FR3161065A1 - Système de supervision de cellules de batteries automobiles, à alimentation alternative indépendante et communication Ethernet - Google Patents
Système de supervision de cellules de batteries automobiles, à alimentation alternative indépendante et communication EthernetInfo
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Abstract
Système de supervision de cellules (11) d’une batterie automobile, comprenant un contrôleur de zone (1a) et au moins deux cartes de supervision (1b) connectés par une connexion Ethernet (2), dans lequel : le contrôleur de zone (1a) comprend une alimentation alternative (1a3) réalisant une fourniture de puissance par l’intermédiaire d’une connexion Ethernet (2) entre le contrôleur de zone (1a) et les cartes de supervision (1b), à une fréquence choisie significativement inférieure à la fréquence liée aux données de sorte à pouvoir être filtrée par un filtrage passe-haut,chaque carte de supervision (1b) comprenant :un étage de traitement de données comprenant au moins deux superviseurs de cellules (1b22) conçus chacun de sorte à réaliser la surveillance d’au moins une cellule (11) et une interface Ethernet (1b20) connectée à un moyen d’isolation (2b21) et un filtre passe-haut (1b19) de la puissance de l’alimentation alternative (1a3),un étage d’alimentation connecté à la connexion Ethernet (2) de sorte à fournir une alimentation à chaque superviseur de cellules (1b22) et à l’interface Ethernet (1b20) de la carte de supervision (1b) à partir de la puissance de l’alimentation alternative (1a3). Figure pour l’abrégé : Fig 2
Description
L’invention a pour domaine technique la gestion de batteries, et plus particulièrement la gestion de batterie à base de circuits senseurs de cellule.
Une batterie comprend généralement un certain nombre de cellules de batterie, par exemple 24 cellules de batterie.
Afin de surveiller de telles batteries, un système de supervision de cellules CMS (acronyme anglophone pour « Cell Management System ») est employé. Le système de supervision de cellules CMS comprend au moins un circuit senseur de cellule CSC (acronyme anglophone pour « Cell Sensor Circuit ») en charge de la surveillance d’au moins une cellule 11 de batterie 10. La figureFIG. 1 illustre un tel système.
Par surveillance de cellule, on entend la détermination de la tension aux bornes de chaque cellule. Plusieurs circuits senseurs de cellule CSC sont nécessaires afin de surveiller l’ensemble des cellules d’une batterie.
Ces circuits senseurs de cellule CSC sont connectés en chaine (« daisy chain » en langue anglaise), c’est-à-dire par l’intermédiaire de bus de communication point à point isolés (isolation par couplage capacitif ou par transformateurs). Un des circuits senseurs de cellule CSC réalise l’interface avec un microcontrôleur externe assurant la communication avec le reste du véhicule. Le circuit senseur de cellule CSC connecté au microcontrôleur externe fait office de contrôleur maitre dans la mesure où les données des autres circuits senseurs de cellule CSC transitent par son intermédiaire avant d’atteindre le microcontrôleur externe.
Chaque circuit senseur de cellule CSC est alimenté directement par les cellules de batterie surveillées. Comme les cellules d’une batterie sont connectées en série, la défaillance d’une cellule rend l’ensemble des cellules défaillant. Si une des cellules surveillées par le circuit senseur de cellule CSC est défaillante, le circuit de senseur de cellule CSC correspondant n’est plus alimenté. Il n’est alors pas possible de savoir quelle cellule de batterie est défaillante.
De plus, le circuit senseur de cellule CSC non alimenté ne peut plus faire office de relais des informations déterminées par les autres circuits senseurs de cellule CSC disposés en aval par rapport à la connexion au contrôleur maitre. On perd ainsi l’accès à tous les circuits senseurs de cellule CSC à partir du circuit senseur de cellule défaillant.
On notera que dans certains cas, un contrôleur maitre de secours, disposé en dernière place dans la chaine de circuits senseurs de cellule CSC par rapport au contrôleur maitre, est prévu, ce qui permet d’inverser le sens de la connexion en chaine et de retrouver l’accès aux circuits senseurs de cellule CSC auxquels on ne pouvait plus accéder par l’intermédiaire du contrôleur maitre. Même dans ce cas, on ne peut toujours pas accéder au circuit senseur de cellule CSC normalement alimenté par le groupe de cellules comprenant la cellule défaillante. De plus, la présence d’un tel contrôleur maitre de secours augmente le coût d’un système de gestion de batterie.
Un tel système de gestion de batterie présente de façon évidente un certain nombre de problèmes.
Un premier problème est lié à la défaillance de l’alimentation d’un circuit senseur de cellule CSC qui rend inopérant la surveillance de l’ensemble des cellules surveillées.
Un deuxième problème est lié à la difficulté de déterminer quelle cellule de batterie est défaillante en cas de défaillance de l’alimentation d’un circuit senseur de cellule CSC. Les mesures de tension et de courant des différentes cellules n’étant plus disponibles, il n’est pas possible de déterminer la ou les cellules défaillantes à remplacer. Il est alors nécessaire de remplacer l’ensemble des cellules ou de les tester une à une. Dans les deux cas, la réparation n’est pas économiquement efficace.
Un troisième problème est lié à l’augmentation de complexité d’un système de gestion de batterie muni d’un contrôleur de secours permettant d’inverser le sens d’interrogation de la chaine de circuits senseurs de cellule CSC.
Un quatrième problème est lié à la consommation non négligeable des circuits senseurs de cellule CSC contribuant à la décharge de la batterie.
Un cinquième problème est lié au fait que la communication dite de type « daisy chain » n’est pas normalisée et devient un frein à l’interopérabilité des solutions.
La présente invention a pour but de répondre à ces différents problèmes techniques.
L’invention a pour objet un système de supervision de cellules d’une batterie de traction de véhicule automobile, comprenant un contrôleur de zone et au moins deux cartes de supervision, chaque carte de supervision étant conçue de sorte à réaliser la surveillance d’au moins une cellule de la batterie de traction au travers de mesures de tension, dans lequel :
a. le contrôleur de zone est connecté aux cartes de supervision par l’intermédiaire d’une connexion Ethernet,
b. le contrôleur de zone comprend un microcontrôleur, une interface Ethernet et une alimentation alternative, le microcontrôleur étant conçu de sorte à contrôler l’interface Ethernet et l’alimentation alternative,
c. l’alimentation alternative étant conçue de sorte à alimenter l’interface Ethernet et le microcontrôleur du contrôleur de zone,
d. l’alimentation alternative étant également conçue de sorte à réaliser une fourniture de puissance sur une paire de conducteurs torsadés par l’intermédiaire de la connexion Ethernet entre le contrôleur de zone et les cartes de supervision,
e. chaque carte de supervision comprenant un étage de traitement de données et un étage d’alimentation, l’étage de traitement de données comprenant une interface Ethernet connectée à la connexion Ethernet par l’intermédiaire d’un moyen d’isolation et d’un filtre passe-haut conçu de sorte à ne laisser transiter dans l’interface Ethernet que les variations de tension liées aux données en rejetant les variations de tension liées à l’alimentation alternative, l’étage de traitement de données comprenant également au moins deux superviseurs de cellules conçus chacun de sorte à réaliser la surveillance d’au moins une cellule de la batterie, l’étage d’alimentation étant connecté à la connexion Ethernet de sorte à fournir une alimentation à chaque superviseur de cellules et à l’interface Ethernet de la carte de supervision.
L’étage d’alimentation peut comprendre, pour chaque superviseur de cellules, un moyen d’isolement connecté d’une part à un convertisseur alternatif-continu et d’autre part à la connexion Ethernet par l’intermédiaire d’une connexion d’alimentation.
Le moyen d’isolement peut être de type inductif, notamment un transformateur d’isolement.
Un moyen d’isolation peut être disposé entre l’interface Ethernet et la connexion Ethernet ainsi qu’entre le filtre passe-haut et la connexion Ethernet.
Un moyen d’isolation peut être de type inductif, notamment un transformateur d’isolement.
Un moyen d’isolation peut être disposé entre la connexion Ethernet et l’étage d’alimentation de chaque carte de supervision, le moyen d’isolation de l’étage de traitement de données et le moyen d’isolation de l’étage d’alimentation étant couplés entre eux, le moyen d’isolation de l’interface Ethernet et le moyen d’isolation de l’alimentation alternative du contrôleur de zone étant également couplés entre eux.
L’étage de traitement de données peut comprendre un tampon de données connecté entre l’interface Ethernet et les superviseurs de cellules.
Dans une carte de supervision, les superviseurs de cellules peuvent former une chaine dans laquelle le premier superviseur de cellules est connecté par une première connexion point à point au tampon de données et par une autre connexion point à point à un autre superviseur de cellules, les autres superviseurs de cellules étant connectés chacun à leur plus proche voisin par une seconde connexion point à point, de sorte que les données émises par un superviseur de cellules transitent de proche en proche jusqu’au tampon de données.
La première connexion point à point peut être une connexion SPI, la deuxième connexion point à point étant une connexion SPI galvaniquement isolée.
Dans une carte de supervision, les superviseurs de cellules peuvent être connectés chacun au tampon de données par l’intermédiaire d’un bus de données.
Le bus de données peut être de type SPI, au moins un des superviseurs de cellules étant isolés du bus de données par l’intermédiaire d’une capacité d’isolement.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figureFIG. 1 illustre un système de supervision de cellules CMS selon l’état de l’art antérieur,
- la figureFIG. 2 illustre les principaux éléments d’un système de supervision de cellules selon l’invention,
- la figureFIG. 3 illustre les principaux éléments d’un étage d’alimentation d’une carte de supervision comprise dans un système de supervision de cellules selon l’invention,
- la figureFIG. 4 illustre les principaux éléments d’un étage de traitement de données d’une carte de supervision comprise dans un premier mode de réalisation d’un système de supervision de cellules selon l’invention,
- la figureFIG. 5 illustre les principaux éléments d’un étage de traitement de données d’une carte de supervision selon un deuxième mode de réalisation d’un système de supervision de cellules selon l’invention, et
- la figureFIG. 6 illustre les principaux éléments d’un système de supervision de cellules selon un second mode de réalisation de l’invention.
Le système de supervision de cellules CMS selon l’invention est référencé 1 sur la figureFIG. 2 . Il comprend un contrôleur de zone 1a connecté à au moins deux cartes de supervision 1b par une connexion Ethernet référencée 2. La connexion Ethernet est notamment une connexion selon la norme IEEE 802.3cg, pour une prise en charge du protocole de communication 10BASE-T1S, utilisant une paire de conducteurs torsadés.
Le contrôleur de zone 1a est disposé généralement de façon centrale dans le véhicule, à tout le moins, de façon proche des autres calculateurs ou unités de commande électronique du véhicule. En effet, le contrôleur de zone communique avec les autres calculateurs ou unités de commande électronique du véhicule par une connexion Ethernet.
Par opposition, les cartes de supervision 1b sont disposées sur la batterie 10, au plus proche des cellules 11 surveillées, pour des raisons de coûts et de portée des connexions aux bornes des cellules.
Le contrôleur de zone 1a comprend un microcontrôleur 1a1, une interface Ethernet 1a2 et une alimentation alternative 1a3. Par interface Ethernet, on considère qu’il s’agit d’une interface matérielle de niveau 1 dans le modèle OSI (acronyme anglophone pour « Open System Interconnexion »).
Au sein du contrôleur de zone 1a, le microcontrôleur 1a1 est connecté par une connexion de données à l’interface Ethernet 1a2, notamment une connexion de type xMII (acronyme anglophone pour « Media Independent Interface ») ou SPI (acronyme anglophone pour « Serial Peripheral Interface »).
L’interface Ethernet 1a2 est connectée à la connexion Ethernet par une connexion de données 2a2 et un moyen d’isolation 2a21.
L’alimentation alternative 1a3 alimente l’interface Ethernet 1a2 et le microcontrôleur 1a3 par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu non illustré. L’alimentation alternative 1a3 est par ailleurs connectée à la connexion Ethernet 2 par l’intermédiaire d’une connexion d’alimentation 2a3 et d’un moyen d’isolation 2a31, afin de réaliser une fourniture de puissance semblable à la norme PoDL (acronyme anglophone pour « Power Over Data Lines », norme IEEE 802.3bu) par l’intermédiaire de la connexion Ethernet 2.
Les moyens d’isolation 2a21 et 2a31 sont notamment de type inductif, par exemple un transformateur d’isolement.
Afin de distinguer les variations de tension liées à l’émission de données des variations de tension liées à l’alimentation, la fréquence de l’alimentation alternative 1a3 est choisie de sorte à être significativement inférieure à la fréquence liée à l’émission de données, et de sorte que les variations de tension liées à l’alimentation puissent être filtrées par filtrage fréquentiel (par exemple, données à une fréquence de 12MHz, alimentation à une fréquence inférieure à 1kHz).
Chaque carte de supervision 1b comprend une connexion de données 2b2 et une connexion d’alimentation 2b3 à la connexion Ethernet, présentée chacune sous la forme d’une paire de conducteurs.
L’alimentation proposée est une alimentation sur une paire de connecteurs torsadés, superposée aux variations de tension générées par la transmission de données.
Chaque carte de supervision 1b comprend un étage de traitement de données et un étage d’alimentation 1b3.
L’étage de traitement de données comprend une interface Ethernet 1b20 reliée à la connexion Ethernet 2 par l’intermédiaire d’un moyen d’isolation 2b21 et d’un filtre passe-haut 1b19. Le filtre passe-haut 1b19 est conçu de sorte à séparer les variations de tension liées aux données des variations de tension liées à l’alimentation alternative 1a3 et à ne laisse transiter que les variations de tension liées aux données. Le moyen d’isolation 2b21 est notamment de type inductif, par exemple un transformateur d’isolement.
L’interface Ethernet 1b20 est reliée à un tampon de données 1b21 (« buffer » en langue anglaise) lui-même relié à au moins un superviseur de cellules 1b22 par une connexion de communication série de type SPI. Dans un mode de réalisation particulier, le tampon de données 1b21 est connecté à l’interface Ethernet 1b20 par une connexion xMII. Le tampon de données 1b21 a pour rôle de gérer la conversion des données échangées entre le au moins un superviseur de cellules 1b22 et l’interface Ethernet 1b20, ainsi que la gestion de toute éventuelle asynchronicité.
Chaque superviseur de cellules 1b22 réalise la supervision d’une pluralité de cellules 11 de batterie.
L’étage d’alimentation 1b3 comprend une connexion d’alimentation à chaque superviseur de cellules 1b22 munie d’un moyen d’isolement 1b31 et d’un convertisseur alternatif-continu 1b32. La figureFIG. 3 illustre l’étage d’alimentation d’une carte de supervision.
Bien que couteuse, la fourniture d’un convertisseur alternatif-continu 1b32 pour chaque superviseur de cellules 1b22 est particulièrement avantageuse en permettant de fournir la puissance d’alimentation nécessaire tenant compte d’une tension de référence différente pour chaque convertisseur alternatif-continu 1b32 et indexé sur la tension des cellules surveillées.
Dans un premier mode de réalisation d’un étage de traitement de données, illustré par la figureFIG. 4 , un premier superviseur de cellules est connecté au tampon de données 1b21 par une première connexion de communication série SPI. Le premier superviseur de cellules est ensuite connecté à un deuxième superviseur de cellules par une deuxième connexion de communication série ISO SPI. Par connexion ISO SPI, on entend une connexion série SPI comprenant une isolation galvanique. Chacun des autres superviseurs de cellules est connecté à un seul autre superviseur de cellules par une connexion de communication série ISO SPI, de sorte à former une chaine (« daisy chain » en langue anglaise).
Un tel mode de réalisation se rapproche de l’état de l’art, tout en simplifiant les connexions de données du fait de l’utilisation de connexions de communication série SPI et ISO SPI et en résolvant les problèmes d’alimentation des superviseurs de cellules 1b22 en les alimentant à partir de la connexion de données au lieu de les alimenter à partir des cellules de batterie.
Dans un deuxième mode de réalisation d’un étage de traitement de données, illustré par la figureFIG. 5 , un bus de données SPI relie chacun des superviseurs de cellules 1b22 avec le tampon de données 1b21. De préférence, chacun des superviseurs de cellules 1b22 est muni d’une isolation galvanique 1b23 au niveau de sa connexion avec le bus de données SPI. L’isolation galvanique du premier superviseur de cellules peut être omise car il est alimenté par la même alimentation que le tampon de données 1b21 et l’interface Ethernet 1b20. Tout défaut affectant l’interface Ethernet et le tampon de données affecterait également sa capacité à communiquer.
L’isolation galvanique 1b23 des superviseurs de cellules est réalisée par l’intermédiaire d’un circuit numérique, notamment de type optique, capacitif, radiofréquence ou inductif.
Ce mode de réalisation présente l’avantage d’une amélioration de la robustesse de la carte de supervision en rendant la communication entre le tampon de données et les superviseurs de cellules indépendante du fonctionnement de chaque superviseur de cellules. En cas de défaut d’un des superviseurs de cellules, les autres superviseurs de cellules restent accessibles.
Dans un deuxième mode de réalisation du système de supervision de cellules CMS illustré par la figureFIG. 6 , les moyens d’isolation 2a21 et 2a31 sont reliés respectivement à l’alimentation alternative 1a3 et à l’interface Ethernet 1a2 du contrôleur de zone 1a par un premier enroulement, comme dans le premier mode de réalisation. Le deuxième enroulement du moyen d’isolation 2a31 et le deuxième enroulement du moyen d’isolation 2a21 sont connectés à la connexion Ethernet 2 et couplés entre eux par une liaison 4a.
Au niveau de chaque étage d’alimentation d’une carte de supervision 1b, un moyen d’isolation 2b31 est ajouté au niveau de chaque étage d’alimentation entre la connexion d’alimentation 2b3 à la connexion Ethernet et les moyens d’isolement 1b31. Le moyen d’isolation 2b31 est notamment de type inductif, par exemple un transformateur d’isolement.
Les moyens d’isolation 2b21 et 2b31 sont reliés respectivement au filtre passe-haut 1b19 et aux moyens d’isolement 1b31 de chaque carte de supervision 1b par leurs premiers enroulements respectifs. Le deuxième enroulement du moyen d’isolation 2b21 et le deuxième enroulement du moyen d’isolation 2b31 sont connectés à la connexion Ethernet 2. Pour des raisons de praticité, les deux enroulements peuvent être regroupés dans le même composant avec un point milieu commun référencé 4b.
Par rapport au premier mode de réalisation du système de supervision de cellules CMS, le regroupement des moyens d’isolation au sein d’un même composant permet d’en optimiser la taille et le coût.
Claims (11)
- Système de supervision de cellules (11) d’une batterie de traction de véhicule automobile, comprenant un contrôleur de zone (1a) et au moins deux cartes de supervision (1b), chaque carte de supervision (1b) étant conçue de sorte à réaliser la surveillance d’au moins une cellule (11) de la batterie de traction au travers de mesures de tension, caractérisé par le fait que :
- le contrôleur de zone (1a) est connecté aux cartes de supervision (1b) par l’intermédiaire d’une connexion Ethernet (2),
- le contrôleur de zone (1a) comprend un microcontrôleur (1a1), une interface Ethernet et une alimentation alternative (1a3), le microcontrôleur (1a1) étant conçu de sorte à contrôler l’interface Ethernet (1a2) et l’alimentation alternative (1a3),
- l’alimentation alternative (1a3) étant conçue de sorte à alimenter l’interface Ethernet (1a2) et le microcontrôleur (1a1) du contrôleur de zone (1a),
- l’alimentation alternative (1a3) étant également conçue de sorte à réaliser une fourniture de puissance sur une paire de conducteurs torsadés par l’intermédiaire de la connexion Ethernet (2) entre le contrôleur de zone (1a) et les cartes de supervision (1b),
- chaque carte de supervision (1b) comprenant un étage de traitement de données et un étage d’alimentation, l’étage de traitement de données comprenant une interface Ethernet (1b20) connectée à la connexion Ethernet (2) par l’intermédiaire d’un moyen d’isolation (2b21) et d’un filtre passe-haut (1b19) conçu de sorte à ne laisser transiter dans l’interface Ethernet (1b20) que les variations de tension liées aux données en rejetant les variations de tension liées à l’alimentation alternative (1a3), l’étage de traitement de données comprenant également au moins deux superviseurs de cellules (1b22) conçus chacun de sorte à réaliser la surveillance d’au moins une cellule (11) de la batterie, l’étage d’alimentation étant connecté à la connexion Ethernet (2) de sorte à fournir une alimentation à chaque superviseur de cellules (1b22) et à l’interface Ethernet (1b20) de la carte de supervision (1b) à partir de la puissance fournie par l’alimentation alternative (1a3),
- l’alimentation alternative (1a3) étant conçue de sorte que la fréquence d’alimentation est choisie en étant significativement inférieure à la fréquence liée aux données et de sorte à pouvoir être filtrée par les filtres passe-haut.
- Système de supervision selon la revendication 1, dans lequel l’étage d’alimentation comprend, pour chaque superviseur de cellules (1b22), un moyen d’isolement (1b31) connecté d’une part à un convertisseur alternatif-continu (1b32) et d’autre part à la connexion Ethernet (2) par l’intermédiaire d’une connexion d’alimentation.
- Système de supervision selon la revendication 2, dans lequel le moyen d’isolement (1b31) est de type inductif, notamment un transformateur d’isolement.
- Système de supervision selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel un moyen d’isolation (2a21,2b21) est disposé entre l’interface Ethernet (1a2) et la connexion Ethernet (2) ainsi qu’entre le filtre passe-haut (1b19) et la connexion Ethernet (2).
- Système de supervision selon la revendication 4, dans lequel un moyen d’isolation (2a21,2b21,2b31) est de type inductif, notamment un transformateur d’isolement.
- Système de supervision selon la revendication 5, dans lequel un moyen d’isolation (2b31) est disposé entre la connexion Ethernet et l’étage d’alimentation de chaque carte de supervision, le moyen d’isolation (2b21) de l’étage de traitement de données et le moyen d’isolation (2b31) de l’étage d’alimentation étant couplés entre eux, le moyen d’isolation (2a21) de l’interface Ethernet et le moyen d’isolation (2a31) de l’alimentation alternative du contrôleur de zone étant également couplés entre eux.
- Système de supervision selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étage de traitement de données comprend un tampon de données (1b21) connecté entre l’interface Ethernet (1b20) et les superviseurs de cellules (1b22).
- Système de supervision selon la revendication 7, dans lequel, dans une carte de supervision (1b), les superviseurs de cellules (1b22) forment une chaine dans laquelle le premier superviseur de cellules (1b22) est connecté par une première connexion point à point au tampon de données (1b21) et par une autre connexion point à point à un autre superviseur de cellules (1b22), les autres superviseurs de cellules (1b22) étant connectés chacun à leur plus proche voisin par une seconde connexion point à point, de sorte que les données émises par un superviseur de cellules (1b22) transitent de proche en proche jusqu’au tampon de données (1b21).
- Système de supervision selon la revendication 8, dans lequel la première connexion point à point est une connexion SPI, la deuxième connexion point à point étant une connexion SPI galvaniquement isolée.
- Système de supervision selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel, dans une carte de supervision (1b), les superviseurs de cellules (1b22) sont connectés chacun au tampon de données (1b21) par l’intermédiaire d’un bus de données.
- Système de supervision selon la revendication 10, dans lequel le bus de données est de type SPI, au moins un des superviseurs de cellules (1b22) étant isolé du bus de données par l’intermédiaire d’une capacité d’isolement (1b23).
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| FR2403584A FR3161065A1 (fr) | 2024-04-08 | 2024-04-08 | Système de supervision de cellules de batteries automobiles, à alimentation alternative indépendante et communication Ethernet |
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| FR2403584 | 2024-04-08 |
Publications (1)
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