).
9 - Système d'adaptation de tension et de courant selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le commutateur de protection amont (Kr), reçoit en parallèle une résistance plus forte (R2') et son commutateur (Κ2').
10 - Système d'adaptation de tension et de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valeurs approximatives des résistances sont les suivantes, pour une résistance qui est faible (R1 ), 1 mOhms, pour une résistance qui est plus forte (R2, R2'), 6mOhms.
1 1 - Système d'adaptation de tension et de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est intégré au moins partiellement dans la batterie (2).
12 - Système d'adaptation de tension et de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains de ses composants sont intégrés dans le démarreur (12).
13 - Véhicule automobile équipé d'une batterie (2) au lithium-ion, destinée aux équipements électriques comprenant un démarreur (12) de moteur thermique, un alternateur (14) et un réseau de bord (8), caractérisé en ce qu'il comporte de plus un système d'adaptation de tension et de courant réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
14 - Véhicule automobile selon la revendication 13, caractérisé en ce que la batterie comporte des cellules utilisant la technologie fer-phosphate.
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