FR2986383A1 - Equilibrage d'une batterie de stockage d'energie electrique a au moins deux branches paralleles - Google Patents
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Abstract
La gestion d'une batterie de stockage d'énergie électrique comprenant une pluralité de branches (B , 1<=j<=m) connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage (E , 1<=i<=n) connectés électriquement entre eux dans un montage en série, comprenant un équilibrage des états de charge (SoC) de tout ou partie desdits éléments de stockage (E ). Cet équilibrage comporte : - une sélection d'au moins deux éléments de stockage (E , ) appartenant à deux branches distinctes (B , B ) et aux bornes desquels les tensions électriques sont différentes, et une connexion dans un montage directement en parallèle des éléments de stockage sélectionnés.
Description
Equilibrage d'une batterie de stockage d'énergie électrique à au moins deux branches parallèles Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de gestion d'une batterie de stockage d'énergie électrique comprenant une pluralité de branches connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage connectés électriquement entre eux dans un montage en série. L'invention a également pour objet un dispositif de gestion qui met en oeuvre le procédé de gestion et un véhicule automobile comprenant un tel dispositif. État de la technique Les batteries utilisées dans les véhicules électriques, par exemple de type Lithium-Ion, sont constituées par un ensemble d'éléments de stockage, par exemple des cellules électrochimiques, qui sont assemblés en série pour atteindre le niveau de tension demandé par l'application. D'autre part, pour atteindre un niveau de capacité demandé par l'application, une batterie peut comprendre un montage en parallèle des éléments de stockage. C'est pourquoi il arrive fréquemment qu'une batterie de stockage d'énergie électrique comprenne une pluralité de branches connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage connectés électriquement entre eux dans un montage en série. Le nombre de branches dépend de la capacité recherchée. Le nombre d'éléments associés en série le long de chaque branche dépend quant à lui de la tension recherchée. Les processus de fabrication existants aujourd'hui ne permettent pas d'obtenir des éléments de stockage parfaitement identiques, notamment pour des caractéristiques comme leur capacité et leur résistance interne. De plus, ces éléments subissent, pendant la durée de vie de la batterie, des variations de température différentes dues à leur emplacement dans la batterie, ce qui les fait vieillir de façon hétérogène. Lorsque ces éléments présentant des caractéristiques différentes sont traversés par un même courant, ils sont en déséquilibre, en ce sens que leurs états de charge sont différents. Des dispositifs de gestion de batterie sont connus pour corriger de tels déséquilibres, afin de permettre l'utilisation optimale de l'énergie contenue dans la batterie (la plage d'utilisation étant déterminée par les éléments respectivement le plus chargé et le moins chargé). L'équilibrage peut se faire à partir de l'information de l'état de charge des éléments (appelé « SOC » par la suite, pour « State Of Charge » en terminologie anglo-saxonne) ou de leur tension ou de leur tension à vide. Les méthodes d'équilibrage utilisées actuellement sont actives ou passives : - l'équilibrage passif (ou dissipatif) décharge les éléments de 25 stockage les plus chargés dans des éléments dissipatifs (des résistances, par exemple) afin qu'ils aient tous le même état de charge; - l'équilibrage actif (ou non-dissipatif) transfère l'énergie des éléments les plus chargés vers ceux le plus déchargés, afin de converger vers un même état de charge. 30 Des solutions d'équilibrage sont décrites dans les documents US5631534, US20110068744 et W02004049540 par exemple, mais elles sont complexes et onéreuses avec l'utilisation d'un grand nombre de composants électroniques.
Une autre solution d'équilibrage est connue du document EP1869748B1 qui décrit le principe de mettre en parallèle la pluralité de cellules contenues dans chacun des modules de la batterie, puis la mise en parallèle de tous les modules. Cet équilibrage est pratiqué en situation de décharge de la batterie pour faire de l'équilibrage en tension des cellules entre elles, et des modules entre eux. Mais cette solution est peu flexible car tous les modules et cellules sont équilibrés indépendamment des besoins propres de chacune des cellules. Objet de l'invention Le but de la présente invention est de proposer un procédé de gestion d'une batterie qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus. Un premier objet est notamment d'être capable d'équilibrer une batterie de façon non-dissipative, c'est-à-dire, par transfert de charge. Un deuxième objet est de fournir une solution plus simple et à un coût plus faible que les solutions actuelles de la classe « équilibrage nondissipatif ».
Un troisième objet est de fournir une solution flexible permettant le transfert d'énergie entre n'importe quels éléments de la batterie, que la batterie soit en utilisation ou non.
Un premier aspect de l'invention concerne un procédé de gestion d'une batterie de stockage d'énergie électrique comprenant une pluralité de branches connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage connectés électriquement entre eux dans un montage en série. Le procédé de gestion comprend une étape d'équilibrage des états de charge de tout ou partie desdits éléments de stockage. L'étape d'équilibrage comporte : - une étape de sélection d'au moins deux éléments de stockage appartenant à deux branches distinctes et aux bornes desquels les tensions électriques sont différentes, - et une étape de connexion dans un montage directement en parallèle des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection. L'étape de connexion peut comprendre une étape de raccordement électrique entre les deux branches auxquelles appartiennent les deux éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection, ledit raccordement étant réalisé, par rapport au sens de circulation du courant dans lesdites branches, en amont et en aval des éléments de stockage sélectionnés.
Deux des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection et appartenant à des branches distinctes peuvent notamment être implantés à des emplacements de même rang au sein du montage en série dans leur branche respective.
A l'issue de l'étape de sélection, au moins un élément de stockage peut être sélectionné. La sélection des éléments de stockage à l'étape de sélection peut être fonction de critères de sélection tenant compte d'une dynamique 30 recherchée de l'équilibrage et/ou d'une valeur seuil de l'intensité électrique dans le montage directement en parallèle des éléments de stockage. L'étape d'équilibrage peut comprendre une étape d'estimation des courants électriques d'équilibrage au sein du montage directement en parallèle des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection. L'étape d'estimation peut comprendre une étape de détermination de la tension aux bornes d'au moins un élément de commutation aménagé sur au moins une liaison de raccordement électrique reliant entre elles deux branches auxquelles appartiennent des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection. Le procédé peut comprendre une étape de protection contre une 15 décharge excessive de tout élément de stockage de la batterie, comprenant : - une étape d'identification d'au moins un élément de stockage de la batterie aux bornes duquel la tension électrique est inférieure à un seuil bas prédéterminé, 20 - puis une étape d'équilibrage dont l'étape de sélection est telle qu'au moins l'élément de stockage identifié à l'étape d'identification est sélectionné et que tous les éléments de stockage implantés à des emplacements de même rang que le rang de l'élément de stockage identifié à l'étape d'identification sont sélectionnés. 25 Il peut comprendre une étape de protection contre une charge excessive de tout élément de stockage de la batterie, comprenant une étape de dissipation automatique de l'énergie stockée dans au moins un élément de stockage de la batterie lorsque la tension électrique aux bornes de cet 30 élément de stockage est supérieure à un seuil haut prédéterminé.
Un deuxième aspect de l'invention concerne un dispositif de gestion d'une batterie de stockage d'énergie électrique comprenant une pluralité de branches connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage connectés électriquement entre eux dans un montage en série, le dispositif comprenant des moyens logiciels et/ou matériels qui mettent en oeuvre un tel procédé de gestion. Les moyens logiciels et/ou matériels peuvent comprendre des liaisons de raccordement électrique reliant chacune deux branches entre elles entre deux éléments de stockage et comportant chacune un élément de commutation, les liaisons de raccordement étant configurées de sorte que chaque branche est reliée électriquement à au moins une autre branche.
Les moyens logiciels et/ou matériels peuvent notamment comprendre une unité de commande générant des ordres d'actionnement pilotant les éléments de commutation de sorte à réaliser l'étape de connexion.
Ils peuvent également comprendre une diode Zener montée en parallèle de chacun des éléments de stockage et configurée pour devenir passante lorsque la tension électrique à ses bornes est supérieure au seuil haut prédéterminé de charge excessive des éléments de stockage, une partie de l'énergie stockée étant dissipée dans une résistance connectée en série avec la diode. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 30 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente la structure électrique d'une première batterie de stockage pour laquelle le procédé de gestion selon l'invention peut être appliqué, - la figure 2 représente une partie du dispositif de gestion adapté au cas de la figure 1, - la figure 3 explique le principe de l'équilibrage d'états de charge appliqué à deux éléments de stockage, - la figure 4 détaille les quatre états que peut adopter le dispositif de gestion adapté à une deuxième batterie de stockage pour laquelle le procédé de gestion selon l'invention peut être appliqué, - les figures 5 à 8 représentent les courbes d'évolution dans le temps de l'état de charge de chacun des éléments de stockage de la deuxième batterie respectivement dans les quatre états, à partir de conditions initiales identiques, - la figure 9 illustre des courbes de même nature, dans le cas d'une combinaison dans le temps de plusieurs des quatre états du dispositif de gestion, - la figure 10 illustre le principe d'estimation des courants d'équilibrage, - et la figure 11 représente un exemple de réalisation de moyens de protection contre une charge excessive des éléments de stockage d'une branche donnée de la batterie.
Description de modes préférentiels de l'invention La figure 1 représente d'une part la structure électrique d'une batterie de stockage pour laquelle le procédé de gestion détaillé plus loin peut être appliqué et d'autre part une partie d'un dispositif de gestion qui met en oeuvre ce procédé. Cette partie du dispositif de gestion sera mieux compris en référence à la figure 2. Ainsi, la batterie de stockage d'énergie électrique comprend une pluralité de branches 13i (ici j variant entre 1 et m car la batterie comprend m branches) connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage Ei (ici i variant entre 1 et n car chaque branche comprend n éléments en série) connectés électriquement entre eux dans un montage en série le long de chaque branche. De la borne A vers la borne D de la batterie, les éléments de stockage Ei,1 sont ainsi implantés le long de leur branche respective de manière ordonnée à des emplacements ayant un rang i donné. Un élément Ei j est donc implanté à un emplacement de rang i le long de la branche j. La batterie, en sus des éléments de stockage Ei,j, comprend cette structure électrique qui assure un tel montage des éléments entre eux et des branches entre elles. Cette structure comprend notamment des liaisons électriques directes reliant, deux à deux, deux éléments de stockage adjacents d'une même branche. Tous les éléments de stockage implantés à des emplacements d'un même rang i, pour l'ensemble des branches de la batterie, sont ainsi répartis sur une même ligne Li (i variant entre 1 et n), formant globalement un agencement matriciel (i, j) de la batterie. Les tensions à vide des éléments de stockage Ei j sont assez faibles, de l'ordre de quelques Volts. Ainsi, pour atteindre la tension nominale de fonctionnement d'un circuit électrique alimenté par la batterie, il est nécessaire de mettre en série un certain nombre d'éléments de stockage électrochimique, définissant le nombre n. Un autre critère de conception de la batterie correspond à l'autonomie qu'elle permet d'obtenir, définie par la capacité des éléments de stockage. La mise en parallèle de deux éléments de stockage de même type permet par exemple de doubler la capacité de stockage. Ainsi, le nombre m de branches permet de définir la capacité globale de la batterie. Chaque élément de stockage Ei,1 est unique de par sa conception. Le processus de fabrication des éléments de stockage ne permet pas l'obtention d'éléments complètement identiques. La capacité et la résistance interne notamment peuvent différer. De plus les phénomènes de vieillissement de ces éléments de stockage conduisent à des pertes de capacité et des augmentations de résistance interne qui tendent à augmenter ces différences de caractéristiques. Ainsi deux éléments en série qui sont donc traversés par le même courant peuvent voir leur état de charge évoluer différemment et doivent être équilibrés de manière à permettre une utilisation optimale de la batterie. Pour répondre à ces problématiques qui se posent dans le cas de la structure électrique de type matricielle de la figure 1, le dispositif de gestion comprend des moyens logiciels et/ou matériels qui mettent en oeuvre un procédé de gestion qui sera détaillé plus loin, qui a pour vocation d'équilibrer les états de charge de tout ou partie des éléments de stockage que comporte la batterie après que des éléments à équilibrer en tension aient préalablement été sélectionnés. Chaque élément de stockage Ei j de la batterie est constitué dans la suite de la description par soit une supercapacité, soit une cellule unitaire électrochimique, soit un organe à au moins une paire de telles cellules montées en parallèle électriquement, soit un module comprenant au moins deux tels organes montés en série électriquement entre eux, soit encore un ensemble comprenant au moins deux tels modules montés électriquement en série ou en parallèle entre eux.
En référence à la figure 2, le dispositif de gestion comprend des liaisons de raccordement électrique, chacune reliant deux branches 13i et 131+1 entre elles au niveau de deux liaisons entre deux éléments de stockage adjacents des deux branches ainsi reliées. Sur chacune des liaisons de raccordement inter-branches, un élément de commutation Ci j est aménagé. Les liaisons de raccordement sont configurées (par leur nombre et par le choix des points de connexion à la structure électrique de la batterie) de sorte que chaque branche est reliée électriquement au moins une fois à au moins une autre branche au niveau des liaisons électriques directes. Une liaison de raccordement relie entre elles deux liaisons électriques directes inter-éléments de stockage appartenant à deux branches différentes. L'élément de commutation C;,1 qui est monté sur une liaison de raccordement donnée permet de commander sélectivement l'ouverture ou la fermeture de cette liaison de raccordement. Ainsi, l'élément de commutation Ci j permet de mettre ou non en contact électrique la liaison électrique directe reliant l'élément Ei et l'élément Ei+1,1 et la liaison électrique directe reliant l'élément Ei,j+1 et l'élément Ei+1,i+1. Il en résulte que la fermeture simultanée des éléments de commutation Ci j et C;_1,1 permet de mettre en parallèle électriquement l'élément Eijet l'élément Ei,i±i.
Pour la mise en oeuvre du procédé de gestion, le dispositif de gestion comprend une unité de commande (non représentée) générant des ordres d'actionnement pilotant individuellement les éléments de commutation Ci,j, ces ordres étant choisis de sorte à connecter des éléments de stockage (préalablement sélectionnés par l'unité de commande en fonction de critères donnés), appartenant à des branches différentes, dans un montage en parallèle permettant de réaliser une étape d'équilibrage des états de charge des éléments de stockage sélectionnés. Les éléments de stockage mis en oeuvre par l'opération d'équilibrage sont donc sélectionnables, grâce à l'aménagement de la pluralité de liaisons de raccordement inter-branches et de la pluralité d'éléments de commutation Ci,i, parmi l'ensemble des éléments de stockage que comprend la batterie. Avantageusement, les éléments de commutation Ci,i sont des transistors à effet de champ à grille isolée plus couramment nommés « MOSFET » en terminologie anglo-saxonne pour « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ». Cette variante présente l'avantage d'être commandés en tension pour contrôler le courant dans le circuit. Toutefois les éléments de commutation peuvent être de toute autre nature, telle que relais ou autres, dans la mesure où ils sont commandables et opposent une faible résistance au passage du courant une fois fermée. Selon une caractéristique essentielle, le dispositif de gestion met donc en oeuvre un procédé de gestion de la batterie de stockage d'énergie électrique comprenant en particulier une étape d'équilibrage des états de charge de tout ou partie desdits éléments de stockage, cette étape comportant elle-même : - une étape de sélection, parmi au moins deux branches Bi et 131+1 différentes, d'au moins deux éléments de stockage Ei,i et Ei,i+1 aux bornes 20 desquels les tensions électriques (et donc les états de charge « SOC ») sont différentes, - et une étape de connexion électrique des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection vers au moins un montage directement en parallèle entre eux. 25 Il convient d'entendre par « montage directement en parallèle » le fait que deux éléments de stockage sélectionnés voient leurs bornes directement reliées deux à deux, excluant une disposition en série. 30 L'étape de connexion comprend notamment une étape de raccordement électrique entre les deux branches auxquelles appartiennent les deux éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection, ledit raccordement étant réalisé, par rapport au sens de circulation du courant dans lesdites branches, en amont et en aval des éléments de stockage sélectionnés.
Le principe d'équilibrage par une mise directe en parallèle électriquement est présenté en référence à la figure 3 en application à deux éléments de stockage chacun constitué par une cellule électrochimique. Chaque cellule est unique de par sa conception, comme indiqué précédemment.
Le processus de fabrication des cellules ne permet en effet pas l'obtention de cellules complètement identiques, notamment au sujet de la capacité. La mise en parallèle de ces cellules s'accompagne d'une égalité de tension électrique qui engendre la circulation d'un courant de la cellule la plus chargée vers la cellule qui l'est moins. La figure 3 illustre le cas particulier où la cellule 1 est la plus chargée. Sa tension à vide est OCV1. Ainsi, le courant ieg va charger la cellule 2 dont la tension à vide est OCV2. Son état de charge augmentant, OCV2 augmente aussi et ieg diminue et ce jusqu'à ce que les cellules soient équilibrées en tension et donc approximativement en état de charge.
Le procédé, par l'intermédiaire du dispositif de gestion, permet de choisir certains éléments de stockage de la batterie en fonction de critères prédéterminés, puis de connecter ces éléments préalablement choisis dans un montage électrique où ils sont tous directement en parallèle électriquement. Pour chacun des éléments de ce montage en parallèle, le principe d'équilibrage décrit à la figure 3 s'applique, ce qui permet de réaliser concrètement une étape d'équilibrage des états de charge de tout ou partie des éléments de stockage de la batterie, i.e. ceux qui ont préalablement été sélectionnés par l'unité de commande.30 Il est notamment possible de prévoir qu'une liaison de raccordement électrique raccorde entre elles deux liaisons directes interposées entre des éléments de stockage respectivement Ei j et Ei,1,1 de même rang i d'une branche à l'autre. Ainsi, deux éléments de stockage de même rang i sélectionnés à l'étape de sélection et appartenant à des branches différentes respectivement Bi et B1+1 sont alors mis en parallèle. La sélection des éléments de stockage Ei j à l'étape de sélection est fonction de critères de choix tenant compte par exemple : - d'une dynamique recherchée de l'équilibrage, - et/ou d'une valeur seuil de l'intensité électrique dans le montage en parallèle des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection. Dans le premier cas, il est notamment possible d'associer en parallèle les éléments de stockage présentant la tension la plus faible avec les éléments présentant la tension la plus élevée. Dans le deuxième cas, le choix des éléments devra tenir compte d'une valeur maximale de l'écart en tension (ou état de charge) à équilibrer au sein du montage.
Une application particulière mais non exclusive consiste à aménager un tel dispositif de gestion à bord d'un véhicule automobile pour contrôler la batterie de stockage d'énergie électrique alimentant une chaine de traction électrique du véhicule et/ou des organes auxiliaires électriques embarqués à bord du véhicule. Toutefois l'invention peut être appliquée à tout système de batterie qui est composé par au moins deux cellules électrochimiques en série, comme les batteries d'ordinateur portable par exemple, ou bien encore à l'équilibrage de supercapacités. Le procédé de gestion sera mieux compris dans le cadre d'un exemple d'application en référence à la figure 4, qui détaille une deuxième batterie de stockage simplifiée par rapport au cas de la figure 1, mais pour laquelle le procédé de gestion peut également être appliqué. Cette batterie de bornes A et D comprend deux branches 13i (le nombre m est égal à deux) connectées dans un montage en parallèle et chacune des branches comprend trois éléments de stockage Ei,1 (le nombre n est égal à trois) connectés dans un montage en série le long de leur branche respective. Sur la première branche B1, trois éléments de stockage E1,1, E2,1 et E3,1 sont connectés en série. Sur la deuxième branche B2, trois éléments de stockage E1,2, E2,2 et E3,2 sont connectés en série également. Un dispositif de gestion est adapté pour la mise en oeuvre du procédé. Les deux branches B1 et B2 sont connectées en parallèle électriquement entre elles. La liaison électrique directe entre l'élément E1,1 et l'élément E2,1 de la première branche est reliée à la liaison électrique directe entre l'élément E1,2 et l'élément E2,2 de la deuxième branche par l'intermédiaire d'une première liaison de raccordement sur laquelle est agencé un premier élément de commutation C1,1. La liaison électrique directe entre l'élément E2,1 et l'élément E3,1 de la première branche est reliée à la liaison électrique directe entre l'élément E2,2 et l'élément E3,2 de la deuxième branche par l'intermédiaire d'une deuxième liaison de raccordement sur laquelle est agencé un deuxième élément de commutation C2,1. Chacun des deux éléments de commutation C1,1 et C2,1 pouvant varier entre deux états respectivement ouvert et fermé. Le dispositif de gestion qui comprend les deux liaisons de raccordement électrique et les deux éléments de commutations C1,1 et C2,1 pilotés par une unité de commande (non représentée) peut ainsi adopter quatre états distincts : le cas 1 où les deux éléments de commutation sont ouverts, le cas 2 où seul l'élément de commutation C2,1 est fermé, le cas 3 où seul l'élément de commutation C1,1 est fermé, et le cas 4 où les deux éléments de commutation sont fermés.30 Le cas 1 correspond à un état inactif du dispositif de gestion. Dans ce cas, les différences d'état de charge des éléments de la batterie restent invariantes.
Dans le cas 2, les éléments E3,1 et E3,2 sont associés dans un montage directement en parallèle. Le montage en série des éléments E1,1 et E2,1 de la première branche est monté en parallèle avec le montage en série des éléments E1,2 et E2,2 de la deuxième branche. Les états de charge des éléments E3,1 et E3,2 vont s'équilibrer. En même temps, les états de charges moyens des assemblages en série des éléments E1,1 et E2,1 d'une part, et E1,2 et E2,2 d'autre part, vont s'équilibrer. A l'issue de l'étape de connexion correspondant à la fermeture de l'élément de commutation C2,1, les éléments de stockage non sélectionnés E1,1, E2,1, E1,2 et E2,2 des branches parmi lesquelles d'autres éléments de stockage E3,1 et E3,2 ont été sélectionnés restent connectés électriquement entre eux en au moins un montage en parallèle et/ou en série. L'étape de connexion est configurée de sorte que le montage directement en parallèle des éléments de stockage E3,1 et E3,2 sélectionnés à l'étape de sélection est connecté électriquement dans un montage en série avec ledit au moins un montage en parallèle et/ou en série formé par lesdits éléments de stockage E1,1, E2,1, E1,2 et E2,2 non sélectionnés. Dans le cas 3, les éléments E1,1 et E1,2 sont associés dans un montage directement en parallèle. Le montage en série des éléments E2,1 et E3,1 de la première branche est monté en parallèle avec le montage en série des éléments E2,2 et E3,2 de la deuxième branche. Les états de charge des éléments E1,1 et E1,2 vont s'équilibrer. En même temps, les états de charges moyens des assemblages en série des éléments E2,1 et E3,1 d'une part, et E2,2 et E3,2 d'autre part, vont s'équilibrer. A l'issue de l'étape de connexion correspondant à la fermeture de l'élément de commutation C1,1, les éléments de stockage non sélectionnés E2,1, E3,1, E2,2 et E3,2 des branches parmi lesquelles d'autres éléments de stockage E1,1 et E1,2 ont été sélectionnés restent connectés électriquement entre eux en au moins un montage en parallèle et/ou en série. L'étape de connexion est configurée de sorte que le montage directement en parallèle des éléments de stockage E1,1 et E1,2 sélectionnés à l'étape de sélection est connecté électriquement dans un montage en série avec ledit au moins un montage en parallèle et/ou en série formé par lesdits éléments de stockage E2,1, E3,1, E2,2 et E3,2 non sélectionnés.
Dans le cas 4 résultant d'une étape de connexion où les deux éléments de commutation ont été fermés, les éléments E1,1 et E1,2 sont associés dans un premier montage directement en parallèle. Les éléments E2,1 et E2,2 sont associés dans un deuxième montage directement en parallèle. Les éléments E3,1 et E3,2 sont associés dans un troisième montage directement en parallèle. Les trois montages en parallèle, indépendants dans l'équilibrage qu'ils fournissent respectivement, sont connectés entre eux électriquement dans un montage en série. Dans ce cas, les états de charge des éléments E1,1 et E1,2 ; E2,1 et E2,2 ; E3,1 et E3,2 vont s'équilibrer deux à deux.
Les figures 5 à 8 représentent les courbes d'évolution dans le temps de l'état de charge de chacun des éléments E1,1, E1,2, E2,1, E2,2, E3,1 et E3,2 respectivement dans les cas 1 à 4 à partir de conditions initiales identiques.
Dans le cas de la figure 5 correspondant au cas 1, les états de charge des six éléments de stockage n'évoluent pas dans le temps, car il n'y a pas d'équilibrage réalisé.
Dans le cas de la figure 6 correspondant au cas 2, l'état de charge de l'élément de stockage E3,1 repéré SoC_Ce1131 évolue inversement de l'état de charge de l'élément de stockage E3,2 repéré SoC_Ce1132 car les bornes de ces deux éléments de stockage sont connectées directement en parallèle à l'issue de l'étape de connexion afin de réaliser un équilibrage dynamique rapide de leurs états de charge.
Dans le cas de la figure 7 correspondant au cas 3, l'état de charge de l'élément de stockage E1,1 repéré SoC_Ce1111 évolue inversement de l'état de charge de l'élément de stockage E1,2 repéré SoC_Ce1112 car les bornes de ces deux éléments de stockage sont connectées directement en parallèle à l'issue de l'étape de connexion afin de réaliser un équilibrage dynamique rapide de leurs états de charge. Dans le cas de la figure 8 correspondant au cas 4, l'état de charge de l'élément de stockage E3,1 repéré SoC_Ce1131 évolue inversement de l'état de charge de l'élément de stockage E3,2 repéré SoC_Ce1132 car les bornes de ces deux éléments de stockage sont connectées directement en parallèle à l'issue de l'étape de connexion dans un premier montage directement en parallèle afin de réaliser un premier équilibrage dynamique de leurs états de charge. Dans le même temps, l'état de charge de l'élément de stockage E2,1 repéré SoC_Ce1121 évolue inversement de l'état de charge de l'élément de stockage E2,2 repéré SoC_Ce1122 car les bornes de ces deux éléments de stockage sont connectées directement en parallèle à l'issue de l'étape de connexion dans un deuxième montage directement en parallèle afin de réaliser un deuxième équilibrage dynamique de leurs états de charge. Enfin dans le même temps, l'état de charge de l'élément de stockage E1,1 repéré SoC_Ce1111 évolue inversement de l'état de charge de l'élément de stockage E1,2 repéré SoC_Ce1112 car les bornes de ces deux éléments de stockage sont connectées directement en parallèle à l'issue de l'étape de connexion dans un troisième montage directement en parallèle afin de réaliser un troisième équilibrage dynamique de leurs états de charge. Les trois montages en parallèle sont indépendants et connectés entre eux en série. La figure 9 illustre des courbes identiques mais dans le cas d'une combinaison dans le temps de plusieurs des états du dispositif de gestion, ici en pilotant les éléments de commutation d'abord dans le cas 2, puis dans le cas 4 au bout d'environ 6000 secondes d'application du cas 2.
En référence à la figure 10, l'étape d'équilibrage peut comprendre une étape d'estimation des courants électriques d'équilibrage au sein du montage en parallèle des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection. Notamment, l'étape d'estimation peut comprendre une étape de détermination de la tension aux bornes d'au moins un élément de commutation Ci,1 aménagé sur au moins une liaison de raccordement électrique reliant entre elles deux branches parmi lesquelles des éléments de stockage Ei,1 ont été sélectionnés à l'étape de sélection. Un moyen de mesure est utilisé au niveau de chaque branche pour déterminer le courant du montage série en entrée de branche : respectivement 11 pour la branche B1, 12 pour la branche B2, lm pour la branche Bm, etc... Le courant le traversant le seul élément de commutation fermé est tel que : 1c = 11 +12 + let:, où let:, est le courant d'équilibrage à déterminer.
Or: = + = :1a tension au borries del'élement E. Tic: la tension au bornes du connecteur la résistance du connecteur Ainsi, en connaissant la résistance 1:1c de l'élément de commutation, la mesure de la tension électrique 1.1c à ses bornes permet de déterminer le courant d'équilibrage leq.
Il peut aussi être prévu que le procédé de gestion comprenne une étape de protection contre une décharge excessive de tout élément de stockage Eijde la batterie, cette étape comprenant : - une étape d'identification d'au moins un élément de stockage Ei,1 de la batterie aux bornes duquel la tension électrique est inférieure à un seuil bas prédéterminé (ce seuil étant lui-même fonction d'un seuil de risque de détérioration et d'une marge de sécurité), - puis une étape d'équilibrage telle que définie précédemment dont l'étape de sélection est telle qu'au moins l'élément de stockage identifié à l'étape d'identification est sélectionné et que tous les éléments de stockage implantés à des emplacements de même rang que celui où est implanté l'élément de stockage identifié à l'étape d'identification sont sélectionnés. Si en utilisation, l'unité de commande, recevant en entrée la valeur des tensions électriques aux bornes des éléments de stockage, détecte qu'un élément Ei,1 atteint une tension proche de la tension de décharge excessive, il envoie une ordre de fermeture des connecteurs Ci_ 1,1<j<m-1 et Co <i<m-i pour mettre tous les éléments de la ligne Li en parallèle et donc, dans la mesure où les états de charge des autres éléments sont supérieurs à zéro, équilibrer et prévenir la décharge excessive de l'élément E;,1.
Ainsi, il est possible de prévoir que durant l'étape de sélection, au moins un élément de stockage Ei j de chacune des branches Bi soit sélectionné. En référence à la figure 11, le procédé de gestion peut aussi comprendre une étape de protection contre une charge excessive de tout élément de stockage de la batterie, comprenant une étape de dissipation automatique d'énergie au niveau d'au moins un élément de stockage de la batterie lorsque la tension électrique aux bornes de cet élément de stockage est supérieure à un seuil haut prédéterminé. Pour cela, les moyens logiciels et/ou matériels comprennent par exemple une diode Zener repérée 4,1 montée en parallèle de chacun des éléments de stockage Ei,1 et configurée pour devenir passante lorsque la tension électrique à ses bornes est supérieure au seuil haut prédéterminé de charge excessive des éléments de stockage. Ce seuil est fonction d'un seuil de risque de détérioration et d'une marge de sécurité. Lors de la dissipation, une partie de l'énergie stockée dans l'élément Ei,1 est dissipée dans une résistance Ri j connectée en série avec la diode 41. La solution précédemment décrite permet d'avoir des circuits d'équilibrage sélectifs, avec peu de composants. En plus d'un faible coût, cela permet de s'affranchir d'une chaine de transport d'énergie et donc des pertes des rendements de conversion qui lui sont associés. Accessoirement, elle permet de se passer d'une mesure précise de la tension des cellules, donc les capteurs de tension peuvent être remplacés par de capteurs moins performants mais moins onéreux.
L'invention présente les avantages suivants : - il s'agit d'un équilibrage non dissipatif, qui réoriente l'énergie au sein même de la batterie, des éléments les plus chargés à ceux les moins chargés, - le dispositif de gestion permet de sélectionner les éléments entre lesquels le transfert d'énergie est réalisé pendant l'équilibrage, - il n'y a pas de chute de tension aux bornes de la batterie durant l'étape d'équilibrage, - les éventuels défauts de courts-circuits des éléments de commutation n'ont pas d'incidence, - il n'y a pas de perte par effet Joule dans les éléments de commutation en dehors de l'étape d'équilibrage : en effet en fonctionnement normal, le courant dans la batterie est réparti dans les différentes branches sans qu'il ne traverse aucun élément de commutation alors tous à l'état ouvert, - la mise en parallèle de plusieurs éléments en série avec plusieurs autres éléments en série permet de faibles appels de courant. L'intensité du courant d'appel est fonction de la différence de tension des éléments mis en parallèle et de la résistance équivalente de la maille crée lors de la mise en parallèle. La mise en parallèle de plusieurs éléments en série avec plusieurs autres éléments en série induit une résistance équivalente élevée. Par conséquent, l'appel de courant est faible pour une différence de tension donnée, - dans le cas d'une architecture matricielle de la batterie dont le nombre de branches est supérieur à 2, il est possible de réaliser un mode de fonctionnement pour lequel les éléments de commutation ne sont pas traversés par l'intégralité du courant de la batterie et donc leur dimensionnement peut être peu contraignant, permettant de limiter le coût des composants (interrupteurs et composants passifs associés).
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'une batterie de stockage d'énergie électrique comprenant une pluralité de branches (Bj, 1m) connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage (E; j, 1n) connectés électriquement entre eux dans un montage en série, le procédé de gestion comprenant une étape d'équilibrage des états de charge (SoC) de tout ou partie desdits éléments de stockage (Ei,j), le procédé de gestion étant caractérisé en ce que l'étape d'équilibrage comporte : une étape de sélection d'au moins deux éléments de stockage (E; j, Eij+1) appartenant à deux branches distinctes (Bj, Bi+i) et aux bornes desquels les tensions électriques sont différentes, et une étape de connexion dans un montage directement en parallèle des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection.
- 2. Procédé de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de connexion comprend une étape de raccordement électrique entre les deux branches auxquelles appartiennent les deux éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection, ledit raccordement étant réalisé, par rapport au sens de circulation du courant dans lesdites branches, en amont et en aval des éléments de stockage sélectionnés.
- 3. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que deux des éléments de stockage sélectionnés à l'étape de sélection et appartenant à des branches distinctes sont implantés à des emplacements de même rang (i) au sein du montage en série dans leur branche respective.
- 4. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, à l'issue de l'étape de sélection, au moins un élément de stockage (Ei,j) est sélectionné.
- 5. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la sélection des éléments de stockage (Ei,j) à l'étape de sélection est fonction de critères de sélection tenant compte d'une dynamique recherchée de l'équilibrage et/ou d'une valeur seuil de l'intensité électrique dans le montage directement en parallèle des éléments de stockage (Ei,1).
- 6. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'équilibrage comprend une étape d'estimation des courants électriques d'équilibrage (leq) au sein du montage directement en parallèle des éléments de stockage (Ei,j) sélectionnés à l'étape de sélection.
- 7. Procédé de gestion selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape d'estimation comprend une étape de détermination de la tension aux bornes d'au moins un élément de commutation (Ci,j) aménagé sur au moins une liaison de raccordement électrique reliant entre elles deux branches (B1) auxquelles appartiennent des éléments de stockage (Ei,j) sélectionnés à l'étape de sélection.
- 8. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de protection contre une décharge excessive de tout élément de stockage (Ei,j) de la batterie, comprenant :- une étape d'identification d'au moins un élément de stockage (Ei,j) de la batterie aux bornes duquel la tension électrique est inférieure à un seuil bas prédéterminé, - puis une étape d'équilibrage dont l'étape de sélection est telle qu'au moins l'élément de stockage (Ei,j) identifié à l'étape d'identification est sélectionné et que tous les éléments de stockage (Ei,j) implantés à des emplacements de même rang (i) que le rang de l'élément de stockage (Ei,j) identifié à l'étape d'identification sont sélectionnés.
- 9. Procédé de gestion selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de protection contre une charge excessive de tout élément de stockage (Ei,j) de la batterie, comprenant une étape de dissipation automatique de l'énergie stockée dans au moins un élément de stockage (Ei,j) de la batterie lorsque la tension électrique aux bornes de cet élément de stockage (Ei,j) est supérieure à un seuil haut prédéterminé.
- 10. Dispositif de gestion d'une batterie de stockage d'énergie électrique comprenant une pluralité de branches (B1, 1 <_j<_rn) connectées électriquement entre elles dans un montage en parallèle et comportant chacune une pluralité d'éléments de stockage (E; j, 1n) connectés électriquement entre eux dans un montage en série, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens logiciels et/ou matériels qui mettent en oeuvre un procédé de gestion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
- 11. Dispositif de gestion selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens logiciels et/ou matériels comprennent des liaisons de raccordement électrique reliant chacune deux branches (B1, B1+1) entre elles entre deux éléments de stockage (Eij, Ei,1,1) et comportant chacuneun élément de commutation (Ci,j), les liaisons de raccordement étant configurées de sorte que chaque branche est reliée électriquement à au moins une autre branche.
- 12. Dispositif de gestion selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens logiciels et/ou matériels comprennent une unité de commande générant des ordres d'actionnement pilotant les éléments de commutation (Ci,j) de sorte à réaliser l'étape de connexion.
- 13. Dispositif de gestion selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les moyens logiciels et/ou matériels comprennent une diode Zener (4,1) montée en parallèle de chacun des éléments de stockage (Ei,j) et configurée pour devenir passante lorsque la tension électrique à ses bornes est supérieure au seuil haut prédéterminé de charge excessive des éléments de stockage (Ei,j), une partie de l'énergie stockée étant dissipée dans une résistance (Ri,j) connectée en série avec la diode (4,1).
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3396809A4 (fr) * | 2016-07-29 | 2019-04-17 | LG Chem, Ltd. | Dispositif et procédé d'équilibrage de batterie |
| CN109986999A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-07-09 | 北京长城华冠汽车科技股份有限公司 | 一种电动汽车的电池箱的可靠性确定方法和装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2363935A1 (fr) * | 2010-03-04 | 2011-09-07 | Nxp B.V. | Circuit d'équilibrage pour éléments de stockage de charge |
-
2012
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