FR3128581A1 - Dispositif de stockage d’énergie électrique réversible, batterie, système de stockage et procédé associés - Google Patents
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Abstract
Le dispositif (9) de stockage d’énergie électrique réversible comprend au moins une branche (10) de stockage comportant au moins deux modules (16) de stockage d’énergie, les extrémités (12, 14) de la branche de stockage étant destinées à être reliées à un dispositif de conversion d’énergie électrique réversible. Le dispositif comprend en outre des sectionneurs (17) reliant chaque extrémité de la branche à un module de stockage d’énergie et reliant les modules de stockage d’énergie entre eux en série. Figure pour l’abrégé : Fig 2
Description
La présente invention concerne le stockage d’énergie électrique et concerne plus particulièrement un dispositif de stockage d’énergie électrique, une batterie de stockage d’énergie électrique comprenant un ou plusieurs dispositifs de stockage, un procédé de mise en œuvre du dispositif et un système de stockage d’énergie électrique comprenant la batterie.
Généralement, un système de stockage d’énergie électrique comprend un convertisseur de puissance électrique relié à une batterie de basse tension, c’est-à-dire que la tension aux bornes de la batterie est inférieure à 1500 volts en tension continue.
Le convertisseur de puissance réalisé à partir d’interrupteurs semi-conducteurs délivre généralement la puissance électrique contenue dans la batterie sur un bus de puissance alimentant par exemple des moteurs de navire.
Selon un autre mode de fonctionnement, le convertisseur de puissance peut recharger la batterie à partir du bus de puissance.
Une intervention sur la batterie de basse tension ne nécessite pas d’agrément moyenne ou haute tension, notamment pour la consignation, la maintenance ou le remplacement des batteries.
En outre, il existe des dispositifs de protection tels que des disjoncteurs configurés pour protéger la batterie basse tension lors d’une défaillance.
Pour obtenir un ensemble de systèmes de stockage d’énergie électrique aptes à délivrer de forte puissance, il est connu de relier plusieurs systèmes de stockage d’énergie électrique au bus de puissance.
Lorsque le convertisseur de puissance est du type onduleur, une forte puissance est par exemple une puissance délivrée supérieure à 800 kVA.
Lorsque le convertisseur de puissance est du type hacheur, une forte puissance est par exemple une puissance délivrée supérieure à 850kW.
Cependant, comme chaque système de stockage comporte un convertisseur de puissance, il est nécessaire de prévoir un espace important pour loger les convertisseurs de puissance.
En outre, l’utilisation de plusieurs convertisseurs de puissance complexifie le circuit de commande de l’ensemble de systèmes de stockage et rend l’ensemble de systèmes de stockage onéreux.
Une autre solution connue consiste à relier les batteries basse tension entre elles en série afin d’obtenir une batterie haute tension délivrant de forte puissance sous une tension généralement supérieure à 1500 volts, par exemple sous une tension de 5000 volts.
Cependant, la mise en série des batteries basse tension forme une batterie moyenne tension, ayant par exemple à ses bornes une tension de 5000 volts. La batterie moyenne tension appartient à la catégorie des dispositifs de haute tension nécessitant un agrément de moyenne ou haute tension pour toute intervention sur la batterie moyenne tension.
En outre, les dispositifs de protection configurés pour protéger les batteries basse tension lors d’une défaillance ne sont pas adaptés pour protéger la batterie moyenne tension.
Il est donc proposé de pallier tout ou partie des inconvénients liés aux systèmes de stockage d’énergie électrique délivrant de forte puissance selon l’état de la technique, notamment de simplifier et faciliter la mise en œuvre de tels systèmes.
Au vu de ce qui précède, il est proposé, selon un premier aspect, un dispositif de stockage d’énergie électrique réversible comprenant au moins une branche de stockage comportant au moins deux modules de stockage d’énergie, les extrémités de la branche de stockage étant destinées à être reliées à un dispositif de conversion d’énergie électrique réversible.
Le dispositif comprend en outre des sectionneurs reliant chaque extrémité de la branche à un module de stockage d’énergie et reliant les modules de stockage d’énergie entre eux en série.
Avantageusement, le dispositif comporte au moins une deuxième branche de stockage reliée en parallèle avec ladite branche de stockage.
De préférence, un dispositif statique secondaire de coupure relie l’une des extrémités de chaque branche au sectionneur disposé entre ladite extrémité de ladite branche et ledit module de stockage d’énergie adjacent à ladite extrémité, le dispositif statique secondaire de coupure étant configuré pour couper la connexion entre ladite extrémité et ledit sectionneur lorsqu’un courant circulant dans ledit dispositif statique secondaire de coupure est supérieur à un courant secondaire de seuil prédéterminé ou lors de la réception d’une commande émise par des moyens de contrôle.
Avantageusement, chaque module de stockage d’énergie comporte un moyen de stockage d’énergie électrique et des moyens de surveillance configurés pour mesurer des caractéristiques électriques et thermiques de chaque moyen de stockage d’énergie et transmettre les valeurs mesurées à des moyens de contrôle.
Il est proposé selon un autre aspect, une batterie de stockage d’énergie électrique comportant au moins deux bornes de connexion et un dispositif de stockage d’énergie réversible tel que défini précédemment, chaque extrémité de la branche de stockage étant reliée à une borne de connexion différente.
Il est proposé selon un autre aspect, une batterie de stockage d’énergie électrique comportant au moins deux bornes de connexion et au moins deux dispositifs de stockage d’énergie réversibles tels que définis précédemment, les dispositifs de stockage d’énergie étant reliés en série, les deux extrémités libres des branches de stockage étant reliées chacune à une borne de connexion différente.
Il est proposé selon encore un autre aspect, un système de stockage d’énergie électrique comprenant une batterie de stockage d’énergie électrique telle que définie précédemment, des moyens de commande configurés pour piloter les sectionneurs et un dispositif de conversion d’énergie électrique réversible relié aux bornes de la batterie les moyens de commande étant en outre configurés pour piloter, le cas échéant, le dispositif statique secondaire de coupure.
De préférence, le système de stockage d’énergie électrique comporte en outre un dispositif statique primaire de coupure reliant le dispositif de conversion d’énergie électrique réversible à la batterie de stockage d’énergie électrique, le dispositif statique primaire de coupure étant configuré pour couper la connexion entre la batterie et le dispositif de conversion d’énergie électrique réversible lorsqu’un courant circulant dans ledit dispositif statique primaire de coupure est supérieur à un courant primaire de seuil prédéterminé.
Il est proposé selon un autre aspect, un navire comprenant un système de stockage d’énergie électrique tel que défini précédemment.
Il est proposé selon un autre aspect, un procédé de stockage d’énergie électrique.
Le procédé comprend une étape de consignation comportant l’ouverture de sectionneurs d’au moins une branche de stockage d’au moins un dispositif de stockage d’énergie électrique réversible, ladite branche comportant au moins deux modules de stockage d’énergie et dans laquelle les sectionneurs relient chaque extrémité de la branche à un module de stockage d’énergie et relient les modules de stockage d’énergie entre eux en série.
De préférence, le procédé comprend l’ouverture d’un dispositif statique primaire de coupure reliant un dispositif de conversion d’énergie électrique réversible au dispositif de stockage d’énergie électrique pour couper la connexion entre le dispositif de stockage d’énergie électrique et le dispositif de conversion d’énergie électrique lorsqu’un courant circulant dans ledit dispositif statique primaire de coupure est supérieur à un courant primaire de seuil prédéterminé.
Avantageusement, le procédé comprend l’ouverture d’un dispositif statique secondaire de coupure reliant une extrémité de la branche au sectionneur disposé entre ladite extrémité de ladite branche et ledit module de stockage d’énergie pour couper la connexion entre ladite extrémité et ledit sectionneur lorsqu’un courant circulant dans ladite dispositif statique secondaire de coupure est supérieur à un courant secondaire de seuil prédéterminé.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnés uniquement à titre d’exemples non limitatifs et en référence aux dessins sur lesquels :
On se réfère à la qui illustre un mode de réalisation d’un navire 1 comprenant des moteurs 2 de propulsion comportant des hélices pour mouvoir le navire 1 dans l’eau, un bus 3 de puissance alimentant les moteurs 2 et un système de stockage 4 d’énergie électrique réversible alimentant le bus 3.
Bien entendu, le système de stockage 4 peut être implémenté pour d’autres applications, par exemple pour alimenter un compresseur.
Le système de stockage 4 comprend une batterie 5 de stockage d’énergie électrique comportant deux bornes de connexion 51, 52 reliées à un dispositif statique primaire 6 de coupure.
Le système de stockage 4 comprend en outre un dispositif de conversion 7 d’énergie électrique réversible relié au dispositif statique primaire 6 et au bus de puissance 3.
Le dispositif de conversion 7 d’énergie électrique réversible est réalisé à partir de composants semi-conducteurs tels que des transistors de puissance.
Le dispositif statique primaire 6 est réalisé à partir de semi-conducteurs, et coupe la connexion entre la batterie 5 et le dispositif de conversion 7 lorsqu’un courant I1 circulant dans ledit dispositif est supérieur à un courant primaire de seuil prédéterminé.
Le courant primaire de seuil est par exemple égal à 2500 A pour une tension de 4000 Vdc délivrée par la batterie 5.
Lorsque le courant I1 est supérieur au courant primaire de seuil, le système 4 est considéré comme défaillant de sorte que le dispositif statique primaire 6 permet de détecter la défaillance et protéger le système 4 évitant ainsi sa dégradation.
En variante, le système de stockage 4 ne comprend pas de dispositif statique primaire 6
Lorsque les moteurs 2 sont du type moteur à courant continu, le dispositif de conversion 7 comprend un hacheur générant une tension continue à partir de la tension de la batterie 5 pour alimenter les moteurs 2.
Lorsque les moteurs 2 sont du type moteur à courant alternatif, le dispositif de conversion 7 comprend un onduleur générant une tension alternative multi-phase à partir de la tension de la batterie 5 pour alimenter les moteurs 2.
Le système de stockage 4 comprend en outre des moyens de commande 8.
La illustre un premier exemple de réalisation de la batterie 5
La batterie 5 comprend un dispositif de stockage 9 d’énergie électrique comportant deux bornes 91, 92 reliées chacune à une borne 51, 52 différente de la batterie 5.
Le dispositif de stockage 9 comprend deux branches de stockage 10 ,11 reliées en parallèle, une première extrémité 12, 13 des branches 10, 11 étant reliée à une première borne 91 du dispositif de stockage 9, et la deuxième extrémité 14, 15 des branches 10, 11 étant reliée à la deuxième borne 92 du dispositif de stockage 9.
Chaque branche 10, 11 comprend trois modules de stockage 16 d’énergie identiques et des sectionneurs 17 reliant chaque extrémité 12, 13, 14, 15 de chaque branche 10, 11 à un module de stockage 16 et reliant les modules de stockage 16 d’une même branche 10, 11 en série.
Chaque module de stockage 16 comprend un moyen de stockage 18 d’énergie électrique, et des moyens de surveillance 19 mesurant des caractéristiques électriques et thermiques de chaque moyen de stockage 18 et transmettant les valeurs mesurées aux moyens de contrôle 8.
Chaque module de stockage 16 comprend par exemple une batterie basse tension ou une supercapacité, la tension aux bornes des moyens de stockage étant égale ou inférieure à 1500 volts continu de sorte que chaque moyen de stockage est régi par les règlements relatifs aux dispositifs de stockage de basse tension.
Le dispositif 9 comprend en outre un dispositif statique secondaire 20 de coupure reliant la première extrémités 12, 13 de chaque branche 10, 11 au sectionneur 17 disposé entre la première extrémité 12, 13 de chaque branche 10, 11 et le module de stockage 16 adjacent à la première extrémité 12, 13.
Le dispositif statique secondaire 20 de coupure est réalisé à partir d’interrupteurs semi-conducteurs et coupe la connexion entre la première 12, 13 extrémité et ledit sectionneur 17 lorsqu’un courant I2 circulant dans le dispositif statique secondaire est supérieur à un courant secondaire de seuil prédéterminé pour empêcher la dégradation du dispositif 9 en cas de défaillance.
Le courant secondaire de seuil est par exemple égal à 400A.
Les moyens de commande 8 pilotent les sectionneurs 17 et le dispositif statique secondaire 20 pour couper la connexion entre la première 12, 13 extrémité et ledit sectionneur 17 lorsque le courant I2 est inférieur au courant secondaire de seuil.
Les moyens de commande 8 comprennent par exemple une unité de traitement pilotant les sectionneurs 17 et le dispositif statique secondaire 20.
Les moyens de contrôle 8 supervisent chaque moyen de stockage 18 pour identifier une défaillance d’un module 16 et isoler ladite branche 10, 11 comprenant le module défaillant de l’autre branche 11, 10 du dispositif 9 en ouvrant le dispositif statique 20 de la branche défaillante puis en ouvrant les sectionneurs adjacents au module 16 défaillant.
Lors d’une étape de maintenance du dispositif 9 sur l’une des branches 10, 11 de stockage, les moyens de contrôle 8 ouvrent le dispositif statique secondaire 20 de ladite branche 10, 11 puis ouvrent les sectionneurs 17 de ladite branche de sorte que la tension aux bornes de chaque module 16 est inférieure à une tension de 1500 volts.
Seule une habilitation basse tension est nécessaire pour intervenir sur les modules de stockage de la batterie 5 lorsque les sectionneurs 17 sont ouverts.
Lorsque les sectionneurs 17 sont ouverts, ils peuvent être reliés à la terre.
En variante, le dispositif statique secondaire 20 relie la deuxième extrémités 14, 15 de chaque branche 10, 11 au sectionneur 17 disposé entre la deuxième extrémités 14, 15 de chaque branche 10, 11 et le module de stockage 16 adjacent à la deuxième extrémités 14, 15.
Selon encore une autre variante, le dispositif 9 ne comprend pas de dispositif statique secondaire 20.
En variante, chaque branche comporte un nombre différent de modules 16 différents de trois reliés en série, chaque branche comportant au moins deux modules 16 reliés en série.
Le nombre de modules 16 reliés en série est déterminé selon la valeur de la tension souhaitée aux bornes 91, 92 du dispositif 9.
Comme chaque branche 10, 11 comprend trois modules 16, la tension aux bornes 91, 92 du dispositif 9 est égale au maximum à 4500 volts.
La batterie 5 délivrant une tension continue maximale de 4500 volts forme une batterie moyenne tension nécessitant seulement une habilitation basse tension pour intervenir sur ladite batterie 5.
En outre, un seul dispositif de conversion 7 est nécessaire pour alimenter le bus 3 à partir de la batterie 5 moyenne tension.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif 9 comprend au moins une branche de stockage ou plus de deux branches de stockage en parallèle.
La illustre un deuxième exemple de réalisation de la batterie 5.
La batterie 5 comprend deux dispositifs 21, 22 identiques au dispositif 9 reliés en série.
Les deux extrémités libres des branches de stockage des dispositifs 21, 22 sont chacune reliée à une borne de connexion 51, 52 différente de la batterie 5.
La mise en série de dispositifs de stockage permet d’obtenir une batterie 5 de tension plus élevée afin de stocker encore plus d’énergie électrique, par exemple une tension maximale de 9000 volts.
Bien entendu, plus de deux dispositifs de stockage peuvent être reliés en série.
Selon un autre mode de réalisation, les dispositifs de stockage mis en série peuvent délivrer chacun une tension différente, la tension aux bornes 51, 52 de la batterie 5 étant égale à la somme des tensions délivrées par les dispositifs de stockage mis en série.
La illustre un exemple de mise en œuvre du système de stockage 4.
On suppose que les sectionneurs 17 sont fermés de sorte que la batterie 5 alimente le dispositif de conversion 7 par l’intermédiaire du dispositif statique primaire 6 de coupure.
Durant une étape de consignation 30, les moyens de commande 8 ouvrent les sectionneurs 17 de sorte que la tension aux bornes de chaque module 16 est inférieure à 1500 volts permettant une intervention éventuelle sur les modules 16 pour par exemple remplacer un module 16 défaillant ou assurer des opérations de maintenance sur l’une des modules 16.
Si les branches 10, 11 de la batterie 5 comprennent chacune un dispositif statique secondaire 20, les moyens de commande 8 ouvrent les dispositifs statiques secondaires 20 puis lorsque les dispositifs statiques secondaires 20 sont ouverts, les moyens de commande 8 ouvrent les sectionneurs 17.
Lorsque l’intervention sur les modules 16 est terminée, durant une étape 31, les moyens de commande 8 ferment les sectionneurs 17 de sorte que le dispositif de conversion 7 transfert de l’énergie électrique contenue dans la batterie 5 vers le bus 3.
Si les branches 10, 11 de la batterie 5 comprennent chacune un dispositif statique secondaire 20, les moyens de commande 8 ferment les sectionneurs 17 puis, lorsque les sectionneurs 17 sont fermés, les moyens de commande 8 ferment les dispositifs statiques secondaires 20.
Si le courant I1 est supérieur au courant primaire de seuil (étape 32), le dispositif statique primaire 6 de coupure coupe la connexion entre chaque dispositif de stockage 9 de la batterie 5 et le dispositif de conversion d’énergie électrique 7 (étape 33).
Si le courant I2 de l’une des branches 10, 11 est supérieur au courant secondaire de seuil (étape 34), le dispositif statique secondaire 20 de coupure de ladite branche coupe la connexion entre ladite branche du dispositif de stockage 9 et le dispositif de conversion d’énergie électrique 7 (étape 33).
Comme le dispositif de conversion d’énergie électrique 7 est réversible, selon un autre mode de fonctionnement du dispositif de conversion d’énergie électrique 7, les modules 16 de la batterie 5 peuvent être chargés à partir d’une source d’énergie électrique reliée au dispositif de conversion d’énergie électrique 7.
La source d’énergie électrique peut par exemple comprendre une éolienne de sorte que l’énergie électrique produite par l’éolienne est stockée dans la batterie 5 pour une utilisation ultérieure.
Claims (12)
- Dispositif (9) de stockage d’énergie électrique réversible comprenant au moins une branche (10) de stockage comportant au moins deux modules (16) de stockage d’énergie, les extrémités (12, 14) de la branche de stockage étant destinées à être reliées à un dispositif de conversion (7) d’énergie électrique réversible, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre des sectionneurs (17) reliant chaque extrémité de la branche à un module de stockage d’énergie et reliant les modules de stockage d’énergie entre eux en série.
- Dispositif selon la revendication 1, comportant au moins une deuxième branche (11) de stockage reliée en parallèle avec ladite branche de stockage (10).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel un dispositif statique secondaire (20) de coupure relie l’une des extrémités (12, 13) de chaque branche (10, 11) au sectionneur (17) disposé entre ladite extrémité de ladite branche et ledit module de stockage d’énergie adjacent à ladite extrémité, le dispositif statique secondaire de coupure étant configuré pour couper la connexion entre ladite extrémité et ledit sectionneur lorsqu’un courant circulant dans ledit dispositif statique secondaire de coupure est supérieur à un courant secondaire de seuil prédéterminé ou lors de la réception d’une commande émise par des moyens de contrôle (8).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque module de stockage (16) d’énergie comporte un moyen de stockage (18) d’énergie électrique et des moyens de surveillance (19) configurés pour mesurer des caractéristiques électriques et thermiques de chaque moyen de stockage d’énergie et transmettre les valeurs mesurées à des moyens de contrôle (8).
- Batterie (5) de stockage d’énergie électrique comportant au moins deux bornes (51, 52) de connexion et un dispositif de stockage (9) d’énergie réversible selon l’une quelconques des revendications 1 à 4, chaque extrémité (12, 14) de la branche de stockage étant reliée à une borne de connexion différente.
- Batterie (5) de stockage d’énergie électrique comportant au moins deux bornes de connexion (51, 52) et au moins deux dispositifs de stockage (22, 21) d’énergie réversibles selon l’une quelconques des revendications 1 à 4, les dispositifs de stockage d’énergie étant reliés en série, les deux extrémités libres des branches de stockage étant reliées chacune à une borne de connexion différente.
- Système de stockage (4) d’énergie électrique comprenant une batterie (5) de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 5 et 6, des moyens de commande (8) configurés pour piloter les sectionneurs (17) et un dispositif de conversion (7) d’énergie électrique réversible relié aux bornes de la batterie, les moyens de commande (8) étant en outre configurés pour piloter, le cas échéant, le dispositif statique secondaire de coupure (20).
- Système de stockage (4) d’énergie électrique selon la revendication 7, comportant en outre un dispositif statique primaire (6) de coupure reliant le dispositif de conversion (7) d’énergie électrique réversible à la batterie (5) de stockage d’énergie électrique, le dispositif statique primaire de coupure étant configuré pour couper la connexion entre la batterie et le dispositif de conversion d’énergie électrique réversible lorsqu’un courant circulant dans ledit dispositif statique primaire de coupure est supérieur à un courant primaire de seuil prédéterminé.
- Navire (1) comprenant un système de stockage (4) d’énergie électrique selon l’une des revendications 7 ou 8.
- Procédé de stockage d’énergie électrique, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de consignation comportant l’ouverture de sectionneurs (17) d’au moins une branche (10, 11) de stockage d’au moins un dispositif de stockage (9) d’énergie électrique réversible, ladite branche comportant au moins deux modules (16) de stockage d’énergie et dans laquelle les sectionneurs relient chaque extrémité de la branche à un module de stockage d’énergie et relient les modules de stockage d’énergie entre eux en série.
- Procédé de stockage d’énergie électrique selon la revendication 10, comprenant l’ouverture d’un dispositif statique primaire (6) de coupure reliant un dispositif de conversion (7) d’énergie électrique réversible au dispositif de stockage (9) d’énergie électrique pour couper la connexion entre le dispositif de stockage d’énergie électrique et le dispositif de conversion d’énergie électrique lorsqu’un courant circulant dans ledit dispositif statique primaire de coupure est supérieur à un courant primaire de seuil prédéterminé.
- Procédé de stockage d’énergie électrique selon l’une des revendications 10 ou 11, comprenant l’ouverture d’un dispositif statique secondaire (20) de coupure reliant une extrémité de la branche (10, 11) au sectionneur (17) disposé entre ladite extrémité de ladite branche et ledit module de stockage (16) d’énergie pour couper la connexion entre ladite extrémité et ledit sectionneur lorsqu’un courant circulant dans ladite dispositif statique secondaire de coupure est supérieur à un courant secondaire de seuil prédéterminé.
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2021
- 2021-10-22 FR FR2111268A patent/FR3128581A1/fr active Pending
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