WO2011101555A1 - Systeme d'equilibrage par couplage magnetique d'une association serie d'elements de generation ou de stockage d'energie electrique - Google Patents

Systeme d'equilibrage par couplage magnetique d'une association serie d'elements de generation ou de stockage d'energie electrique Download PDF

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WO2011101555A1
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inverter
series
elements
inverters
association
Prior art date
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PCT/FR2011/000087
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Jean-Christophe Crebier
Alexandre Chureau
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Institut Polytechnique De Grenoble
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a system for balancing a series association of elements for generating and / or storing electrical energy, such as accumulators or cells for electrochemical accumulators, or photovoltaic cells.
  • the invention also relates to a series association of elements for generating and / or storing electrical energy provided with such a balancing system. More specifically, the balancing system of the invention is of the type exploiting a magnetic coupling between the different elements.
  • electrochemical batteries generally have a modular structure.
  • the basic element consists, by an individual accumulator A, consisting of a single electrochemical cell.
  • Several accumulators connected in parallel form a "storage cell” CA; such a cell provides a voltage equal to that of an individual battery, but a larger current and storage capacity.
  • CA storage cell
  • modules To raise the voltage level supplied by the battery, several accumulator cells are connected in series, forming a so-called “module” M.
  • modules can in turn be connected in series to form what is called a "stack" S.
  • a complete battery BATT is formed by a plurality of stacks connected in parallel.
  • the system of the invention aims in particular to allow voltage balancing of the various elements (cells, modules) of a battery which are connected in series with each other.
  • FIG. 2A shows a battery formed by a series of four cell series, CA1, CA2, CA3 and CA4, which is connected to a current generator to be charged.
  • the four cells should be charged at the same voltage equal to 4V for an overall voltage of 16V across the battery.
  • the elements CA1 and CA4 are charged at a voltage lower than the nominal value of 4V, while the element CA2 is charged to a substantially higher value (4.3V), capable of 'to damage.
  • the CA4 element is only charged at a voltage of 3.8 V; this element is therefore likely to be brought, after prolonged use, into a state of deep discharge - equally prejudicial - which could not be detected by the measurement of the single voltage across the series association.
  • Figure 2B shows such a series combination of photovoltaic cells PVi ... PV Nl represented by diodes in reverse bias.
  • a maximum power-point tracker (MPPT) module connected in series to the cells, determines the intensity of the current flowing in the series association so as to maximize the power generated. by photovoltaic effect.
  • MPPT maximum power-point tracker
  • the curve CIV1 shows the current characteristic (I) - voltage (V) of the photovoltaic cells exposed to the same luminous flux
  • Curve CIV2 shows the characteristic of a cell which, from an instant T, is exposed to a lower luminous flux, for example because of a soiling.
  • the MPPT module imposes an IQPTI current through the series association, and this induces a VOPTI potential difference across each cell, such as
  • the state of the art includes several voltage balancing systems for electrochemical energy storage elements.
  • the most common balancing systems are passive or dissipative. In charging phase, for example, these systems constantly or periodically measure the potential difference across each of the elements connected in series and drift towards a dissipation resistor the current that can no longer be absorbed by the elements of less capacity. We understand that these systems lead to energy losses that are difficult to accept in the event of significant dispersion of the characteristics of the different electrochemical elements, the size of the heat sinks can become prohibitive. The discharge of the battery must be stopped when the elements of smaller capacity have reached their lower limit of voltage; this means that the storage capacity of the battery is limited by that of its worst elements.
  • US 6,150,795 discloses a bidirectional active balancing system in which energy can be transferred between adjacent battery cells via respective magnetic couplers. As in the previous cases, the transfer of energy is carried out only "step by step”.
  • these windings are double windings with two end contacts Pi, P3 and a midpoint P 2 .
  • the midpoint P 2 of each winding is connected to the positive terminal (cathode) of the corresponding cell; the two end contacts Pi and P 3 are connected to its negative terminal (anode) via respective transistors Ti, T 2 forming a half-bridge inverter.
  • the transistors T1 of the different cells are controlled synchronously; it is the same, in a complementary manner, for the transistors T 2 . It is understood that the magnetic flux induced in the magnetic core NM changes sign according to whether the transistors ⁇ are conductive and the transistors T 2 non-conductive, or vice versa.
  • the most charged elements supply energy to the least charged elements via the magnetic core NM.
  • the main disadvantage of the balancing system of Figure 3 is its size, especially because of the use of a double winding with a midpoint for each battery element (accumulator, cell or module) to balance. Another disadvantage is that the system is not able to cope with the failure of a cell.
  • the invention aims to remedy - in whole or in part - the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • a balancing system of a series association of elements for generating and / or storing electrical energy characterized in that it comprises: a plurality of inverters in complete bridge, each of which consists of two inverter arms connected in parallel between two end ports of the inverter, each inverter arm being in turn constituted by two switches connected in series by a point said midpoint of arms ;. a plurality of connectors for connecting the two end ports of each inverter in full bridge to a respective one of said serial association; and a magnetic coupler formed by a magnetic core on which a plurality of windings are formed, each of said windings being connected to the midpoints of the arms of one of said inverters.
  • a protection switch can be connected in series to an end port of each inverter.
  • a protection switch can be connected in series between each of said sub-elements and an end port of the corresponding inverter.
  • a filter capacitor may be connected in parallel to each element of said series association between the two end ports of the corresponding inverter.
  • the system may also include a control means for controlling said inverters so as to achieve a balancing of said elements.
  • the system may also comprise a measurement means for measuring the voltage across each element of said series association, said control means being adapted to drive said inverters when the maximum difference in voltage between two elements exceeds a first threshold, and up to said difference falls below a second threshold.
  • Said measuring means may comprise a current sensor connected in parallel to a switch of an inverter, the control means being adapted to drive each inverter individually to store energy in magnetic form in the core of the magnetic coupler; then to drive the inverter equipped with said current sensor so as to destock said energy in the form of an electric current directed through said sensor.
  • Said control means may be adapted to drive a plurality of said inverters synchronously, with the same duty cycle substantially equal to 0.5, to achieve a "natural balance" as in the system of Figure 3.
  • said means pilot can be arranged to drive a single of said inverters, said master inverter; while the switches of the other inverters of the system, so-called slave inverters, can be controlled by the voltages which appear at the terminals of the respective windings as a result of the operation of said master inverter.
  • control means can be adapted to:
  • Said control means can be adapted to drive said inverters synchronously with an adjustable phase shift between the control signals of the different inverters.
  • each inverter can be monolithically integrated on a separate chip.
  • Each of said chips can also integrate close control means of said switches, which are made in the form of power transistors.
  • said chips can be made in CMOS technology.
  • Another object of the invention is a series combination of electrochemical storage elements of electrical energy or photovoltaic cells provided with a balancing system as described above.
  • Figure 1 shows the modular structure of an electrochemical battery
  • Figure 2A illustrates the problem of voltage balancing in a series combination of electrochemical energy storage elements
  • Figures 2B and 2C illustrate the need for balancing in a series association of photovoltaic cells
  • FIG. 3 illustrates an active balancing system known from the prior art
  • FIG. 4 shows a general diagram of an active balancing system according to the invention
  • FIGS. 5A, 5B and 6A, 6B illustrate the operation of the system of FIG. 4 in "natural" balancing mode
  • FIG. 7 shows the progressive balancing of the charge potentials of three electrochemical cells by means of the system of FIG. 4;
  • FIGS. 8A and 8B illustrate the operation of the system of FIG. 4 in "forced" balancing mode
  • FIGS. 9A and 9B show how a measurement of the voltage at the terminals of each battery element can be carried out
  • FIGS. 10A and 10B illustrate two different protection schemes for managing the case where a battery element, or a sub-element of this element, is faulty;
  • FIG. 11 shows a block diagram of a power chip used in an active balancing system according to the invention.
  • Fig. 12 shows a diagram of a close control circuit of a power transistor
  • FIG. 13 illustrates a particular embodiment of the invention, in which the switching commands of the inverters are transmitted via the magnetic coupler;
  • Figures 14 and 15 illustrate the use of the system of the invention for balancing a series association of photovoltaic cells
  • Figures 16, 17 and 18 illustrate a so-called "mixed" control mode of the system of the invention.
  • a balancing system associated with each battery cell CA ⁇ AC 2, ... N CA module formed by a full bridge inverter and a magnetic coupler winding.
  • Each full-bridge inverter OPCi, OPC 2 , ... OPCN is constituted by the parallel association of two bridge arms, the end ports of which are connected to the terminals of the corresponding battery element. by respective connectors; each bridge arm, in turn, consists of two switches in series.
  • the bridge arms are made in C-MOS technology: the "upper" switch (intended to be connected to the positive terminal of the battery element) of each arm is a P-MOS, while its “lower” switch (intended to be connected to the negative terminal of the battery cell) is an N-MOS.
  • the body diodes of the transistors are indicated by “D hnm ".
  • the mid-points P-n, Pa of the arms ("i" being the index of the inverter) are connected to respective windings Wj made on a common magnetic core NM which performs a magnetic coupling between all the windings.
  • the magnetic core NM and the windings Wj form a magnetic coupler interconnecting all the modules.
  • the reference L m identifies the magnetising inductance of the coupler.
  • a capacitor Ci ... C N is connected in parallel with each battery element. Its function is mainly to filter the high-frequency components created by the breakdown of the electrical quantities (voltages, currents) caused by the switching of the transistors. As will be discussed later, it also serves to ensure the continuity of the power supply of the inverter and the associated electronics.
  • FIGS. 5A and 5B illustrate the operation of the system of FIG. 4 in "natural" balancing mode.
  • all the inverters are controlled synchronously by a pulse width modulated control signal with a duty ratio equal to 0.5, preferably having a frequency greater than 20 kHz (i.e. above the threshold of the audible, so as not to cause noise).
  • FIGS. 5A and 5B show only two battery cells and the respective inverters: the element CAj, which is the most charged; and the element CA j , which is charged to a lower voltage level.
  • the element CAj which is the most charged, tends to discharge through the winding Wj; the current flowing through the winding generates a variable magnetic flux in the magnetic core NM, which in turn generates a current in the winding W j . As shown in Figure 5A, this current flows in a direction opposite to that which travels Wj, and tends to load CA j .
  • the transfer of energy is then limited by the impedances separating the two elements CAj and CAj: series resistors of the windings, resistors in the on state of the transistors.
  • the transistors are sized on the basis of the maximum balancing current that it is desired to allow.
  • it is possible to connect a discrete resistor in series the advantage is that it allows to use "standard" chips for different applications, only the discrete resistors are changed from one application to another.
  • the problem is that part of the current flowing through the winding Wj charges the magnetising inductance L m of the magnetic coupler formed by the magnetic core and the different windings (this current has not been represented in FIGS. 5a and 5b for do not overload them).
  • this current has not been represented in FIGS. 5a and 5b for do not overload them.
  • the switches are opened which were closed during the first half of the cycle and closed those who were open.
  • the direction of the currents is reversed, as shown in FIG. 5B, but the element CA j continues to charge at the expense of CAj.
  • the energy stored in the magnetising inductor L m of the coupler is released and then stored again in the form of a current in the opposite direction.
  • the lines Iwi, Iwj and li_m show the evolution over time (scale in milliseconds ms) of the currents flowing through the two windings Wi, W j and the magnetising inductance L m , respectively.
  • the ICA lines i, A j Ic show the evolution over time (in milliseconds scale ms) of the currents flowing through the two battery cells, CAj, CAj (negative sign for a discharge current, positive for a charging current). These currents converge slowly towards zero, which also translates the establishment of a load balance.
  • Figure 7 shows the natural balance of three accumulator cells: CA1, initially charged at 4.1 V; CA2, initially charged at 3.8V and CA3, initially charged at 3.7V. It can be seen that the voltages of the three cells converge at the same value of about 3.85V in less than 7 ms.
  • the "natural” balancing does not necessarily concern all the battery elements: it is possible to control only a subset of inverters, leaving the others in open configuration, so that they decouple the elements of the battery. corresponding battery of the balancing system. In this case, the balancing occurs only between the battery cells associated with the active inverters.
  • the switches of the inverter which was previously controlled are open, while the inverters associated with battery elements intended to receive additional charge are controlled so as to allow the destocking of the energy. accumulated by the magnetising inductor during the first half-cycle.
  • FIGS. 8A and 8B show very schematically a forced energy transfer from the element CAi to the element CA 3 via a temporary energy storage in the magnetising inductance L m .
  • the forced balancing can not work if the potential difference between the most charged elements and the least charged elements is too high, typically greater than about 1, 4 V. Indeed, we must not forget that the inverters are not constituted by ideal switches, but by power transistors provided with an antiparallel body diode. If V C A I -VC A3 is greater than about 1.4 V (twice the activation voltage of these diodes), they become unintentionally passing, which is incompatible with the operating scheme described above.
  • the operation is repeated for all the cells (including CA N ): as all the measurements are made by the same sensor, the determination of the differences in the charge level of the cells is a lot More reliable.
  • the only component specifically dedicated to measurement is the DC sensor, which can be easily integrated with the corresponding inverter.
  • This control mode differs from natural balancing only in that a variable phase shift is introduced between the control signals of the different inverters.
  • the energy transfer is mainly done directly via the coupler, without inductive storage; in the case of forced balancing, the energy is essentially transferred by the magnetising inductance of the coupler; in the case of mixed balancing, a direct transfer of energy between the cells is also realized, but its intensity and direction can be adjusted taking into account the leakage inductance, in series with the coupler. This adjustment is achieved by introducing the phase shift between the control signals of the different inverters.
  • Figure 16 shows the coupling of two cells CAj and CA j through the coupler, which is shown as an ideal coupler with a series leakage inductance L f in series .
  • FIG. 17 illustrates the control signals of the different transistors of the circuit of FIG. 16: Chu (for the transistor T h ii), Chi 2 (for the transistor T h j 2), C b ii (for the transistor T b ii), C b i 2 (for the transistor T b i 2), C h j i (for the transistor T h ij), C h j 2 (for the transistor T h j 2), C b jji (for the transistor T b i), C b j2 (for the transistor T b j2).
  • the phase shift ⁇ with 0 ⁇ ⁇ 0.5, T being the duration of the control cycle.
  • the duty ratio is 0.5.
  • FIG. 18 shows the voltage V E on the primary winding (corresponding to the element to be discharged), the voltage V s on the secondary winding (corresponding to the element to be charged) and the current I L in the inductor. leak.
  • phase shift ⁇ ⁇ 0 fixed
  • high frequency control 100 kHz or more
  • FIG. 10A shows a first islanding scheme, in which a switch T pi (N-MOS transistor) is connected in series to an end port of each inverter. The opening of this switch isolates the cell CAj from the magnetic coupler.
  • T pi N-MOS transistor
  • the battery element is composed of a plurality of sub-elements (accumulators) in parallel: CAj 1 , CAj 2 , CAj 3 , each of which is connected in series with a switch of respective protection: T pi 1 , T pj 2 , T pi 3 .
  • Protection switches are advantageously N-type transistors, preferred to P-type transistors because of their lower resistance in the on state.
  • each inverter can be monolithically integrated with its control electronics and associated protection switch (s).
  • control electronics and associated protection switch As the reference voltages of each inverter are different, if it is desired to achieve a monolithic integration of several inverters it is necessary to use a technology of the type SOI (silicon on insulator, in English "Silicon On Insulator").
  • FIG. 11 shows the block diagram of such a chip.
  • the heart of the chip is constituted by the four power transistors T h i, T h 2, bi, b 2 forming the two bridge arms of the inverter.
  • each bridge arm is associated with a close control circuit, CR1, CR2, the structure of which is shown in FIG. 12.
  • the transistors ⁇ - You form three stages of amplification of the signal of command v c ; these transistors have increasing dimensions approaching the power element, and their characteristics are determined so as to provide the best compromise between switching loss and silicon surface used.
  • 2 - T 7 form the control shift circuit: the on-state resistance of Tia is much larger (for example by a factor of 10) than that of T20; similarly, the on-state resistance of ⁇ ⁇ 9 is much greater than that of Ti 7.
  • v c goes from a low value to a high value
  • v 2 follows faster than vi: by therefore, the P-MOS forming the "upper" switch of the bridge arm stops driving before the N-MOS forming the "lower” switch becomes conductive.
  • V i follows faster than v 2 : therefore the N-MOS stops driving before the P-MOS becomes a driver. This ensures a "dead time" at each switching, during which no bridge arm transistor leads.
  • the protection switch T p is also provided with a close control circuit CTP, much simpler.
  • the MRC block constitutes a command or configuration signal receiving module, which receives "high level" control signals from an external control module MC and converts them into control signals of the circuits CTP, CR1, CR2. It must be taken into account that the control module MC has to control several chips which are at different reference potentials (depending on their position in the series association of battery elements).
  • the MRC module can therefore be made in the form of a conventional level translator, or an optical coupler.
  • the chip as a whole is powered by the AC battery element that it manages, the capacitor C ensuring the continuity of this power supply (in addition to its filtering function).
  • the thick lines represent the conductors transmitting electrical power, the thin lines the ones transmitting only signals.
  • the control module MC can be realized in the form of a dedicated chip, or be co-integrated with one of the chips making the inverters.
  • a single inverter (“master inverter”) is controlled directly by a control module; the other inverters (“slaves”) receive the switching commands via the magnetic coupler which transfers the power.
  • This principle is illustrated in FIG. 13, where it can be seen that the gates of the transistors T h i, T b of the first arm of a "slave” inverter are connected to a first terminal of the winding W and the gates Th2 transistors, b 2 of the second arm are connected to a second terminal of that winding W.
  • the "master" inverter of the system is controlled in such a way that the second terminal of the winding W of the slave inverter is at a positive potential (in the figure, the positive potentials are represented by a point) .
  • This positive potential is transmitted to the grids of T h i and T b i. Therefore T h i becomes conductive while T b i does not drive.
  • the negative potential of the first terminal of the inverter is transmitted to the gates of T h 2. which does not conduct, and T b i2, which leads.
  • the driving transistors are surrounded by a circle.
  • the "slave" inverter is therefore in the same configuration as the "master” inverter.
  • This embodiment is advantageous in that it eliminates the need for a dedicated control transmission circuit. On the other hand, it only allows operation in natural or mixed mode.
  • FIG. 13 is only a schematic diagram: in reality, the gates of the power transistors will be connected to the terminals of the winding W only via circuit circuits. respective close order, for the reasons explained above.
  • FIG. 14 shows a balancing system according to the invention, associated with a series connection of photovoltaic cells PV 1 ... PV N , each having a capacitor C 1 -CN in parallel.
  • the PVi ... PV N elements may be individual photovoltaic cells or series and / or parallel associations of such cells. At the limit, it can be photovoltaic panels in a photovoltaic generation system of large dimensions.
  • an MPPT module sets the IOPTI value of the current flowing in the cells, so as to maximize the power generated. It is assumed that the PV cell 2 is shaded or defective, so that its voltage-current characteristic corresponds to the curve CIV2 in FIG. 2C.
  • the full bridge inverters OPCi and OPC 2 -OPCN operate in "natural" mode to transfer power to the OPC 2 inverter; the latter "supports” the shaded or defective cell PV 2 supplying a current ⁇ .
  • the power generated by the set of N cells is (assuming an ideal efficiency of the balancer): [(N-1) V 0 PTI I O PTI] + V 2 (1 2 -Al).
  • the presence of a defective or shaded cell no longer affects the performance of the other cells, which can continue to provide their maximum power V O PTI I O PT I
  • the balancing of the generation elements ⁇ ⁇ - PV N can be "forced", and not natural.
  • islanding switches such as transistors T pi and Tpj 1 , Tpj 2 , Tpi 3 of FIGS. 10A and 10B is also suitable for facing the case where one or more of the elements ⁇ -PV N would be short. - circuits.

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Abstract

Système d'équilibrage d'une association série d'éléments de génération et/ou de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte: une pluralité d'onduleurs en pont complet (OPC1, OPC2, OPCN), chacun desquels est constitué par deux bras d'onduleur connectés en parallèle entre deux ports d'extrémité de l'onduleur, chaque bras d'onduleur étant à son tour constitué par deux interrupteurs (Th1, Tb1; Th2, Tb2) connectés en série par un point dit point milieu (P11, P12) du bras; une pluralité de connecteurs pour connecter les deux ports d'extrémité de chaque onduleur en pont complet à un élément respectif (CA1, CA2, CAN, PV1, PV2, PVN) de ladite association série; et un coupleur magnétique (NM) formé par un noyau magnétique sur lequel est réalisée une pluralité d'enroulements (W^ W2, WN), chacun desdits enroulements étant relié aux points milieux des bras de l'un desdits onduleurs. Association série d'éléments de stockage électrochimique d'énergie électrique (CA1, CA2, CAN) pourvue d'un tel système d'équilibrage. Association série de cellules photovoltaïques (PV1, PV2, PVN) pourvue d'un tel système d'équilibrage.

Description

SYSTEME D'EQUILIBRAGE PAR COUPLAGE MAGNETIQUE D'UNE ASSOCIATION SERIE D'ELEMENTS DE GENERATION OU DE
STOCKAGE D'ENERGIE ELECTRIQUE
L'invention porte sur un système d'équilibrage d'une association série d'éléments de génération et/ou de stockage d'énergie électrique, tels que des accumulateurs ou cellules d'accumulateurs électrochimiques, ou des cellules photovoltaïques. L'invention porte également sur une association série d'éléments de génération et/ou de stockage d'énergie électrique pourvue d'un tel système d'équilibrage. Plus précisément, le système d'équilibrage de l'invention est du type exploitant un couplage magnétique entre les différents éléments.
Comme le montre la figure 1 , les batteries électrochimiques présentent généralement une structure modulaire. L'élément de base est constitué , par un accumulateur individuel A, constitué par une cellule électrochimique unique. Plusieurs accumulateurs connectés en parallèle forment une « cellule d'accumulateurs » CA ; une telle cellule fournit une tension égale à celle d'un accumulateur individuel, mais un courant et une capacité de stockage plus importants. Pour élever le niveau de tension fourni par la batterie, on connecte en série plusieurs cellules d'accumulateurs, formant ce qu'on appelle un « module » M. Plusieurs modules peuvent à leur tour être connectés en série pour former ce qu'on appelle un « stack » S. Une batterie complète BATT est formée par une pluralité de stacks connectés en parallèle.
Le système de l'invention vise notamment à permettre l'équilibrage en tension des différents éléments (cellules, modules) d'une batterie qui sont connectés en série entre eux.
Le problème de l'équilibrage en tension est illustré par la figure 2A qui montre une batterie formée par une association série de quatre cellules, CA1 , CA2, CA3 et CA4, qui est connectée à un générateur de courant pour être chargée. Idéalement, les quatre cellules devraient être chargées à une même tension égale à 4V pour une tension globale de 16V aux bornes de la batterie. En réalité il existe des phénomènes de dispersion, liés aux conditions de fabrication, d'utilisation et de vieillissement des éléments, qui font que certains d'entre eux se chargent ou déchargent plus rapidement que d'autres, ou à des niveaux de tension différents. Ainsi, dans le cas de la figure 2A, les éléments CA1 et CA4 sont chargés à une tension inférieure à la valeur nominale de 4V, tandis que l'élément CA2 est chargé à une valeur sensiblement supérieure (4,3V), susceptible de l'endommager. Inversement, l'élément CA4 n'est chargé qu'à une tension de 3,8 V ; cet élément est donc susceptible d'être amené, après une utilisation prolongée, dans un état de décharge profonde - tout aussi préjudiciable - qui ne pourrait pas être détecté par la mesure de la seule tension aux bornes de l'association série. Ces problèmes sont particulièrement aigus dans le cas des batteries au lithium, qui sont très sensibles aux sous-charges et aux surcharges.
Un problème similaire se présente lors de l'association en série de cellules photovoltaïques, nécessaire pour élever le niveau de tension fourni par une cellule individuelle. Si l'une des cellules de l'association présente un défaut, ou simplement se trouve exposée à un flux lumineux moins intense que les autres (car sa surface est sale, ou elle se trouve ombragée), une différence de potentiel négative peut apparaître à ses bornes, ce qui réduit fortement le niveau de puissance généré par l'ensemble.
La figure 2B montre une telle association série de cellules photovoltaïques PVi...PVNl représentées par des diodes en polarisation inversée. Un module de poursuite du point de puissance maximale (MPPT, de l'anglais « maximum power-point tracker »), connecté en série aux cellules, détermine l'intensité du courant circulant dans l'association série de manière à maximiser la puissance générée par effet photovoltaïque. Sur la figure 2C, la courbe CIV1 montre la caractéristique courant (I) - tension (V) des cellules photovoltaïques, exposées à un même flux lumineux ; la courbe CIV2 montre la caractéristique d'une cellule qui, à compter d'un instant T, se trouve exposée à un flux lumineux moindre, par exemple à cause d'une salissure.
Pour t<T, lorsque toutes les cellules sont éclairées de la même façon et suivent donc une même caractéristique CIV1 , le module MPPT impose un courant IQPTI à travers l'association série, et cela induit une différence de potentiel VOPTI aux bornes de chaque cellule, tels que
Ρορτι=η·ν0Ρτι·Ιορτι= n max(V I).
A partir de l'instant t=T, l'une des cellules, PVj, reçoit un flux lumineux moindre, et sa caractéristique devient celle de la courbe CIV2.
Si le courant à travers l'association série reste égal à IOPTI. la différence de potentiel aux bornes de la cellule PV,, ombragée ou sale, devient négative et égale à -VB (tension de rupture par avalanche). La perte de puissance est donc égale à
Figure imgf000005_0001
Le module MPTT peut réagir à cette situation en diminuant le courant au niveau =ΙΟΡΤΙ-ΔΙ, de sorte que la cellule PVj redevienne productrice d'énergie. Toutefois, la puissance totale est réduite au niveau
Ρ -Γ- [(n-1 ) · V2+ V], avec une perte de puissance ΔΡ2= P'-POPTI, V2 étant la tension aux bornes des cellules PVj (j≠ pour Ι= et V étant la tension aux bornes de la cellule PVj pour Ι= .
En tout cas, il est important de noter qu'une simple diminution d'éclairage d'une seule cellule photovoltaïque conduit à une réduction sensible de la puissance générée par l'association série.
Pour pallier ces inconvénients des associations série d'éléments de génération et/ou d'accumulation d'énergie électrique - dont les accumulateurs électrochimiques et les cellules photovoltaïques ne sont que des exemples non limitatifs - il est nécessaire de prévoir des systèmes d'équilibrage.
L'état de la technique comprend plusieurs systèmes d'équilibrage en tension pour des éléments de stockage électrochimique d'énergie électrique.
Les systèmes d'équilibrage les plus communs sont de type passif, ou dissipatif. En phase de charge, par exemple, ces systèmes mesurent constamment ou périodiquement la différence de potentiel aux bornes de chacun des éléments connectés en série et dérivent vers une résistance de dissipation le courant qui ne peut plus être absorbé par les éléments de moindre capacité. On comprend que ces systèmes conduisent à des pertes d'énergie difficilement acceptables ; en cas de dispersion importante des caractéristiques des différents éléments électrochimiques, la taille des dissipateurs thermiques peut devenir prohibitive. La décharge de la batterie doit être arrêtée lorsque les éléments de plus faible capacité ont atteint leur limite inférieure admissible de tension ; cela signifie que la capacité de stockage de la batterie est limitée par celle de ses plus mauvais éléments.
Il existe également des systèmes d'équilibrage actifs, qui redistribuent les courants à l'intérieur de la batterie au lieu de les dissiper. Ainsi, en phase de charge, ces systèmes dévient le courant qui ne peut plus être absorbé par les éléments « faibles » vers les éléments « forts », dont la capacité de stockage n'est pas épuisée. En phase de décharge, ils prélèvent un courant supplémentaire des éléments « forts » pour compenser le manque de courant provenant des éléments « faibles ». Les principaux inconvénients de ces systèmes sont leur complexité et leur coût élevé.
L'article de N. Kutkut et D. Divan « Dynamic equalization techniques for séries battery stacks », 18th International Télécommunication Energy Conférence, 1996 (INTELEC '96), pages 514 - 521 , décrit plusieurs systèmes d'équilibrage actif.
Le plus simple de ces systèmes réalise des parcours de contournement de chaque élément, chacun desdits parcours comportant un interrupteur normalement ouvert. Lorsqu'un élément atteint son niveau de charge maximale, l'interrupteur se ferme, déviant le courant de charge vers un inducteur de stockage d'énergie. Au bout d'un certain temps l'interrupteur s'ouvre à nouveau, et l'énergie stockée dans l'inducteur est fournie à l'élément de batterie qui se trouve immédiatement en aval dans l'association série. Puis le cycle recommence. L'inconvénient de ce système est qu'il ne permet qu'un transfert unidirectionnel d'énergie, des éléments « en amont » (proches de la cathode de la batterie, situés donc à un potentiel électrique plus élevé) vers ceux « en aval » (proches de l'anode, situés donc à un potentiel électrique plus bas). Pour réaliser un transfert bidirectionnel, il est nécessaire de prévoir une structure plus complexe, formant un convertisseur de tension continu- continu de type à demi-pont avec une charge inductive connectée entre chaque paire d'éléments de batterie adjacents dans l'association série.
Le document US 6,150,795 décrit un système d'équilibrage actif bidirectionnel, dans lequel de l'énergie peut être transférée entre des éléments de batterie adjacents par l'intermédiaire de coupleurs magnétiques respectifs. Comme dans les cas précédents, le transfert d'énergie se réalise uniquement « de proche en proche ».
D'autres systèmes, de type centralisé, réalisent un équilibrage global des éléments de batterie par l'intermédiaire d'un coupleur magnétique multi-enroulements, auquel tous lesdits éléments sont connectés par l'intermédiaire de circuits de commutation respectifs. Un exemple d'un tel système est fourni par le document US 6,873,134 - voir en particulier sa figure 11 qui est considérée constituer l'état de la technique le plus proche. Un tel système est illustré de manière simplifiée sur la figure 3. Les références CAi, CA2 ...ÇA,... représentent différentes cellules d'accumulateurs connectées en série. La référence NM indique un noyau magnétique commun à toutes les cellules et servant de coupleur. Plusieurs enroulements, W-i, W2...Wj..., associés à des cellules d'accumulateurs respectives, sont réalisés sur le noyau NM. Plus précisément, ces enroulements sont des enroulements doubles avec deux contacts d'extrémité Pi, P3 et un point milieu P2. Le point milieu P2 de chaque enroulement est connecté au terminal positif (cathode) de la cellule correspondante ; les deux contacts d'extrémité Pi et P3 sont connectés à son terminal négatif (anode) par l'intermédiaire de transistors respectifs Ti, T2 formant un onduleur a demi-pont. Les transistors T1 des différentes cellules sont commandés de manière synchrone ; il en va de même, de manière complémentaire, pour les transistors T2. On comprend que le flux magnétique induit dans le noyau magnétique NM change de signe selon que les transistors ΤΊ soient conducteurs et les transistors T2 non conducteurs, ou vice-versa. En activant alternativement les interrupteurs T1 et T2 on obtient un équilibrage « naturel » de la tension de charge des éléments de batterie : les éléments les plus chargés fournissent de l'énergie aux éléments les moins chargés par l'intermédiaire du noyau magnétique NM. Le principal inconvénient du système d'équilibrage de la figure 3 est constitué par son encombrement, notamment à cause de l'utilisation d'un double enroulement avec point milieu pour chaque élément de batterie (accumulateur, cellule ou module) à équilibrer. Un autre inconvénient est que le système n'est pas en mesure de faire face à la défaillance d'une cellule.
Le problème de l'équilibrage ou compensation dans les associations séries de cellules photovoltaïques est connu en particulier de l'article de T. Shimizu et al. « Génération Control Circuit for Photovoltaic Modules », IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No. 3, mai 2001. Cet article propose un premier circuit, basé sur l'utilisation d'un coupleur magnétique et réalisant un équilibrage de type centralisé. Ce circuit présente un encombrement relativement important. L'article divulgue également un deuxième circuit d'équilibrage, basé sur un hacheur multi-étage, dont la commande est relativement complexe.
L'article de T. Mishima et T. Ohnishi « Power Compensation
System for Partially Shaded PV Array using Electric Double Layer Capacitors » 28th Annual Conférence of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 02), 5-8 Nov. 2002, Vol. 4, pages 3262- 3267, divulgue un circuit d'équilibrage alternatif pour associations séries de cellules photovoltaïques, exploitant un stockage capacitif de l'énergie électrique. Ce circuit est à la fois encombrant, car il repose sur l'utilisation de plusieurs bancs de condensateurs de capacité relativement importante, et complexe à commander.
L'invention vise à remédier - en totalité ou en partie - aux inconvénients précités de l'art antérieur.
Conformément à l'invention, ce but est atteint par un système d'équilibrage d'une association série d'éléments de génération et/ou de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte : une pluralité d'onduleurs en pont complet, chacun desquels est constitué par deux bras d'onduleur connectés en parallèle entre deux ports d'extrémité de l'onduleur, chaque bras d'onduleur étant à son tour constitué par deux interrupteurs connectés en série par un point dit point milieu du bras ;. une pluralité de connecteurs pour connecter les deux ports d'extrémité de chaque onduleur en pont complet à un élément respectif de ladite association série ; et un coupleur magnétique formé par un noyau magnétique sur lequel est réalisée une pluralité d'enroulements, chacun desdits enroulements étant relié aux points milieux des bras de l'un desdits onduleurs.
Par rapport au système de la figure 3, celui selon l'invention présente l'avantage de ne comporter qu'un enroulement simple - au lieu d'un enroulement double - pour chaque élément à équilibrer (cellule électrochimique, par exemple). Certes, cette simplification de la partie passive du système s'accompagne d'une augmentation de la complexité de sa partie active : en effet, l'onduleur en demi-pont de l'art antérieur est remplacé par un onduleur en pont complet, comportant quatre interrupteurs (transistors) au lieu de deux. En outre, le pilotage de l'onduleur en pont complet de l'invention est plus délicat : en effet, il est nécessaire de veiller à ce que les deux interrupteurs d'un même bras ne soient jamais fermés en même temps, ce qui court-circuiterait l'élément de batterie correspondant. Cependant, les éléments actifs peuvent être intégrés de manière efficace. Par conséquent, le système d'équilibrage de l'invention s'avère être sensiblement plus simple, moins coûteux et de plus petites dimensions que celui du document US 6,873,134 précité.
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :
Un interrupteur de protection peut être relié en série à un port d'extrémité de chaque onduleur.
En variante, lorsque chacun desdits éléments de la batterie électrochimique est constitué par une association parallèle de sous éléments, un interrupteur de protection peut être relié en série entre chacun desdits sous-éléments et un port d'extrémité de l'onduleur correspondant.
Un condensateur de filtrage peut être connecté en parallèle à chaque élément de ladite association série, entre les deux ports d'extrémité de l'onduleur correspondant. Le système peut comporter également un moyen de pilotage pour piloter lesdits onduleurs de manière à réaliser un équilibrage desdits éléments.
Le système peut comporter également un moyen de mesure pour mesurer la tension aux bornes de chaque élément de ladite association série, ledit moyen de pilotage étant adapté pour piloter lesdits onduleurs lorsque la différence maximale de tension entre deux éléments dépasse un premier seuil, et jusqu'à ce que ladite différence redescende au- dessous d'un deuxième seuil.
Ledit moyen de mesure peut comporter un capteur de courant connecté en parallèle à un interrupteur d'un onduleur, le moyen de pilotage étant adapté pour piloter chaque onduleur de manière individuelle pour stocker de l'énergie sous forme magnétique dans le noyau du coupleur magnétique; puis pour piloter l'onduleur équipé dudit capteur de courant de manière à déstocker ladite énergie sous la forme d'un courant électrique dirigé à travers ledit capteur.
Ledit moyen de pilotage peut être adapté pour piloter une pluralité desdits onduleurs de manière synchrone, avec un même rapport cyclique sensiblement égal à 0,5, pour réaliser un « équilibrage naturel » comme dans le système de la figure 3. Dans ce cas ledit moyen de pilotage peut être agencé pour piloter un seul desdits onduleurs, dit onduleur maître ; tandis que les interrupteurs des autres onduleurs du système, dits onduleurs esclaves, peuvent être pilotés par les tensions qui apparaissent aux bornes des enroulements respectifs à la suite du fonctionnement dudit onduleur maître.
En variante, ledit moyen de pilotage peut être adapté pour :
• piloter sur un demi-cycle un ou plusieurs onduleurs connectés à un ou plusieurs éléments de ladite association série présentant une tension supérieure à une valeur de référence, de manière à stocker de l'énergie sous forme magnétique dans le noyau du coupleur magnétique ; puis • piloter sur un demi-cycle le ou les onduleurs connectés à un ou plusieurs éléments de ladite association série présentant une tension plus faible, de manière à déstocker ladite énergie magnétique ; et
• répéter cycliquement les opérations précédentes, pour réaliser un « équilibrage forcé », dans lequel de l'énergie est extraite d'un ou plusieurs élément de ladite association série pour être injecté de manière spécifique dans un ou plusieurs autres par l'intermédiaire du coupleur magnétique.
Ledit moyen de pilotage peut être adapté pour piloter lesdits onduleurs de manière synchrone avec un déphasage réglable entre les signaux de pilotage des différents onduleurs.
Comme expliqué ci-dessus, chaque onduleur peut être intégré de manière monolithique sur une puce distincte. Chacune desdites puces peut intégrer également des moyens de commande rapprochée desdits interrupteurs, lesquels sont réalisés sous la forme de transistors de puissance. Avantageusement, lesdites puces peuvent être réalisées en technologie CMOS.
Un autre objet de l'invention est une association série d'éléments de stockage électrochimique d'énergie électrique ou de cellules photovoltaïque pourvue d'un système d'équilibrage tel que décrit ci-dessus.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple, dans lesquels :
la figure 1 montre la structure modulaire d'une batterie électrochimique ;
la figure 2A illustre le problème de l'équilibrage de tension dans une association série d'éléments de stockage électrochimique d'énergie ;
les figures 2B et 2C illustrent la nécessité d'un équilibrage dans une association série de cellules photovoltaïques ;
la figure 3 illustre un système d'équilibrage actif connu de l'art antérieur ; la figure 4 montre un schéma général d'un système d'équilibrage actif selon l'invention ;
les figures 5A, 5B et 6A, 6B illustrent le fonctionnement du système de la figure 4 en mode d'équilibrage dit « naturel » ;
- la figure 7 montre l'équilibrage progressif des potentiels de charge de trois cellules électrochimiques au moyen du système de la figure 4 ;
les figures 8A et 8B illustrent le fonctionnement du système de la figure 4 en mode d'équilibrage dit « forcé » ;
les figures 9A et 9B montrent comment peut être réalisée une mesure de la tension aux bornes de chaque élément de batterie ;
les figures 10A et 10B illustrent deux différents schémas de protection permettant de gérer le cas où un élément de batterie, ou un sous-élément de cet élément, serait défaillant ;
la figure 11 montre un schéma de principe d'une puce de puissance utilisée dans un système d'équilibrage actif selon l'invention ;
la figure 12 montre un schéma d'un circuit de commande rapproché d'un transistor de puissance ;
la figure 13 illustre un mode de réalisation particulier de l'invention, dans lequel les commandes de commutation des onduleurs sont transmises par l'intermédiaire du coupleur magnétique ;
les figures 14 et 15 illustrent l'utilisation du système de l'invention pour l'équilibrage d'une association série de cellules photovoltaïques ; et
les figures 16, 17 et 18 illustrent un mode de commande dit « mixte » du système de l'invention.
Comme le montre la figure 4, un système d'équilibrage selon l'invention associe à chaque élément de batterie CA^ CA2, ... CAN un module formé par un onduleur en pont complet et un enroulement de coupleur magnétique.
Chaque onduleur en pont complet OPCi , OPC2, ... OPCN est constitué par l'association parallèle de deux bras de ponts, dont les ports d'extrémité sont reliés aux terminaux de l'élément de batterie correspondant par des connecteurs respectifs ; chaque bras de pont, à son tour, est constitué de deux interrupteurs en série. Dans le mode de réalisation considéré ici, les bras de pont sont réalisés en technologie C-MOS : l'interrupteur « supérieur » (destiné à être connecté au terminal positif de l'élément de batterie) de chaque bras est un P-MOS, tandis que son interrupteur « inférieur » (destiné à être connecté au terminal négatif de l'élément de batterie) est un N-MOS. Sur la figure « Thnm » et « Tbnm » signifient, respectivement transistor supérieur (« haut ») / inférieur (« bas ») du bras n (n=1 ou 2) de l'onduleur associé à l'élément de batterie m (m=1 à N). Les diodes de corps des transistors sont indiquées par « Dhnm ».
Les points milieux P-n, Pa des bras (« i » étant l'indice de l'onduleur) sont reliés à des enroulements respectifs Wj réalisés sur un noyau magnétique commun NM qui réalise un couplage magnétique entre tous les enroulements. Le noyau magnétique NM et les enroulements Wj forment un coupleur magnétique reliant entre eux tous les modules.
La référence Lm identifie l'inductance magnétisante du coupleur.
Un condensateur Ci...CN est connecté en parallèle à chaque élément de batterie. Sa fonction est principalement de filtrer les composantes à hautes fréquence créées par les découpages des grandeurs électriques (tensions, courants) provoqués par la commutation des transistors. Comme cela sera discuté plus loin, il sert également à assurer la continuité de l'alimentation de l'onduleur et de l'électronique associée.
Les figures 5A et 5B illustrent le fonctionnement du système de la figure 4 en régime d'équilibrage « naturel ». Dans ce régime, tous les onduleurs sont pilotés de manière synchrone, par un signal de commande à modulation de largeur d'impulsions avec un rapport cyclique égal à 0,5, ayant de préférence une fréquence supérieure à 20 kHz (c'est à dire supérieure au seuil de l'audible, pour ne pas engendrer des nuisances sonores).
Dans une première moitié du cycle (figure 5A) l'interrupteur inférieur du premier bras et l'interrupteur supérieur du deuxième bras de chaque onduleur sont fermés ; dans la deuxième moitié du cycle (figure 5A), ce sont l'interrupteur supérieur du premier bras et l'interrupteur inférieur du deuxième qui sont fermés. Les figures 5A et 5B montrent seulement deux éléments de batterie et les onduleurs respectifs : l'élément CAj, qui est le plus chargé ; et l'élément CAj, qui est chargé à un niveau inférieur de tension.
L'élément CAj, qui est le plus chargé, tend à se décharger à travers l'enroulement Wj ; le courant qui parcourt l'enroulement engendre un flux magnétique variable dans le noyau magnétique NM, qui à son tour engendre un courant dans l'enroulement Wj. Comme le montre la figure 5A, ce courant circule dans un sens opposé à celui qui parcourt Wj, et tend à charger CAj. Le transfert d'énergie est alors limité par les impédances séparant les deux éléments CAj et CAj : résistances série des enroulements, résistances à l'état passant des transistors. Les transistors sont dimensionnés sur la base du courant d'équilibrage maximal que l'on souhaite autoriser. En variante, il est possible de connecter une résistance discrète en série : l'avantage est que cela permet d'utiliser des puces « standard » pour des applications différentes, seules les résistances discrètes étant changées d'une application à l'autre.
Le problème est qu'une partie du courant qui parcourt l'enroulement Wj charge l'inductance magnétisante Lm du coupleur magnétique formé par le noyau magnétique et les différents enroulements (ce courant n'a pas été représenté sur les figures 5a et 5B pour ne pas les surcharger). Pour éviter que cette inductance parvienne à saturation, au bout d'un certain temps (quelques dizaines de microsecondes) il est nécessaire d'inverser la polarisation des enroulements afin d'assurer que la tension moyenne à leurs bornes soit nulle : on ouvre les interrupteurs qui étaient fermés lors de la première moitié du cycle et on ferme ceux qui étaient ouverts. Le sens des courants s'inverse, comme illustré sur la figure 5B, mais l'élément CAj continue à se charger aux dépens de CAj. En outre, l'énergie stockée dans l'inductance magnétisante Lm du coupleur est libérée, puis stockée à nouveau sous la forme d'un courant en sens inverse.
Ce qui a été dit pour CAj vaut également pour tous les éléments chargés à une tension inférieure à celle de CAj. Sur la figure 6A, les lignes Iwi, Iwj et li_m montrent l'évolution dans le temps (échelle en millisecondes ms) des courants qui parcourent les deux enroulements Wi, Wj et l'inductance magnétisante Lm, respectivement. On peut voir sur cette figure une atténuation progressive des oscillations de courant, traduisant l'établissement d'un équilibre entre les deux éléments de stockage CAi et CAj.
Sur la figure 6B, les lignes ICAÎ, IcAj montrent l'évolution dans le temps (échelle en millisecondes ms) des courants qui parcourent les deux éléments de batterie, CAj, CAj (signe négatif pour un courant de décharge, positif pour un courant de chargement). Ces courants convergent lentement vers zéro, ce qui traduit également l'établissement d'un équilibre de charge.
La figure 7 montre l'équilibrage naturel de trois cellules d'accumulateurs : CA1 , initialement chargée à 4,1 V ; CA2, initialement chargée à 3,8V et CA3, initialement chargée à 3,7V. On peut voir que les tensions des trois cellules convergent à une même valeur d'environ 3,85V en moins de 7 ms.
L'équilibrage « naturel » ne concerne pas nécessairement l'ensemble des éléments de batterie : il est possible de piloter seulement un sous-ensemble d'onduleurs, laissant les autres en configuration ouverte, de manière à ce qu'ils découplent les éléments de batterie correspondant du système d'équilibrage. Dans ce cas, l'équilibrage ne se produit qu'entre les éléments de batterie associés aux onduleurs actifs.
Il existe aussi un autre mode de fonctionnement, que l'on peut appeler « forcé », qui réalise un transfert indirect d'énergie avec stockage temporaire par l'inductance magnétisante Lm. Dans ce mode de fonctionnement on opère en deux temps. Dans le premier demi-cycle, seul un onduleur (ou plusieurs onduleurs associés à des éléments chargés à des niveaux de tensions proches entre eux, avec des écarts de quelques millivolts au plus) est piloté, tandis que les autres sont inactifs et isolent les éléments de batterie respectifs du coupleur magnétique. L'onduleur qui est piloté est associé à un élément de batterie qui doit être déchargé partiellement pour transférer son excès de charge à d'autres éléments. Deux interrupteurs de l'onduleur sont fermés, de manière à permettre le passage d'un courant électrique à travers l'enroulement (par exemple : l'interrupteur supérieur du deuxième bras et l'interrupteur inférieur du premier bras). Comme les autres enroulements du coupleur magnétique sont en circuit ouvert, ce courant sert entièrement à charger l'inductance magnétisante Lm.
Dans le deuxième demi-cycle, les interrupteurs de l'onduleur qui était piloté en précédence sont ouverts, tandis que les onduleurs associés à des éléments de batterie destinés à recevoir un supplément de charge sont pilotés de manière à permettre le déstockage de l'énergie accumulée par l'inductance magnétisante lors du premier demi-cycle.
Les figures 8A et 8B montrent très schématiquement un transfert forcé d'énergie de l'élément CAi vers l'élément CA3 en passant par un stockage temporaire d'énergie dans l'inductance magnétisante Lm.
Comme expliqué plus haut, dans le premier demi-cycle (figure 8A), seuls les interrupteurs Th et Tbi2 du premier onduleur OPC sont fermés ; l'élément CAi se décharge alors partiellement à travers l'enroulement Wi. Cela induit un courant lLm dans l'inductance magnétisante Lm, qui croit linéairement dans le temps. Pendant ce premier demi-cycle, tous les autres interrupteurs des autres onduleurs sont ouverts. Ainsi, aucun courant ne peut circuler dans les enroulements W2, W3... malgré la différence de potentiel (égale à VCAI) qui apparaît à leurs bornes par couplage magnétique.
Puis, dans le deuxième demi-cycle (figure 8B) les interrupteurs Th11 et Tbi2 de OPCi s'ouvrent, tandis que les interrupteurs Th32 et Tb32 de l'onduleur OPC3 se ferment. Le courant qui parcourt l'inductance magnétisante Lm commence à décroître linéairement, ce qui induit une inversion de la différence de potentiel aux bornes des enroulements W2, W3... Etant donné que les interrupteurs Th32 et Tb32 sont fermés, un courant peut parcourir l'enroulement W3 ; on peut vérifier que ce courant tend à charger l'élément CA3. Ainsi, une partie de l'énergie stockée dans CA! a été transférée à Lm pendant le premier demi-cycle, puis à CA3 lors du deuxième demi-cycle.
Puis le cycle recommence. L'équilibrage forcé est plus complexe à mettre en œuvre que l'équilibrage naturel. En outre, si la commande n'est pas effectuée correctement, il est susceptible de provoquer un « sur-équilibrage », c'est à dire une surcharge du ou des éléments qui étaient initialement sous-chargés.
Son point de force est représenté par sa flexibilité : en effet, il permet de transférer de l'énergie d'un élément de batterie déterminé vers un ou plusieurs autres, d'une manière contrôlée. En outre, dans des cas particuliers un « sur-équilibrage » peut être intentionnel, par exemple si on souhaite « anticiper » sur la faiblesse d'un élément en phase de décharge (en la surchargeant - sans excéder les limites de sécurité - pour compenser le fait que sa décharge sera plus rapide de celle des autres éléments).
En revanche, l'équilibrage forcé ne peut pas fonctionner si la différence de potentiel entre les éléments les plus chargés et les moins chargés est trop élevée, typiquement supérieure à 1 ,4 V environ. En effet, il ne faut pas oublier que les onduleurs ne sont pas constitués par des interrupteurs idéaux, mais par des transistors de puissance pourvus d'une diode de corps antiparallèle. Si VCAI-VCA3 est supérieure à 1 ,4V environ (deux fois la tension d'activation de ces diodes), elles deviennent passantes de manière intempestive, ce qui est incompatible avec le schéma de fonctionnement décrit ci-dessus.
L'équilibrage forcé a été décrit en référence à un exemple mettant en œuvre seulement un élément donneur (CAi) et un élément récepteur (CA2) d'énergie. Cependant, il est également possible d'utiliser plusieurs éléments donneurs - à conditions qu'ils soient tous chargés au même niveau de tension - et plusieurs éléments récepteurs - même chargés à des niveaux de tension différents. L'équilibrage en tension des éléments connectés en série d'une batterie nécessite d'effectuer, en continu ou périodiquement, des mesures de la tension aux bornes des différents éléments. Cela est clairement indispensable dans le cas de l'équilibrage forcé, mais est aussi pratiquement nécessaire dans le cas de l'équilibrage naturel. En effet, l'équilibrage naturel introduit inévitablement des pertes d'énergie : par conséquent, il est préférable que les onduleurs soient pilotés seulement lorsque cela est nécessaire. Concrètement, l'équilibrage naturel est activé lorsque la différence de potentiel entre l'élément le plus chargé et l'élément le moins chargé dépasse un premier seuil ; une fois que cette différence est descendue au-dessous d'un deuxième seuil (inférieur au premier : hystérésis) l'équilibrage s'arrête.
Conformément à l'art antérieur, ces mesures sont effectuées en utilisant un capteur de tension pour chaque élément de batterie. Une telle solution augmente la complexité et le coût du système. Se pose en outre le problème de la dispersion des erreurs de mesure introduites par les différents capteurs.
L'utilisation, en tant que moyen d'équilibrage, d'un onduleur en pont complet permet de pallier ces inconvénients. Comme illustré sur les figures 9A et 9B, afin d'effectuer une mesure de tension sur tous les éléments de la batterie il suffit de prévoir que l'un des onduleurs soit pourvu d'un capteur de courant CC connecté en parallèle à l'un de ses interrupteurs ; dans l'exemple de la figure, il s'agit de l'interrupteur TbN2. c'est à dire de l'interrupteur bas du deuxième bras du N-ème onduleur, associé à la cellule CAN dont le terminal négatif est connecté à la terre (la cellule « inférieure » de la batterie). On suppose de vouloir mesurer la tension de chargement de la cellule CAj. Pour ce faire (figure 9A), on ferme les interrupteurs "Π,β et Tb de l'onduleur associé à cette cellule : un courant lL circule alors à travers cet onduleur et charge l'inductance magnétisante Lm (tous les autres interrupteurs du système sont ouverts). La quantité d'énergie stockée dans cette inductance dépend de la tension aux bornes de CAj. Ensuite, on ouvre les interrupteurs Thi2 et Tbji et on ferme l'interrupteur TbNi du N-ème onduleur. Comme illustré sur la figure 9B, l'énergie stockée dans l'inductance magnétisante Lm se décharge à travers cet interrupteur et le capteur de courant CC. Le courant mesuré par le capteur est proportionnel à l'énergie stockée par l'inductance magnétisante, et donc à la tension aux bornes de CAj. L'opération est répétée pour toutes les cellules (y comprise CAN) : comme toutes les mesures sont effectuées par un même capteur, la détermination des différences de niveau de charge des cellules est beaucoup plus fiable. En outre, le seul composant spécifiquement dédié à la mesure est le capteur CC, qui peut être facilement intégré avec l'onduleur correspondant.
L'inconvénient de cette technique est que les mesures sont effectuées de façon sérielle, et pas en même temps. Mais comme chaque mesure individuelle peut ne prendre que quelques microsecondes, cela n'est pas rédhibitoire pour l'application considérée.
Il existe aussi un troisième mode de commande du système de l'invention qui peut être qualifié de « mixte ». Ce mode de commande se différencie de l'équilibrage naturel seulement en ce qu'un déphasage variable est introduit entre les signaux de commande des différents onduleurs. Dans le cas de l'équilibrage naturel, le transfert d'énergie s'effectue principalement en direct via le coupleur, sans stockage inductif ; dans le cas de l'équilibrage forcé, l'énergie est essentiellement transférée par l'inductance magnétisante du coupleur ; dans le cas de l'équilibrage mixte, un transfert direct de l'énergie entre les cellules est également réalisé, mais son intensité et son sens peuvent être ajustés compte tenu de l'inductance de fuite, en série avec le coupleur. Cet ajustement est réalisé par l'introduction du déphasage entre les signaux de commande des différents onduleurs. La figure 16 montre le couplage de deux cellules CAj et CAj à travers le coupleur, qui est représenté comme un coupleur idéal avec en série une inductance de fuite Lf.
La figure 17 illustre les signaux de commande des différents transistors du circuit de la figure 16 : Chu (pour le transistor Thii), Chi2 (pour le transistor Thj2), Cbii(pour le transistor Tbii), Cbi2 (pour le transistor Tbi2), Chji (pour le transistor Thij), Chj2 (pour le transistor Thj2), Cbjji(pour le transistor Tbji), Cbj2 (pour le transistor Tbj2). On observe le déphasage βΤ, avec 0<β<0,5, T étant la durée du cycle de commande. Le rapport cyclique est égal à 0,5.
La figure 18 montre la tension VE sur l'enroulement primaire (correspondant à l'élément à décharger), la tension Vs sur l'enroulement secondaire (correspondant à l'élément à charger) et le courant lL dans l'inductance de fuite.
Il est possible d'ajuster l'intensité et le sens du flux de puissance entre les deux cellules en modifiant le déphasage β. Une analyse théorique fournit la relation entre la tension d'entrée et de sortie en fonction de β :
et la puissance de sortie :
Figure imgf000020_0001
Si l'on fixe le déphasage entre les différents étages une fois pour toutes, on retombe dans un mode d'équilibrage strictement naturel. Même dans ce cas, l'utilisation d'un déphasage β≠0 (fixe) peut être utile pour réduire les pertes dans l'inductance de fuite, en particulier en cas de commande à haute fréquence (100 kHz ou plus).
Quel que soit le mode d'équilibrage, il peut arriver qu'un élément de batterie soit défaillant : dans ce cas, son potentiel reste bas ; tout courant injecté dans un tel élément est dissipé au lieu de servir pour le charger. Une telle défaillance peut être catastrophique en présence d'un équilibrage en tension, en particulier « naturel » (ou « mixte ») : en effet, l'élément défaillant absorbe toute l'énergie mise en jeu par l'équilibrage. Il est donc nécessaire de prévoir des moyens d'ilotage des éléments, au cas où ils deviendraient défaillants.
La figure 10A montre un premier schéma d'ilotage, dans lequel un interrupteur Tpi (transistor N-MOS) est relié en série à un port d'extrémité de chaque onduleur. L'ouverture de cet interrupteur isole la cellule CAj du coupleur magnétique.
Dans le schéma de la figure 10B, l'élément de batterie (cellule) est composé par une pluralité de sous-éléments (accumulateurs) en parallèle : CAj1, CAj2, CAj3, chacun desquels est connecté en série à un interrupteur de protection respectif : Tpi 1, Tpj 2, Tpi 3. De cette manière, la défaillance d'un seul accumulateur ne provoque pas la perte de toute la cellule. Les interrupteurs de protection sont avantageusement des transistors de type N, préférés aux transistors de type P en raison de leur moindre résistance à l'état passant.
Comme cela a été mentionné plus haut, la partie active (constituée par des transistors) d'un système selon l'invention peut être intégrée en un nombre limité de puces. Si on utilise une technologie C-MOS conventionnelle, chaque onduleur peut être intégré de manière monolithique, avec son électronique de pilotage et le ou les interrupteurs de protections associés. Comme les tensions de référence de chaque onduleur sont différentes, si on souhaite réaliser une intégration monolithique de plusieurs onduleurs il est nécessaire d'avoir recours à une technologie de type SOI (silicium sur isolant, en anglais « Silicon On Insulator »).
L'article de O. Deleage, J.C. Crébier, Y. Lembeye et R. Rolland, « Conception d'un onduleur CMOS avec commande intégrée pour micro-convertisseur DC/DC », Colloque EPF'2008, Tours, juillet 2008 décrit un onduleur à pont complet, intégré de manière monolithique en technologie C-MOS, qui peut convenir à la mise en œuvre de l'invention. Comme l'explique cet article, la commutation des bras de pont C-MOS est critique dans les applications de puissance. En effet, si aucune précaution n'est prise, pendant la commutation, les deux transistors MOSFET de puissance deviennent conducteurs en même temps et court-circuitent l'élément de batterie auquel ils sont connectés. Pour éviter ce problème, il est nécessaire : d'une part, d'augmenter la vitesse de commutation des transistors de puissance ; d'autre part, de décaler dans le temps leurs commutations. Cela est obtenu à l'aide d'un circuit de commande rapprochée qui peut être intégré sur la même puce que l'onduleur.
La figure 11 montre le schéma de principe d'une telle puce. Le cœur de la puce est constitué par les quatre transistors de puissance Thi, Th2, bi, b2 formant les deux bras de pont de l'onduleur. Comme expliqué ci- dessus, chaque bras de pont est associé à un circuit de commande rapprochée, CR1 , CR2, dont la structure est montrée sur la figure 12. Les transistors ΤΊ - Tu forment trois étages d'amplifications du signal de commande vc ; ces transistors présentent des dimensions croissantes en se rapprochant de l'élément de puissance, et leur caractéristiques sont déterminées de manière à fournir le meilleur compromis entre perte par commutation et surface de silicium utilisée. Les transistors T-|2 - T 7 forment le circuit de décalage de commande : la résistance à l'état passant de Tia est beaucoup plus grande (par exemple d'un facteur 10) de celle de T20 ; de même, la résistance à l'état passant de ΤΊ9 est beaucoup plus grande que celle de Ti7. Dans ces conditions, lorsque vc passe d'une valeur basse à une valeur haute, v2 suit plus rapidement que v-i : par conséquent, le P-MOS formant l'interrupteur « supérieur » du bras de pont cesse de conduire avant que le N-MOS formant l'interrupteur « inférieur » ne devienne conducteur. Inversement, lorsque vc retourne à une valeur basse, VÎ suit plus rapidement que v2 : par conséquent le N-MOS cesse de conduire avant que le P-MOS ne devienne conducteur. On garantit ainsi un « temps mort » à chaque commutation, au cours duquel aucun transistor du bras de pont ne conduit.
L'interrupteur de protection Tp est également pourvu d'un circuit de commande rapprochée CTP, beaucoup plus simple.
Le bloc MRC constitue un module de réception de signaux de commande ou de configuration, qui reçoit des signaux de commande « de haut niveau » d'un module de commande extérieur MC et les convertit en signaux de pilotage des circuits CTP, CR1 , CR2. Il faut tenir compte du fait que le module de commande MC doit piloter plusieurs puces qui se trouvent à des potentiels de référence différents (en fonction de leur position dans l'association série d'éléments de batterie). Le module MRC peut donc être réalisé sous la forme d'un classique translateur de niveau, ou d'un coupleur optique.
La puce dans son ensemble est alimentée par l'élément de batterie CA qu'elle gère, le condensateur C assurant la continuité de cette alimentation (en plus de sa fonction de filtrage). Sur la figure 1 1 , les lignes épaisses représentent les conducteurs transmettant de la puissance électrique, les lignes fines ceux qui ne transmettent que des signaux. Le module de commande MC peut être réalisé sous la forme d'une puce dédiée, ou être co-intégré avec l'une des puces réalisant les onduleurs.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, un seul onduleur (« onduleur maître ») est piloté directement par un module de commande ; les autres onduleurs (« esclaves ») reçoivent les commandes de commutation par l'intermédiaire du coupleur magnétique qui transfère la puissance. Ce principe est illustré par la figure 13, où l'on peut voir que les grilles des transistors Thi, Tb du premier bras d'un onduleur « esclave » sont connectées à une première borne de l'enroulement W et les grilles des transistors Th2, b2 du deuxième bras sont connectées à une deuxième borne de ce même enroulement W.
On suppose que l'onduleur « maître » du système soit piloté de telle manière que la deuxième borne de l'enroulement W de l'onduleur esclave se trouve à un potentiel positif (sur la figure, les potentiels positifs sont représentés par un point). Ce potentiel positif est transmis aux grilles de Thi et Tbi. Par conséquent Thi devient conducteur alors que Tbi ne conduit pas. De même, le potentiel négatif de la première borne de l'onduleur est transmis aux grilles de Th2. qui ne conduit pas, et de Tbi2, qui conduit. Sur la figure, les transistors qui conduisent sont entourés par un cercle. L'onduleur « esclave » se trouve donc dans la même configuration que l'onduleur « maître ».
Lorsque l'onduleur « maître » commute, l'onduleur « esclave » suit, avec un léger retard.
On peut observer que l'onduleur « esclave » se comporte essentiellement comme un redresseur synchrone.
Ce mode de réalisation est avantageux en ce qu'il élimine la nécessité d'un circuit de transmission de commande dédié. Par contre, il ne permet que le fonctionnement en régime naturel ou mixte.
Il faut comprendre que la figure 13 n'est qu'un schéma de principe : en réalité les grilles des transistors de puissance seront connectés aux bornes de l'enroulement W seulement par l'intermédiaire de circuits de commande rapprochée respectifs, et cela pour les raisons expliquées plus haut.
Jusqu'ici seul a été considéré le cas de l'équilibrage en tension d'une association série d'accumulateurs, ou cellules d'accumulateurs. La figure 14 montre un système d'équilibrage selon l'invention, associé à une connexion série de cellules photovoltaïques PVi...PVN, présentant chacune un condensateur C -.CN en parallèle. Plus généralement, les éléments PVi...PVN peuvent être des cellules photovoltaïques individuelles ou des associations série et/ou parallèle de telles cellules. A la limite, il peut s'agir de panneaux photovoltaïques dans un système de génération photovoltaïque de grandes dimensions.
Comme dans l'exemple de la figure 2B, un module MPPT fixe la valeur IOPTI du courant circulant dans les cellules, de manière à maximiser la puissance générée. On suppose que la cellule PV2 soit ombragée ou défectueuse, de telle manière que sa caractéristique tension-courant corresponde à la courbe CIV2 sur la figure 2C.
Les onduleurs en pont complet OPCi et OPC2-OPCN fonctionnent en mode « naturel » pour transférer de l'énergie vers l'onduleur OPC2 ; ce dernier « soutient » la cellule ombragée ou défectueuse PV2 fournissant un courant ΔΙ. Ainsi, cette cellule n'a plus qu'à fournir un courant Ι2=ΙΟΡΤΙ-ΔΙ, qui lui permet de se comporter en générateur, avec une tension V2<VOPTI à ses bornes. De cette manière, la puissance générée par l'ensemble de N cellules vaut (en supposant un rendement idéal de l'équilibreur) : [(N-1 )V0PTI IOPTI] + V2 (l2-Al). Autrement dit, la présence d'une cellule défectueuse ou ombragée n'affecte plus la performance des autres cellules, qui peuvent continuer à fournir leur puissance maximale VOPTI IOPTI
Comme dans le cas de l'équilibrage en tension des éléments de stockage d'énergie électrique, l'équilibrage des éléments de génération Ρ\ - PVN peut être « forcé », et non naturel.
II est également possible d'appliquer aux associations série d'éléments de génération d'énergie électrique la méthode de mesure de tension décrite ci-dessus à l'aide des figures 9A et 9B. La mesure de la différence de potentiel aux bornes des éléments PVi - PVN peut servir pour déterminer quand il est nécessaire de déclencher un équilibrage naturel ou pour piloter un équilibrage forcé.
En cas de défaillance grave, une cellule PV2 peut se comporter comme un circuit ouvert. En l'absence de circuit d'équilibrage, toute l'association de cellules photovoltaïque devient alors inutilisable. Comme le montre la figure 15, la simple présence d'un circuit d'équilibrage selon l'invention - même inactif - permet d'éviter cette perte totale de puissance : en effet, les diodes de corps Dh2i , Db2i , Dh22, Db22 des transistors de l'onduleur OPC2 fournissent des voies de contournement de la cellule défaillante. Ainsi, la perte de puissance générée sera limitée à : ΔΡ=- (VOPTI-IOPTI) - (2Vd loPTi), Vd étant la chute de tension aux bornes de chacune des deux diodes de corps en série. Cette perte de puissante peut être réduite ultérieurement en prévoyant une diode D connectée entre les ports de chaque onduleur (en trait pointillé sur la figure). Cette diode peut, elle aussi, être intégrée.
L'utilisation d'interrupteurs d'îlotage, tels que les transistors Tpi et Tpj1 , Tpj2, Tpi3 des figures 10A et 10B est également opportune pour faire face au cas où un ou plusieurs des éléments ΡΝ - PVN seraient court- circuités.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système d'équilibrage d'une association série d'éléments de génération et/ou de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte:
une pluralité d'onduleurs en pont complet (OPCi, OPC2, OPCN), chacun desquels est constitué par deux bras d'onduleur connectés en parallèle entre deux ports d'extrémité de l'onduleur, chaque bras d'onduleur étant à son tour constitué par deux interrupteurs (TM, Tbi ; Th2, b2) connectés en série par un point dit point milieu (Pu, P12) du bras;
une pluralité de connecteurs pour connecter les deux ports d'extrémité de chaque onduleur en pont complet à un élément respectif (CAL CA 2, CAn, ΡΝ , PV2, PVN) de ladite association série; et
un coupleur magnétique (NM) formé par un noyau magnétique sur lequel est réalisée une pluralité d'enroulements (W1 t W2, WN), chacun desdits enroulements étant relié aux points milieux des bras de l'un desdits onduleurs.
2. Système d'équilibrage selon la revendication 1 dans lequel un interrupteur de protection (Tpi) est relié en série à un port d'extrémité de chaque onduleur.
3. Système d'équilibrage selon la revendication 1 dans lequel chacun desdits éléments de ladite association série est constitué par une association parallèle de sous-éléments, et dans lequel un interrupteur de protection (Tpi 1, TPj2, Tpi 3) est relié en série entre chacun desdits sous- éléments et un port d'extrémité de l'onduleur correspondant.
4. Système d'équilibrage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un condensateur de filtrage (Ci, C2, CN) est connecté en parallèle à chaque élément de ladite association série, entre les deux ports d'extrémité de l'onduleur correspondant.
5. Système d'équilibrage selon l'une des revendications précédentes comportant également un moyen de pilotage (MP) pour générer des signaux de pilotage de manière à piloter lesdits onduleurs pour réaliser un équilibrage desdits éléments.
6. Système d'équilibrage selon la revendication 5, comportant également un moyen de mesure (CC) pour mesurer la tension aux bornes de chaque élément de ladite association série, ledit moyen de pilotage étant adapté pour piloter lesdits onduleurs lorsque la différence maximale de tension entre deux éléments dépasse un premier seuil, et jusqu'à ce que ladite différence redescende au-dessous d'un deuxième seuil.
7. Système d'équilibrage selon la revendication 6 dans lequel ledit moyen de mesure comporte un capteur de courant (CC) connecté en parallèle à un interrupteur d'un onduleur, le moyen de pilotage étant adapté pour piloter chaque onduleur de manière individuelle pour stocker de l'énergie sous forme magnétique dans le noyau du coupleur magnétique; puis pour piloter l'onduleur équipé dudit capteur de courant de manière à déstocker ladite énergie sous la forme d'un courant électrique dirigé à travers ledit capteur.
8. Système d'équilibrage selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel ledit moyen de pilotage est adapté pour piloter une pluralité desdits onduleurs de manière synchrone, avec un même rapport cyclique sensiblement égal à 0,5.
9. Système d'équilibrage selon la revendication 8 dans lequel :
ledit moyen de pilotage est agencé pour piloter un seul desdits onduleurs, dit onduleur maître ;
les interrupteurs des autres onduleurs du système, dits onduleurs esclaves, sont pilotés par les tensions qui apparaissent aux bornes des enroulements respectifs à la suite du fonctionnement dudit onduleur maître.
10. Système d'équilibrage selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel ledit moyen de pilotage est adapté pour piloter lesdits onduleurs de manière synchrone avec un déphasage réglable entre les signaux de pilotage des différents onduleurs.
11. Système d'équilibrage selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel ledit moyen de pilotage est adapté pour: piloter sur un demi-cycle un ou plusieurs onduleurs connectés à un ou plusieurs éléments de ladite association série présentant une tension supérieure à une valeur de référence, de manière à stocker de l'énergie sous forme magnétique dans le noyau du coupleur magnétique; puis piloter sur un demi-cycle le ou les onduleurs connectés à un ou plusieurs éléments de ladite association série présentant une tension plus faible, de manière à déstocker ladite énergie magnétique; et
répéter cycliquement les opérations précédentes.
12. Système d'équilibrage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque onduleur est intégré de manière monolithique sur une puce distincte.
13. Système d'équilibrage selon la revendication 12 dans lequel chacune desdites puces intègre également des moyens de commande rapprochée (CR1 , CR2, CTP) desdits interrupteurs, qui sont réalisés sous la forme de transistors de puissance.
14. Système d'équilibrage selon l'une des revendications 12 ou 13, dans lequel lesdites puces sont réalisées en technologie CMOS.
15. Association série d'éléments de stockage électrochimique d'énergie électrique (CAi, CA 2> CAN) comportant un système d'équilibrage en tension selon l'une des revendications précédentes.
16. Association série de cellules photovoltaïques (Ρ\ , PV2, PVN) comportant un système d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 14.
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US13/579,786 US9478980B2 (en) 2010-02-17 2011-02-14 System for balancing, by magnetic coupling, an association in series of elements for generating or storing electrical energy
CA2789460A CA2789460A1 (fr) 2010-02-17 2011-02-14 Systeme d'equilibrage par couplage magnetique d'une association serie d'elements de generation ou de stockage d'energie electrique
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2843796A1 (fr) * 2013-08-27 2015-03-04 General Electric Company Système et mèthode de gestion d'une batterie
CN106663953A (zh) * 2014-07-17 2017-05-10 贝能思科技有限公司 均衡串联的电能单位

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011083058A (ja) * 2009-10-02 2011-04-21 Panasonic Electric Works Co Ltd 電力供給システムの蓄電池電力供給源監視装置
RU2546978C2 (ru) * 2013-06-27 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "ЭнСол Технологии" Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей
US9748786B2 (en) 2013-08-06 2017-08-29 Analog Devices, Inc. Battery stack with leapfrogging protocol
KR101680189B1 (ko) 2013-09-24 2016-11-28 주식회사 엘지화학 배터리 관리 시스템
DE102013221830A1 (de) * 2013-10-28 2015-04-30 Robert Bosch Gmbh Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
JP2015108932A (ja) * 2013-12-04 2015-06-11 国立研究開発法人産業技術総合研究所 太陽電池の電力配分回路
JP6256915B2 (ja) * 2014-02-20 2018-01-10 国立研究開発法人産業技術総合研究所 太陽電池の電力配分回路
JP2015219675A (ja) * 2014-05-16 2015-12-07 国立研究開発法人産業技術総合研究所 太陽電池の電力配分回路
US20160049883A1 (en) * 2014-08-14 2016-02-18 Google Inc. Power-Balancing Circuits for Stacked Topologies
JP2016197354A (ja) * 2015-04-05 2016-11-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 太陽電池の電力配分回路
JP2016201053A (ja) * 2015-04-14 2016-12-01 国立研究開発法人産業技術総合研究所 太陽電池の電力配分回路
US9812867B2 (en) * 2015-06-12 2017-11-07 Black Night Enterprises, Inc. Capacitor enhanced multi-element photovoltaic cell
CN106253381B (zh) * 2016-08-10 2019-05-07 渤海大学 超级电容串联模组均压电路及均压方法
EP3571753B1 (fr) * 2017-01-23 2024-04-24 Rafael Advanced Defense Systems Ltd. Système d'équilibrage d'une série de cellules
KR102202613B1 (ko) * 2017-09-27 2021-01-12 주식회사 엘지화학 배터리 모듈 균등화 장치, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
DE102019003373B4 (de) * 2019-05-14 2023-08-10 Infineon Technologies Austria Ag Leistungshalbleitervorrichtung mit integrierter Strommessung und Leistungsmodul diese aufweisend und Verfahren zum Messen eines Stroms darin
GB2584424B (en) * 2019-05-28 2021-07-28 Gupta Sanjay An apparatus and method for charging a battery pack, and decoupling the charging voltage from the battery pack voltage
CN115833404A (zh) * 2021-09-17 2023-03-21 华为数字能源技术有限公司 一种储能***、不间断电源及电池均衡的方法
EP4358348A1 (fr) * 2022-10-20 2024-04-24 Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation & Technology S.L. Système d'équilibrage de modules de batterie

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6150795A (en) 1999-11-05 2000-11-21 Power Designers, Llc Modular battery charge equalizers and method of control
US6873134B2 (en) 2003-07-21 2005-03-29 The Boeing Company Autonomous battery cell balancing system with integrated voltage monitoring

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3439506B2 (ja) * 1992-11-24 2003-08-25 セイコーインスツルメンツ株式会社 充放電制御回路と充電式電源装置
DE4422409C2 (de) * 1994-06-29 1996-07-11 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichern oder -wandlern
US5642275A (en) * 1995-09-14 1997-06-24 Lockheed Martin Energy System, Inc. Multilevel cascade voltage source inverter with seperate DC sources
JP3511927B2 (ja) * 1999-01-18 2004-03-29 株式会社日立製作所 電力蓄積手段の充放電装置
JP2001339865A (ja) * 2000-05-26 2001-12-07 Hitachi Ltd セル電圧均等化装置、セル電圧均等化方法、ハイブリッドカー、及び組電池の生産方法
JP3694256B2 (ja) * 2001-06-29 2005-09-14 Ｔｄｋ株式会社 スイッチング電源装置及びこれに用いられる制御回路
JP3979594B2 (ja) * 2003-02-03 2007-09-19 富士重工業株式会社 バッテリの電圧検出装置
JP4747899B2 (ja) * 2006-03-24 2011-08-17 パナソニック株式会社 インバータ制御装置及び圧縮機
JP4400632B2 (ja) * 2007-02-20 2010-01-20 Ｔｄｋ株式会社 スイッチング電源装置
CN101636897B (zh) * 2007-02-22 2012-05-23 三菱电机株式会社 电力变换装置
JP5104416B2 (ja) * 2008-03-07 2012-12-19 日産自動車株式会社 組電池の異常検出装置
JP5332031B2 (ja) * 2008-03-31 2013-11-06 株式会社小松製作所 トランス結合型昇圧器のスイッチング制御方法
US8754549B2 (en) * 2008-07-24 2014-06-17 Mitsubishi Electric Corporation Power conversion device
ES2907380T3 (es) * 2008-09-11 2022-04-25 Daihen Corp Circuito de control de inversor y sistema inversor interactivo que comprende dicho circuito de control de inversor
JP2011155718A (ja) * 2010-01-26 2011-08-11 Yazaki Corp 充放電装置
JP2011155722A (ja) * 2010-01-26 2011-08-11 Yazaki Corp 充放電装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6150795A (en) 1999-11-05 2000-11-21 Power Designers, Llc Modular battery charge equalizers and method of control
US6873134B2 (en) 2003-07-21 2005-03-29 The Boeing Company Autonomous battery cell balancing system with integrated voltage monitoring

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N. KUTKUT, D. DIVAN: "Dynamic equalization techniques for series battery stacks", 18TH INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION ENERGY CONFERENCE, 1996, pages 514 - 521
RAY RIDLEY: "THE NINE MOST USEFUL POWER TOPOLOGIES", INTERNET CITATION, 1 October 2007 (2007-10-01), pages 15 - 18, XP002486528, Retrieved from the Internet <URL:http://www.powersystemsdesign.com/design_tips_oct07.pdf> *
See also references of EP2537228A1
T. MISHIMA, T. OHNISHI: "Power Compensation System for Partially Shaded PV Array using Electric Double Layer Capacitors", 28TH ANNUAL CONFERENCE OF THE IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY (IECON 02), vol. 4, 5 November 2002 (2002-11-05), pages 3262 - 3267
T. SHIMIZU ET AL.: "Generation Control Circuit for Photovoltaic Modules", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 16, no. 3, May 2001 (2001-05-01)
TOSHIHISA SHIMIZU ET AL: "Generation Control Circuit for Photovoltaic Modules", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 16, no. 3, 1 May 2001 (2001-05-01), XP011043562, ISSN: 0885-8993 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2843796A1 (fr) * 2013-08-27 2015-03-04 General Electric Company Système et mèthode de gestion d'une batterie
CN104426175A (zh) * 2013-08-27 2015-03-18 通用电气公司 电池管理***和方法
CN106663953A (zh) * 2014-07-17 2017-05-10 贝能思科技有限公司 均衡串联的电能单位
CN106663953B (zh) * 2014-07-17 2019-07-26 贝能思科技有限公司 用于均衡由n个电能单位串联成一串的装置及其制造方法

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