EP2567443A2 - Systeme d'equilibrage pour batterie de puissance et procede d'equilibrage de charge correspondant - Google Patents

Systeme d'equilibrage pour batterie de puissance et procede d'equilibrage de charge correspondant

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EP2567443A2
EP2567443A2 EP11718362A EP11718362A EP2567443A2 EP 2567443 A2 EP2567443 A2 EP 2567443A2 EP 11718362 A EP11718362 A EP 11718362A EP 11718362 A EP11718362 A EP 11718362A EP 2567443 A2 EP2567443 A2 EP 2567443A2
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EP
European Patent Office
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accumulator
stage
voltage
stages
power battery
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11718362A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Garnier
Daniel Chatroux
Matthieu Desbois-Renaudin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2567443A2 publication Critical patent/EP2567443A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a load balancing system for electrochemical accumulator power batteries and a corresponding load balancing method.
  • Such a battery can be used in particular in the field of electric transport, hybrid and embedded systems.
  • the invention particularly relates to lithium-ion (Li-ion) type batteries suitable for such applications, because of their ability to store high energy with a low mass.
  • the invention is also applicable to super-capacitors.
  • An electrochemical accumulator has a nominal voltage of the order of a few volts, and more precisely 3.3 V for Li-ion batteries based on iron phosphate and 4.2 V for a Li-ion technology based on cobalt oxide. If this voltage is too low compared to the requirements of the system to be powered, several accumulators are placed in series. It is also possible to have in parallel each accumulator associated in series, one or more accumulators in order to increase the available capacity and thus to provide a higher current and power. The accumulators associated in parallel thus form a stage. A stage consists of at least one accumulator. The stages are put in series to reach the desired voltage level. The combination of accumulators is called a storage battery.
  • the charging or discharging of an accumulator results respectively in a growth or a decrease in the voltage at its terminals.
  • a charged or discharged accumulator is considered when it has reached a voltage level defined by the electrochemical process.
  • the current flowing through the stages is the same.
  • the level of charge or discharge of the stages therefore depends on the intrinsic characteristics of the accumulators, namely the intrinsic capacitance and the parallel and parallel parasitic internal resistances of the electrolyte or contact between the electrodes and the electrolyte. Voltage differences between the stages are therefore possible due to the manufacturing and aging disparities of the accumulators.
  • a voltage too high or too low, called threshold voltage can damage or destroy it.
  • the overloading of a Li-ion battery based on Cobalt Oxide can cause its thermal runaway and a fire start.
  • overcharging results in decomposition of the electrolyte which decreases its life or can damage the battery.
  • the purpose of the monitoring device is to monitor the state of charge and discharge of each accumulator stage and to transmit the information to a control circuit in order to stop charging or discharging the battery when a stage has reaches its threshold voltage.
  • the monitoring device is generally associated with a balancing system.
  • the balancing system has the function of optimizing the charge of the battery and thus its autonomy by bringing the accumulator stages placed in series to an identical state of charge and / or discharge.
  • balancing systems There are two categories of balancing systems, the balancing systems said energy dissipation, or so-called energy transfer.
  • the voltage across the stages is standardized by diverting the load current from one or more stages that have reached the threshold voltage and dissipating the energy in a resistor.
  • the voltage across the stages is standardized by discharging one or more stages having reached the threshold voltage.
  • Energy transfer balancing systems for their part exchange energy between the accumulator battery or an auxiliary energy network and the accumulator stages.
  • Energy transfer can be either unidirectional, from the battery to the floors or floors to the battery, or bidirectionally, from the battery to the floors and floors to the battery or from adjacent floor to floor .
  • CN1905259 discloses a device for transferring energy from the stages to the battery and which uses an accumulator inductance as a storage element.
  • this device does not opt for optimized energy transfer for balancing batteries in transport and embedded applications. Indeed, the end of charge of a battery is determined by the last stage which reaches the threshold voltage. To end the charge of a battery, the energy is taken from one or more stages and it is restored to all stages.
  • balancing therefore requires taking energy from all stages at the end of charging to avoid charging at too high a voltage. Balancing is therefore high losses because of the number of large converters in operation.
  • the accumulators already at the end of the load are crossed by non-useful AC or DC current components.
  • the invention therefore aims to provide an improved balancing system does not have these disadvantages of the state of the art.
  • the subject of the invention is a load balancing system for a power battery comprising at least two accumulator stages (s) placed in series, each accumulator stage (s) comprising at least one accumulator, characterized in that said balancing system comprises at least one flyback converter comprising:
  • At least one primary winding configured to be connected to the terminals of an accumulator stage (s) of said power battery
  • a secondary winding configured to be connected to an auxiliary battery whose voltage is lower than the voltage of said power battery
  • a device for controlling said flyback converter comprising at least one processing means for:
  • the balancing system may further include one or more of the following features, alone or in combination:
  • said system comprises a predefined number of flyback converters respectively associated with a predefined number of modules in series of said power battery, said modules comprising accumulator stages (s) placed in series,
  • said system comprises a common flyback converter connected to a predefined number of modules in series of said power battery, said modules comprising accumulator stages connected in series,
  • said system comprises, for each accumulator stage (s), a blocking diode connected by its anode to the primary winding of the transformer, and connected by its cathode to the associated switch,
  • the blocking diode is a Schottky diode
  • said system comprises for each accumulator stage (s) a diode and a transistor in parallel, such that the diode is connected by its anode to the primary winding of the transformer and connected by its cathode to the associated switch of the stage d 'Accumulators),
  • the switches of the at least one flyback converter are controlled from common way by said control device so as to be closed at the same time when at least one accumulator stage (s) has a voltage greater than the respective voltages of the other accumulator stages (s), the switches of said at least one flyback converter are individually controlled by said control device so as to control the closing of the switch associated with an accumulator stage (s) whose voltage is greater than the respective voltages of the other accumulator stages (s), said device control device comprises at least one processing means for
  • said at least one flyback converter is sized for power transfer from the power battery to the auxiliary battery so as to supply the auxiliary battery
  • said system is configured for load balancing the accumulator stages (s) of a lithium-ion power battery
  • said system is configured for load balancing accumulator stages (s) of a power battery powering the engine of an electric and / or hybrid motor vehicle.
  • Said balancing system may also further comprise one or more of the following characteristics, alone or in combination:
  • said balancing system comprises at the terminals of each accumulator stage (s)
  • An associated flyback converter comprising a transformer with: a primary winding configured to be connected to the terminals of said associated accumulator stage, and a secondary winding configured to be connected to an auxiliary network whose voltage is less than the voltage of said power battery, and for each accumulator stage (s), a an associated switch connected to a primary winding of said transformer and to the negative terminal of the accumulator stage (s), and said system further comprises:
  • a device for controlling said flyback converters respectively comprising at least one processing means for: receiving the voltage information of said monitoring device, and when at least one stage has a voltage greater than the voltage of the other accumulator stages; ), controlling the closing of at least one switch of a flyback converter associated with an accumulator stage (s) and the transfer of energy from said stage to the auxiliary network, so as to balance the charge of the accumulator stages ;
  • said transformer is a planar technology transformer
  • said system comprises a plurality of diodes respectively connected in series with said transformers, said diodes being respectively connected by their anode to the secondary winding of a transformer and by their cathode to said auxiliary network;
  • control device is configured to control said converters so as to transfer the balancing energy of said stages to said auxiliary network, and said flyback converters have a galvanic isolation,
  • control device is configured to control said converters so as to transfer the balancing energy of said stages to an auxiliary battery whose voltage is lower than the voltage of said power battery,
  • control device is configured to control the closing of the switch associated with an accumulator stage (s) whose voltage is greater than the respective voltages of the other accumulator stages (s), said control device comprises at least one processing means for calculating, for each accumulator stage, a closing time of the associated switch, and controlling the closing of the switches respectively during the associated closing times,
  • control device is configured to control said converters so as to supply said auxiliary network with the balancing energy of said power battery
  • control device comprises at least one processing means for determining the power to be delivered respectively by said stages.
  • the invention also relates to a load balancing method for a power battery comprising at least two accumulator stages connected in series, each accumulator stage comprising at least one accumulator, characterized in that said method comprises the following steps:
  • the closure of at least one switch of a flyback converter whose transformer has at least one primary winding connected to the terminals of an accumulator stage is controlled of said power battery and connected to said switch, and a secondary winding connected to an auxiliary battery whose voltage is lower than the voltage of said power battery, for a transfer of energy of said stage associated with said at least one switch whose closure is controlled to said auxiliary battery, so as to balance the charge of the accumulator stages.
  • such a method is a combined load balancing method for a power battery and an auxiliary battery whose voltage is lower than the voltage of said power battery.
  • said method comprises the following steps: for each accumulator stage (s), a closing time of the associated switch of a flyback converter whose transformer has a primary winding connected to the terminals of the accumulator stage (s) and connected to said switch, and a secondary winding connected to the auxiliary battery, and
  • the said load balancing method may include the following preliminary steps:
  • the measured voltages are compared with a predefined threshold voltage
  • said load balancing method may include the following preliminary steps:
  • the measured voltages are compared with each other, and
  • the most charged accumulator stages are determined so as to calculate longer closing times for the more charged accumulator stages.
  • the voltages at the terminals of the accumulator stages are measured at a predefined instant, such as the end of the charging of said power battery.
  • FIG. 1 schematically represents a first embodiment of a balancing system for a power battery
  • FIGS. 2a and 2b show in greater detail the balancing system of FIG. 1,
  • FIG. 3 represents a variant of the balancing system for a power battery comprising several battery stage modules in series
  • FIG. 4 represents a variant of the balancing system with a synchronous rectification
  • FIG. 5 schematically illustrates various steps of a method of balancing the load of a power battery according to the first embodiment
  • FIG. 6 schematically shows a second embodiment of the balancing system for a power battery for supplying an auxiliary battery
  • FIG. 7 represents in more detail the balancing system of FIG. 6,
  • FIG. 8 schematically illustrates various steps of a combined method of balancing the load of the power battery and the power supply of the auxiliary battery
  • FIG. 9 represents in more detail the power battery, an auxiliary battery and the balancing system according to a third embodiment
  • FIG. 10 represents a monitoring device and a control device at the terminals of the power battery of FIG. 9,
  • FIG. 11 diagrammatically shows a fourth embodiment of the balancing system for a power battery for supplying the auxiliary battery
  • FIG. 12 schematically illustrates different steps of a load balancing method of a power battery according to the third embodiment.
  • FIG. 1 shows schematically:
  • a battery 1 with a high voltage for example between 48V and 750V, for example for powering the engine of a hybrid or electric vehicle, and isolated from the chassis of the vehicle,
  • a DC / DC converter 7 between the two batteries 1 and 5 to allow the power supply of the auxiliary battery 5 by the power battery 1 and made with a galvanic isolation to ensure the safety of auxiliaries Al to An.
  • the power battery 1 is an accumulator battery (s) 9 (see Figures 2a, 2b).
  • This battery 1 may include several accumulators 9 placed in series.
  • This battery 1 may also include one or more additional accumulators placed in parallel accumulators 9 in series so as to form accumulator stages (s) 11.
  • Each stage 11 may therefore comprise an accumulator 9 or more accumulators in parallel.
  • the battery 1 may comprise several modules 13 placed in series, each module 13 comprising a predefined number of accumulator stages 11.
  • the battery 1 has two modules 13 each having four stages 11 of accumulator (s). With such a series association of modules 13, it is easy to replace a defective module 13.
  • modules comprising, for example, eight, ten or even twelve stages 11 in series, and each stage 11 comprising two, four or even ten accumulators in parallel as required.
  • each module 13 can be connected in parallel with another module 13.
  • the balancing system 3 comprises:
  • control device 19 for controlling the flyback converter 15 so as to balance the load of the stages 11.
  • the balancing system 3 may comprise a single flyback converter 15 for the entire battery 1 or more flyback converters 15 respectively associated with a module 13 as shown in FIG. 3. You can easily replace a faulty flyback converter.
  • a balancing between the cells of the same module can be achieved by dissipation in resistors or any other system to limit the cost.
  • the flyback converter or converters 15 respectively comprise a transformer 21 surrounded by a dotted line, with:
  • a flyback converter 15 further comprises on the side of each primary winding 23, a switch 27 made for example by a power transistor for example MOSFET and a protective antiparallel diode. This switch 27 is connected to the negative terminal (-) of the associated stage 11.
  • the flyback converter 15 also has on the side of the secondary winding 25 a diode 29 and a capacitor 31 in series.
  • a blocking diode 33 such as a Schottky diode, may allow to avoid a transfer of energy between the stages 11 of accumulator (s).
  • a Schottky diode makes it possible to limit the voltage drop at the passage of the diode and also makes it possible to have a lower voltage threshold compared with conventional diodes, for example of the order of 0, 3V.
  • the voltage differences are very small during charging: the voltages are generally around 3.2V. At the end of the charge, these differences increase to reach 0.5V at the maximum, the maximum charge voltage being 3.7V.
  • the protection diode of the transistor in the switch 27, has a voltage threshold of 0.7V, the difference being 0.5V it prevents any discharge of a more charged stage to a less charged stage. It is then not necessary to put a Schottky diode or to use a synchronous rectification to ensure that a battery stage (s) does not discharge into a less charged accumulator stage (s) and that the energy is well transferred to the auxiliary battery.
  • the accumulator voltage monitoring device 17 With regard to the accumulator voltage monitoring device 17, it comprises measuring means 17 'across each stage 11. These measuring means 17' are configured to transmit their measurement results to the control device 19.
  • the control device 19 comprises meanwhile at least one processing means for:
  • the higher voltage stage 11 then imposes its voltage on the primary windings 23.
  • the other stages 11 do not discharge due to the presence of the Schottky diode 33.
  • the energy of this stage 11 is therefore transferred via the transformer 21 to the auxiliary battery 5.
  • the switches 27 may be individually controlled. Thus, the switch 27 associated with the most heavily loaded stage 11 is controlled to be closed.
  • each stage 11 has a respective voltage V1, V2, V3, V4.
  • the threshold voltage being for example 3.6V.
  • the measuring means 17 'across the terminals of the first stage 11 therefore measures a voltage V1 of 3.5V, while the other measurement means 17' respectively measure a voltage V2, V3, V4 of 3.2V.
  • the control device 19 compares the measured voltages in step E2.
  • the voltage V 1 across the first stage 11 is greater than the voltages V 2 to
  • the control device 19 controls the closing of the switches 27 in the step E3. These switches 27 are controlled in a common way and are thus closed at the same time according to a predefined closing time.
  • the voltage VI of 3.5V is imposed on the primary windings 23. This voltage
  • the Schottky diodes for the respective voltage stages V2, V3, V4 are blocked, which prevents the discharge of these stages 11.
  • the primary windings 23 are therefore connected to the most charged stage 11 and this results in an increase in the magnetic flux in the transformer 21.
  • only the switch 27 associated with the most voltage-loaded stage 11 is closed. This also results in an increase in the magnetic flux in the transformer 21, the primary winding 23 is connected to this stage 11 more loaded.
  • the voltage across the secondary is negative thereby blocking the diode 29.
  • the diode 29 becomes conductive and also allows the recovery of the voltage which is then filtered by the capacitor 31.
  • the charge of the accumulators 9 is then balanced by transferring the energy of the most charged stage 11 to the auxiliary battery 5.
  • This balancing can be done at any time of operation of the vehicle when a consumption is observed on the auxiliary battery 5 or it is possible to charge the auxiliary battery 5.
  • a second embodiment is illustrated schematically in FIG. 6. This second embodiment differs from the first embodiment in that the balancing system 3 completely replaces the DC / DC converter 7 of the first embodiment allowing to supply the auxiliary battery 5 and providing galvanic isolation for the safety of auxiliaries.
  • the balancing system may be larger and the balancing more powerful.
  • the sizing of the components of the balancing system 3 is adapted for such a transfer of energy from the power battery 1 to the auxiliary battery 5.
  • control device 19 comprises at least one processing means for:
  • each stage 11 has a respective voltage V1, V2, V3, V4. This measurement of tension can be done at a predefined moment such as the end of charge or at a moment of rest.
  • the voltage of the accumulator reflects its state of charge. This is not always the case but it makes it easier to illustrate the subject.
  • the state of charge differences can only be estimated from the voltage at the end of charging and / or discharging. Otherwise, the voltage differences between accumulators are often too small to be measured at a reasonable cost.
  • the threshold voltage being for example 3.6V.
  • the measuring means 17 'across the terminals of the first stage 11 thus measures a voltage V1 of 3.3V, while the second and third measurement means 17' respectively measure a voltage V2, V3 of 3.2V, and the fourth means of measurement 17 'measures a voltage V4 of 3.5V.
  • the control device 19 compares, at step E200, each voltage measured at the threshold voltage of 3.6V so as to determine the charge rate t x of each stage 11. It is therefore determined for the first stage 11 of voltage VI of 3.3V, a charge rate of 91%, for the second and third stages 11 of respective voltages V2, V3 of 3.2V a charge rate of 88%, and for the last stage 11 of voltage V4 of 3.5V a charge rate of 97%>.
  • step E300 a closing time t f of the switches 27 is then calculated. associated with these load rates t x stages 11.
  • the closing time t f switches 27 associated with the second and third stages 11 of voltage V2 and V3 will therefore be less than the closing time of the switch 27 associated with the first stage 11 voltage VI, itself less than the closing time of the switch 27 associated with the last voltage stage V4.
  • step E200 instead of comparing the measured voltages to a threshold voltage in step E200, they are compared with each other so as to identify the most loaded stages.
  • the voltage stage V4 is more charged than the voltage stage VI which is more charged than the voltage stages V2 and V3.
  • step E300 then calculates a closing time of the associated switches based on these comparison results so as to more unload the most loaded stages 11.
  • the closing time t f of the switches 27 associated with the second and third voltage stages V 2 and V 3 will therefore be less than the closing time of the switch 27 associated with the first voltage stage VI, itself less than the closing time. of the switch 27 associated with the last stage 11 of voltage V4.
  • step E400 the switches 27 are closed intermittently according to the closing times calculated so as to discharge the most charged accumulator stages 11 until they reach substantially the same level of charge as the stage 11 of accumulator (s) the least loaded.
  • the stages 11 of respective voltages V4 and V1 are discharged more so that they reach substantially the same charge level of the stages 11 less loaded with voltages V2 and V3.
  • auxiliary battery 5 is thus powered while balancing the charge of the accumulator stages (s) 9 by transferring the energy of the most charged stage 11 to the auxiliary battery 5.
  • the battery 1 comprises several modules 13
  • the powers provided by the balancing systems associated with these modules 13 add up to supply the auxiliary battery 5.
  • the energy transferred from the power battery 1 to the auxiliary battery 5 is used to balance the charge level of the accumulator stages 11 of the power battery 1.
  • a single electronics can realize the two charge balancing functions of the accumulators 9 of the power battery 1 and the power supply of the auxiliary battery 5.
  • the balancing system 3 comprises, for each accumulator stage (s) 11, a flyback converter 15 framed in dashed line, and a control device 19 for controlling the flyback converters 15 so as to balance the load of stages 11.
  • This third embodiment therefore differs from the first embodiment, in that the balancing system 3 has a flyback converter 15 for each accumulator stage (s) 11 and not a converter 15 for a module 13 or for the Thus, the balancing system 3 comprises a plurality of converters 15 connected in parallel between the two batteries 1 and 5.
  • a flyback converter 15 comprises a transformer 21, with a primary winding 23 associated with a stage 11 of accumulator (s), and a secondary winding 25 connected to the auxiliary battery 5.
  • transformer 21 with a primary winding 23 and a secondary winding 25 per stage 11 rather than a transformer 21 for several stages 11 makes it possible to choose lower power transformers 21.
  • transformers 21 may be provided according to the planar technology on a printed circuit.
  • a planar-type transformer comprises a thin magnetic circuit generally machined ferrite, fixed on the printed circuit in which the turns are made.
  • a flyback converter 15 further comprises on the side of the primary winding 23, a switch 27 made for example by a power transistor for example MOSFET. This switch 27 is connected to the negative terminal (-) of the associated stage 11.
  • the flyback converter 15 also has on the side of the secondary winding 25 a diode 29 in series.
  • Each flyback converter 15 associated with a stage 11 is therefore independent of the other flyback converters 15; which allows simultaneous operation of the converters 15 without interaction of a stage 11 on another stage 11.
  • the balancing system 3 completely replaces the DC / DC converter 7 of the first variant of the second embodiment making it possible to supply the auxiliary battery 5 and ensuring the Galvanic isolation for the safety of auxiliaries Al to An.
  • the power delivered by the balancing system 3 is sufficient to supply the auxiliary network called 12V network, or low voltage network, in the embodiment described.
  • the redundancy of the plurality of flyback converters 15 also makes it possible to dispense with the auxiliary battery 5 to power the 12V network.
  • the balancing system may be larger and the balancing more powerful.
  • the sizing of the components of the balancing system 3 is adapted for such a transfer of energy from the power battery 1 to the auxiliary battery 5.
  • the balancing system of the third or fourth embodiment may also include a device 17 for monitoring the voltage across the stages 11 of accumulator (s) 9.
  • This accumulator voltage monitoring device 17 (FIG. 10) comprises, for example, measurement means at the terminals of each stage 11, configured to transmit their measurement results to the control device 19.
  • the control device 19 can control the switches 27 individually, so that the switch 27 associated with the most loaded stage 11 is controlled to be closed.
  • the control device 19 may further comprise at least one processing means for receiving the voltage measurements of the monitoring device 17, analyzing the measured voltages, and controlling the closing of one or more switches 27 according to the analysis results. measured voltages.
  • control device 19 may comprise a means for comparing the voltages measured between them and a means for determining the most loaded stages from the comparison results.
  • control device 19 may comprise means for calculating a product P for each stage 11 according to the following formula (1):
  • the capacity corresponds to the electric charge that can provide the battery and is usually expressed in Ah or mAh. This is an intrinsic characteristic for each accumulator. This value can evolve slowly depending on the temperature, aging, and decreases as the life of the battery. The information on the capacity of each stage 11 may be the result of learning during the different cycles.
  • the reference capacity is usually given by the manufacturer, for example 60Ah.
  • the control device 19 may further comprise means for determining the stage (s) 11 to be discharged so as to equalize the products P or F for each stage 11.
  • the control device 19 may comprise according to yet another variant:
  • control device 19 may further comprise at least one processing means for determining the power to be delivered by each stage 11 so as to supply the network 12V. II.3 Operation
  • FIGS. 9 and 10 an example of operation of the balancing system 3 of the third embodiment, in the case of the charging of a power battery 1, is described so as to bring all the stages 11 at a nominal voltage level.
  • This balancing can be done at the same time as the charge of the battery 1.
  • This balancing can be done at any time of operation of the vehicle when a consumption is observed on the auxiliary battery 5 or it is possible to charge the auxiliary battery 5.
  • the voltage of the accumulator reflects its state of charge. This is not always the case but it makes it easier to illustrate the subject.
  • the state of charge differences can only be estimated from the voltage at the end of charging and / or discharging. Otherwise, the voltage differences between accumulators are often too small to be measured at a reasonable cost.
  • each stage 11 has a respective voltage V1, V2, V3, V4.
  • the threshold voltage being for example 3.6V.
  • the measurement means at the terminals of the first stage 11 thus measures a voltage V1 of 3.3V
  • the second and third measurement means respectively a voltage V2, V3 of 3.2V
  • the fourth measurement means a voltage V4 of 3, 5V.
  • This measurement can be done at any time of operation of the vehicle, at regular intervals, or at a predefined time such as the end of charge or a rest period of the vehicle.
  • the control device 19 can compare in step E202 the measured voltages.
  • the voltage V4 across the fourth stage 11 is greater than the voltage V1 across the first stage, itself higher than the respective voltages V2 and V3 of the second and third stages 11.
  • the control device 19 can determine from this information, by comparing the voltages measured between them, the 11 most loaded stages.
  • the voltage stage V4 is more charged than the voltage stage VI which is more charged than the voltage stages V2 and V3.
  • the control device 19 therefore determines from this information that the most heavily loaded stages 11 are the fourth and the first stage 11, and then controls in step E203 the closing of the associated switches 27.
  • the voltage across the secondary 25 is negative thereby blocking the diode 29.
  • the energy of the associated stage 11 is therefore transferred via the transformer 21 the auxiliary battery 5.
  • the charge of the accumulators 9 is then balanced by transferring the energy of the most charged stage 11 to the 12V network.
  • each stage 11 discharges as a function of the state of charge of the stage 11, for example so as to equalize the products P for each stage 11 according to the following formula (1):
  • the product P increases inversely with the state of charge; more a stage 11 is loaded plus the product P is small. Thus, priority is given to the stages 11 whose products P are the weakest.
  • step E203 It is possible to calculate in step E203 a closing time of the switches 27 as a function of these products P. The smaller the product P, the more the stage is loaded, and the longer the closure time is, so as to discharge in priority the 11 most loaded stages.
  • a charge rate can be determined for each stage and a suitable closing time can be deduced according to the determined charge rate.
  • the charge rate can be determined with respect to a threshold voltage, for example 3.6V. According to the example given, we thus determine:
  • Step E203 then calculates a closing time of the switches 27 as a function of these charge rates.
  • the closing time of the switches 27 associated with the second and third stages 11 of voltage V2 and V3 will therefore be less than the closing time of the switch 27 associated with the first voltage stage VI, itself lower than the closing time of the switch 27 associated with the last stage 11 of voltage V4.
  • stages 11 of respective voltages V4 and V1 are discharged so that they reach substantially the same level of charge of the stages
  • Balancing can be done at the same time as the discharge of the battery 1.
  • the 11 most loaded stages are used primarily to supply the low voltage network 12V.
  • control device 19 can for example compare the products F for each stage 11 according to the following formula (2):
  • the product F increases with the state of charge of each stage 11.
  • the stages 11 whose products F are highest are firstly discharged.
  • the most loaded stages 11 are determined by comparing the voltage levels measured similarly to the first variant of the charging phase.
  • the stages 11 charged are determined by calculating a charge rate by comparison with a threshold voltage, similarly to the third variant of the charging phase.
  • the control device 19 can further control the power delivered by each stage 11 to power the 12V network.
  • these stages 11 will deliver a maximum power Pm, for example 20W.
  • the energy transferred from the power battery 1 to the auxiliary battery 5 serves to balance the charge level of the battery stages 11 of the power battery 1.
  • a single electronic can perform the two functions of load balancing accumulators 9 of the power battery 1 and auxiliary battery power 5.
  • this redundancy of the converters 15 facilitates the removal of the auxiliary battery 3 because of the redundancy.
  • the balancing system 3 can furthermore provide a function of supplying the 12 volts accessory to the vehicle when the converters 15 pass sufficient power.

Abstract

La présente invention concerne un système d'équilibrage de charge pour batterie de puissance (1) comprenant au moins deux étages (11) d'accumulateur(s) mis en série, caractérisé en ce que ledit système d'équilibrage comporte au moins un convertisseur flyback (15) comprenant : un transformateur (21) avec: au moins un enroulement primaire (23) configuré pour être connecté aux bornes d'un étage (11) de ladite batterie de puissance (1), et un enroulement secondaire (25) configuré pour être connecté à une batterie auxiliaire (5) dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance (1), et pour chaque étage (11), un commutateur (27) associé connecté à un enroulement primaire (23) et à la borne négative (-) de l'étage (11). L'invention concerne encore un procédé d'équilibrage de charge pour la batterie de puissance (1) par transfert d'énergie vers la batterie auxiliaire (5).

Description

Système d'équilibrage pour batterie de puissance et procédé d'équilibrage de charge correspondant
L'invention concerne un système d'équilibrage de charge pour batterie de puissance à accumulateurs électrochimiques et un procédé d'équilibrage de charge correspondant.
Une telle batterie peut être utilisée notamment dans le domaine des transports électriques, hybrides et les systèmes embarqués. L'invention concerne en particulier les batteries de type lithium-ion (Li-ion) adaptées pour ce genre d'applications, du fait de leur possibilité de stocker une forte énergie avec une faible masse. L'invention est également applicable aux super-condensateurs.
Un accumulateur électrochimique a une tension nominale de l'ordre de quelques volts, et plus précisément 3.3 V pour les batteries Li-ion à base de phosphate de Fer et 4.2 V pour une technologie Li-ion à base d'oxyde de cobalt. Si cette tension est trop faible par rapport aux exigences du système à alimenter, plusieurs accumulateurs sont placés en série. Il est également possible de disposer en parallèle de chaque accumulateur associé en série, un ou des accumulateurs afin d'augmenter la capacité disponible et donc de fournir un courant et une puissance supérieurs. Les accumulateurs associés en parallèle forment ainsi un étage. Un étage est constitué au minimum d'un accumulateur. Les étages sont mis en série pour atteindre le niveau de tension désiré. L'association des accumulateurs est appelée une batterie d'accumulateurs.
La charge ou décharge d'un accumulateur se traduit respectivement par une croissance ou décroissance de la tension à ses bornes.
On considère un accumulateur chargé ou déchargé lorsque celui-ci a atteint un niveau de tension défini par le processus électrochimique. Dans un circuit utilisant plusieurs étages d'accumulateurs, le courant circulant à travers les étages est le même.
Le niveau de charge ou de décharge des étages dépend donc des caractéristiques intrinsèques des accumulateurs, à savoir la capacité intrinsèque et les résistances internes parasites séries et parallèles, de l'électrolyte ou de contact entre les électrodes et l'électrolyte. Des différences de tension entre les étages sont dès lors possibles du fait des disparités de fabrication et de vieillissement des accumulateurs. Pour un accumulateur de technologie Li-ion, une tension trop élevée ou trop faible, dite tension de seuil, peut endommager ou détruire ce dernier. Pour exemple, la surcharge d'un accumulateur Li-ion à base d'oxyde de Cobalt, peut entraîner son emballement thermique et un départ de feu. Pour un accumulateur Li-ion à base de phosphate, une surcharge se traduit par une décomposition de l'électrolyte qui diminue sa durée de vie ou peut détériorer l'accumulateur.
Une décharge trop profonde qui amène à une tension inférieure à 2 V, par exemple, entraine entre autres une oxydation du collecteur de courant de l'électrode négative lorsque celui-ci est en cuivre et donc une détérioration de l'accumulateur.
En conséquence, la surveillance des tensions aux bornes de chaque étage d'accumulateurs est obligatoire lors de la charge et décharge pour une question de sécurité et de fiabilité. Un dispositif dit de surveillance en parallèle de chaque étage permet d'assurer cette fonction.
Le dispositif de surveillance a pour fonction de suivre l'état de charge et décharge de chaque étage d'accumulateurs et de transmettre l'information à un circuit de contrôle afin d'arrêter la charge ou la décharge de la batterie lorsqu'un étage a atteint sa tension de seuil.
Cependant, sur une batterie avec plusieurs étages d'accumulateurs disposés en série, si la charge est arrêtée lorsque l'étage le plus chargé atteint sa tension de seuil, les autres étages peuvent ne pas être totalement chargés. Inversement, si la décharge est arrêtée lorsque l'étage le plus déchargé atteint sa tension de seuil, les autres étages peuvent ne pas être totalement déchargés. La charge de chaque étage d'accumulateurs n'est dès lors pas exploitée, ce qui représente un problème majeur dans des applications de types transports et embarqués ayant de fortes contraintes d'autonomie. Pour palier ce problème, le dispositif de surveillance est généralement associé à un système d'équilibrage.
Le système d'équilibrage a pour fonction d'optimiser la charge de la batterie et donc son autonomie en amenant les étages d'accumulateurs mis en série à un état de charge et/ou décharge identique.
II existe deux catégories de systèmes d'équilibrage, les systèmes d'équilibrage dits à dissipation d'énergie, ou dits à transfert d'énergie.
Avec les systèmes d'équilibrage à dissipation d'énergie, la tension aux bornes des étages est uniformisée en détournant le courant de charge d'un ou des étages ayant atteint la tension de seuil et en dissipant l'énergie dans une résistance. En variante, la tension aux bornes des étages est uniformisée en déchargeant un ou des étages ayant atteint la tension de seuil.
Cependant, de tels systèmes d'équilibrage à dissipation d'énergie présentent l'inconvénient majeur de consommer plus d'énergie que nécessaire pour charger la batterie. En effet, il faut décharger plusieurs accumulateurs ou dériver le courant de charge de plusieurs accumulateurs pour que le ou les derniers accumulateurs un peu moins chargés terminent leur charge. L'énergie dissipée peut donc être très supérieure à l'énergie de la ou des charges devant être terminées. De plus, ils dissipent l'énergie excédentaire en chaleur, ce qui n'est pas compatible avec les contraintes d'intégration dans les applications de types transport et embarquées, et le fait que la durée de vie des accumulateurs baisse fortement lorsque la température s'élève.
Les systèmes d'équilibrage à transfert d'énergie quant à eux échangent de l'énergie entre la batterie d'accumulateurs ou un réseau auxiliaire d'énergie et les étages d'accumulateurs.
Le transfert d'énergie peut s'effectuer soit de manière unidirectionnelle, de la batterie aux étages ou des étages à la batterie, ou soit de manière bidirectionnelle, de la batterie aux étages et des étages à la batterie ou d'étage à étage adjacents.
En ce qui concerne le transfert bidirectionnel, dans les systèmes d'équilibrage d'étage à étage adjacents, l'énergie parcourt un nombre de dispositifs sensiblement égal à l'éloignement des cellules à équilibrer. En résulte les deux inconvénients majeurs de ces dispositifs, à savoir la nécessité d'un temps long pour équilibrer une batterie et le faible rendement du transfert d'énergie à cause du cumul des pertes des dispositifs sollicités.
Des systèmes d'équilibrage de transfert d'énergie des étages à la batterie et/ou de la batterie à des étages permettent de résoudre ces problèmes. Cependant, pour des raisons de complexité de mise en œuvre, de tels systèmes sont peu ou pas utilisés. En ce qui concerne le transfert unidirectionnel, on connaît par exemple du brevet CN1905259 un dispositif permettant le transfert d'énergie des étages à la batterie et qui utilise quant à lui une inductance par accumulateur comme élément de stockage. Cependant, ce dispositif n'opte pas pour un transfert d'énergie optimisé pour l'équilibrage des batteries dans les applications de types transports et embarquées. En effet, la fin de charge d'une batterie est déterminée par le dernier étage qui atteint la tension de seuil. Pour terminer la charge d'une batterie, l'énergie est prélevée sur un ou plusieurs étage(s) et elle est restituée à l'ensemble des étages. Lorsqu'un ou plusieurs étage(s) d'accumulateurs est ou sont un peu moins chargé(s), l'énergie n'est dès lors pas transférée en priorité à ce ou ces derniers qui en a ou ont besoin mais également à ou aux étages auxquels l'énergie est prélevée. L'équilibrage nécessite donc de prélever de l'énergie à l'ensemble des étages en fin de charge afin d'éviter de les charger à une tension trop élevée. L'équilibrage se fait donc à pertes élevées à cause du nombre de convertisseurs importants en fonctionnement. De plus, les accumulateurs déjà en fin de charge sont traversés par des composantes de courant alternatives ou continues non utiles.
L'invention a donc pour objectif de proposer un système d'équilibrage amélioré ne présentant pas ces inconvénients de l'état de l'art de la technique.
À cet effet, l'invention a pour objet un système d'équilibrage de charge pour batterie de puissance comprenant au moins deux étages d'accumulateur(s) mis en série, chaque étage d'accumulateur(s) comprenant au moins un accumulateur, caractérisé en ce que ledit système d'équilibrage comporte au moins un convertisseur flyback comprenant:
- un transformateur avec :
· au moins un enroulement primaire configuré pour être connecté aux bornes d'un étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance, et
• un enroulement secondaire configuré pour être connecté à une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance, et
- pour chaque étage d'accumulateur(s), un commutateur associé connecté à un enroulement primaire dudit transformateur et à la borne négative de l'étage d'accumulateur(s), et en ce que ledit système comporte en outre :
- un dispositif de surveillance de la tension aux bornes desdits étages d'accumulateur(s), et
- un dispositif de commande dudit convertisseur flyback comprenant au moins un moyen de traitement pour :
• recevoir les informations de tension dudit dispositif de surveillance, et
• lorsqu'au moins un étage présente une tension supérieure à la tension des autres étages d'accumulateur(s), commander la fermeture d'au moins un commutateur associé à un étage d'accumulateur(s) et le transfert d'énergie dudit étage vers ladite batterie auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages d'accumulateurs.
Ledit système d'équilibrage peut comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
- ledit système comporte un nombre prédéfini de convertisseurs flyback respectivement associés à un nombre prédéfini de modules en série de ladite batterie de puissance, lesdits modules comportant des étages d'accumulateur(s) mis en série,
- ledit système comporte un convertisseur flyback commun connecté à un nombre prédéfini de modules en série de ladite batterie de puissance, lesdits modules comportant des étages d'accumulateur(s) mis en série,
- ledit système comporte pour chaque étage d'accumulateur(s), une diode de blocage reliée par son anode à l'enroulement primaire du transformateur, et reliée par sa cathode au commutateur associé,
- la diode de blocage est une diode Schottky,
- ledit système comporte pour chaque étage d'accumulateur(s) une diode et un transistor en parallèle, tels que la diode soit reliée par son anode à l'enroulement primaire du transformateur et reliée par sa cathode au commutateur associé de l'étage d'accumulateur(s),
- les commutateurs dudit au moins un convertisseur flyback sont commandés de façon commune par ledit dispositif de commande de manière à être fermés en même temps lorsqu'au moins un étage d'accumulateur(s) présente une tension supérieure aux tensions respectives des autres étages d'accumulateur(s), les commutateurs dudit au moins un convertisseur flyback sont commandés de façon individuelle par ledit dispositif de commande de façon à commander la fermeture du commutateur associé à un étage d'accumulateur(s) dont la tension est supérieure aux tensions respectives des autres étages d'accumulateur(s), ledit dispositif de commande comprend au moins un moyen de traitement pour
• calculer pour chaque étage d'accumulateur, un temps de fermeture du commutateur associé à partir du taux de charge déterminé, et
• commander la fermeture des commutateurs respectivement pendant les temps de fermeture associés,
ledit au moins un convertisseur flyback est dimensionné pour un transfert d'énergie de la batterie de puissance vers la batterie auxiliaire de façon à alimenter la batterie auxiliaire,
ledit système est configuré pour l'équilibrage de charge des étages d'accumulateur(s) d'une batterie de puissance Lithium-ion,
ledit système est configuré pour l'équilibrage de charge des étages d'accumulateur(s) d'une batterie de puissance alimentant le moteur d'un véhicule automobile électrique et/ou hybride.
Ledit système d'équilibrage peut encore comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
- ledit système d'équilibrage comporte aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s)
• un convertisseur flyback associé comprenant un transformateur avec : un enroulement primaire configuré pour être connecté aux bornes dudit étage d'accumulateur(s) associé, et un enroulement secondaire configuré pour être connecté à un réseau auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance, et pour chaque étage d'accumulateur(s), un commutateur associé connecté à un enroulement primaire dudit transformateur et à la borne négative de l'étage d'accumulateur(s), et ledit système comporte en outre :
• un dispositif de surveillance de la tension aux bornes desdits étages d'accumulateur(s), et
• un dispositif de commande desdits convertisseurs flyback comprenant respectivement au moins un moyen de traitement pour : recevoir les informations de tension dudit dispositif de surveillance, et lorsqu'au moins un étage présente une tension supérieure à la tension des autres étages d'accumulateur(s), commander la fermeture d'au moins un commutateur d'un convertisseur flyback associé à un étage d'accumulateur(s) et le transfert d'énergie dudit étage vers le réseau auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages d'accumulateurs;
- ledit transformateur est un transformateur de technologie planar,
- ledit système comporte une pluralité de diodes respectivement montées en série avec lesdits transformateurs, lesdites diodes étant respectivement connectées par leur anode à l'enroulement secondaire d'un transformateur et par leur cathode audit réseau auxiliaire;
- ledit dispositif de commande est configuré pour commander lesdits convertisseurs de façon à transférer l'énergie d'équilibrage desdits étages vers ledit réseau auxiliaire, et lesdits convertisseurs flyback présentent une isolation galvanique,
- ledit dispositif de commande est configuré pour commander lesdits convertisseurs de façon à transférer l'énergie d'équilibrage desdits étages vers une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance,
- lesdits commutateurs sont commandés de façon individuelle,
- ledit dispositif de commande est configuré pour commander la fermeture du commutateur associé à un étage d'accumulateur(s) dont la tension est supérieure aux tensions respectives des autres étages d'accumulateur(s), - ledit dispositif de commande comporte au moins un moyen de traitement pour calculer pour chaque étage d'accumulateur, un temps de fermeture du commutateur associé, et commander la fermeture des commutateurs respectivement pendant les temps de fermeture associés,
- ledit dispositif de commande est configuré pour commander lesdits convertisseurs de façon à alimenter ledit réseau auxiliaire à partir de l'énergie d'équilibrage de ladite batterie de puissance,
- ledit dispositif de commande comporte au moins un moyen de traitement pour déterminer la puissance à délivrer respectivement par lesdits étages.
L'invention concerne également un procédé d'équilibrage de charge pour batterie de puissance comprenant au moins deux étages d'accumulateur(s) mis en série, chaque étage d'accumulateur(s) comprenant au moins un accumulateur, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes :
- on mesure la tension aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s),
- on compare les tensions mesurées, et
- lorsqu'une tension mesurée est supérieure aux autres tensions mesurées, on commande la fermeture d'au moins un commutateur d'un convertisseur flyback dont le transformateur présente au moins un enroulement primaire connecté aux bornes d'un étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance et relié audit commutateur, et un enroulement secondaire connecté à une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance, pour un transfert d'énergie dudit étage associé audit au moins un commutateur dont la fermeture est commandée vers ladite batterie auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages d'accumulateurs.
Selon un mode de réalisation préféré un tel procédé est un procédé combiné d'équilibrage de charge pour batterie de puissance et d'alimentation d'une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance
Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend les étapes suivantes : - pour chaque étage d'accumulateur(s), on calcule un temps de fermeture du commutateur associé d'un convertisseur flyback dont le transformateur présente un enroulement primaire connecté aux bornes de l'étage d'accumulateur(s) et relié audit commutateur, et un enroulement secondaire connecté à la batterie auxiliaire, et
- on commande la fermeture des commutateurs respectivement pendant les temps de fermeture calculés.
Ledit procédé d'équilibrage de charge peut comprendre les étapes préliminaires suivantes :
- on mesure la tension aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance,
- on compare les tensions mesurées à une tension de seuil prédéfinie,
- on détermine le taux de charge de chaque étage d'accumulateur(s) à partir des résultats de comparaison, permettant de calculer le temps de fermeture.
Selon une alternative, ledit procédé d'équilibrage de charge peut comprendre les étapes préliminaires suivantes :
- on mesure la tension aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance,
- on compare les tensions mesurées entre elles, et
- on détermine les étages d'accumulateur(s) les plus chargés de façon à calculer des temps de fermeture plus longs pour les étages d'accumulateur(s) plus chargés.
Selon un mode de réalisation particulier, on mesure les tensions aux bornes des étages d'accumulateur(s) à un instant prédéfini, tel que la fin de la charge de ladite batterie de puissance.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente de façon schématique un premier mode de réalisation d'un système d'équilibrage pour batterie de puissance, - les figures 2a et 2b représentent plus en détail le système d'équilibrage de la figure 1,
- la figure 3 représente une variante du système d'équilibrage pour une batterie de puissance comportant plusieurs modules d'étages d'accumulateur(s) en série, - la figure 4 représente une variante du système d'équilibrage avec un redressement synchrone,
- la figure 5 illustre de façon schématique différentes étapes d'un procédé d'équilibrage de charge d'une batterie de puissance selon le premier mode de réalisation,
- la figure 6 représente de façon schématique un deuxième mode de réalisation du système d'équilibrage pour batterie de puissance permettant l'alimentation d'une batterie auxiliaire,
- la figure 7 représente plus en détail le système d'équilibrage de la figure 6,
- la figure 8 illustre de façon schématique différentes étapes d'un procédé combiné d'équilibrage de charge de la batterie de puissance et d'alimentation de la batterie auxiliaire,
- la figure 9 représente plus en détail la batterie de puissance, une batterie auxiliaire et le système d'équilibrage selon un troisième mode de réalisation,
- la figure 10 représente un dispositif de surveillance et une dispositif de commande aux bornes de la batterie de puissance de la figure 9,
- la figure 11 représente de façon schématique un quatrième mode de réalisation du système d'équilibrage pour batterie de puissance permettant l'alimentation de la batterie auxiliaire, et
- la figure 12 illustre de façon schématique différentes étapes d'un procédé d'équilibrage de charge d'une batterie de puissance selon le troisième mode de réalisation.
Sur ces figures et dans la suite de la description, les éléments sensiblement identiques sont identifiés par les mêmes numéros de référence. On a représenté de façon schématique sur la figure 1 :
- une batterie de puissance 1 de tension élevée comprise par exemple entre 48V et 750V, par exemple pour l'alimentation du moteur d'un véhicule hybride ou électrique, et isolée du châssis du véhicule,
- un système d'équilibrage 3 pour la batterie de puissance 1 ,
- une batterie auxiliaire 5 de tension inférieure à celle de la batterie de puissance 1, par exemple de tension de 12V, pour l'alimentation par exemple des auxiliaires A1,A2 à An dans le véhicule, et
- un convertisseur DC/DC 7 entre les deux batteries 1 et 5 pour permettre l'alimentation de la batterie auxiliaire 5 par la batterie de puissance 1 et réalisé avec un isolement galvanique pour assurer la sécurité des auxiliaires Al à An.
La batterie de puissance 1 est une batterie d'accumulateur(s) 9 (voir figures 2a,2b). Cette batterie 1 peut comporter plusieurs accumulateurs 9 mis en série. Cette batterie 1 peut également comporter un ou plusieurs accumulateurs supplémentaires placés en parallèle des accumulateurs 9 en série de façon à former des étages d'accumulateur(s) 11. Chaque étage 11 peut donc comporter un accumulateur 9 ou plusieurs accumulateurs en parallèle.
Comme on le remarque sur la figure 3, la batterie 1 peut comporter plusieurs modules 13 mis en série, chaque module 13 comportant un nombre prédéfini d'étages 11 d'accumulateur(s). Dans l'exemple illustré, la batterie 1 présente deux modules 13 ayant chacun quatre étages 11 d'accumulateur(s). Avec une telle association en série de modules 13, on peut aisément remplacer un module 13 défectueux.
Bien entendu, d'autres configurations sont possibles avec des modules comprenant par exemple huit, dix ou encore douze étages 11 en série, et chaque étage 11 comprenant deux, quatre voire dix accumulateurs en parallèle selon les besoins.
De plus, chaque module 13 peut encore être connecté en parallèle d'un autre module 13. 1.1 Premier mode de réalisation :
On décrit maintenant un premier mode de réalisation du système d'équilibrage 3. En se référant à nouveau aux figures 2a,2b, on constate que le système d'équilibrage 3 comporte :
- un convertisseur flyback 15 encadré par des tirets,
- un dispositif de surveillance 17 de la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s) 9, et
- un dispositif de commande 19 pour commander le convertisseur flyback 15 de façon à équilibrer la charge des étages 11.
Dans le cas où la batterie 1 comporte plusieurs modules 13, le système d'équilibrage 3 peut comporter un seul convertisseur flyback 15 pour l'ensemble de la batterie 1 ou plusieurs convertisseurs flyback 15 respectivement associés à un module 13 comme l'illustre la figure 3. On peut facilement remplacer un convertisseur flyback 15 défectueux. Dans le cas d'un seul convertisseur flyback 15 pour tous les modules, un équilibrage entre les cellules d'un même module peut être réalisé par dissipation dans des résistances ou tout autre système pour limiter le coût.
En référence aux figures 2a à 3, le ou les convertisseurs flyback 15 comprennent respectivement un transformateur 21 entouré en pointillé, avec :
- plusieurs enroulements primaires 23 respectivement associés à un étage 11 d'accumulateur(s), et
- un enroulement secondaire 25 relié à la batterie auxiliaire 5.
Un convertisseur flyback 15 comporte en outre du côté de chaque enroulement primaire 23, un commutateur 27 réalisé par exemple par un transistor de puissance par exemple MOSFET et une diode antiparallèle de protection. Ce commutateur 27 est relié à la borne négative (-) de l'étage 11 associé.
Le convertisseur flyback 15 comporte également du côté de l'enroulement secondaire 25 une diode 29 et un condensateur 31 en série.
En outre, une diode de blocage 33, telle qu'une diode Schottky, peut permettre d' éviter un transfert d'énergie entre les étages 11 d'accumulateur(s). De plus, l'utilisation d'une diode Schottky permet de limiter la chute de tension au passage de la diode et permet également d'avoir un seuil de tension plus faible par rapport aux diodes classiques, par exemple de l'ordre de 0,3V.
Afin d'améliorer le rendement et d'éviter les pertes dans la diode Schottky 33, on peut prévoir en variante d'utiliser un redressement synchrone comme l'illustre la figure 4 en connectant à la place de la diode Schottky 33 une diode 35 et un transistor 37 en parallèle.
Toutefois, par exemple dans le cas d'accumulateurs de technologie Lithium-ion à base de phosphate de fer (LiFeP04), les écarts de tension sont très faibles pendant la charge : les tensions sont généralement autour de 3.2V. En fin de charge, ces écarts augmentent pour atteindre 0.5V au maximum, la tension maximum de charge étant de 3.7V. La diode de protection du transistor dans le commutateur 27, a un seuil de tension de 0.7V, l'écart étant de 0,5V elle empêche toute décharge d'un étage plus chargé vers un étage moins chargé. Il n'est alors pas nécessaire de mettre une diode Schottky ou encore d'utiliser un redressement synchrone pour s'assurer qu'un étage d'accumulateur(s) ne se décharge pas dans un étage d'accumulateur(s) moins chargé et que l'énergie est bien transférée vers la batterie auxiliaire.
En fin de décharge, on pourra soit limiter la tension minimale à 2.7V pour avoir un écart de 0.5V avec la tension plateau de 3.2V, soit décider de ne pas équilibrer à ce moment. Ceci permet d'augmenter singulièrement le rendement et de diminuer les coûts. Cette solution est valable pour les écarts de tension entre accumulateurs ne dépassant pas en fonctionnement normal 0.6 à 0.7V.
En ce qui concerne le dispositif de surveillance 17 de tension des accumulateurs 9, il comprend un moyen de mesure 17' aux bornes de chaque étage 11. Ces moyens de mesure 17' sont configurés pour transmettre leurs résultats de mesure au dispositif de commande 19.
Le dispositif de commande 19 comporte quant à lui au moins un moyen de traitement pour :
- recevoir les mesures de tension, - comparer les tensions mesurées, et
- commander la fermeture des commutateurs 27.
L'étage 11 de plus haute tension impose alors sa tension aux enroulements primaires 23. Les autres étages 11 ne se déchargent pas du fait de la présence de la diode Schottky 33. L'énergie de cet étage 11 est donc transférée via le transformateur 21 vers la batterie auxiliaire 5.
On peut prévoir en variante de commander individuellement les commutateurs 27. Ainsi, c'est le commutateur 27 associé à l'étage 11 le plus chargé qui est commandé pour être fermé.
On va maintenant décrire un exemple de procédé d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 en se référant aux figures 2b et 5.
Lors d'une première étape El, on mesure la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s). Chaque étage 11 présente une tension respective V1,V2,V3,V4.
Prenons l'exemple dans lequel la tension VI est égale à 3,5V et les tensions V2,V3,V4 à 3,2V, la tension de seuil étant par exemple 3,6V.
Le moyen de mesure 17' aux bornes du premier étage 11 mesure donc une tension VI de 3,5V, tandis que les autres moyens de mesure 17' mesurent respectivement une tension V2,V3,V4 de 3,2V.
Le dispositif de commande 19 compare à l'étape E2 les tensions mesurées.
La tension VI aux bornes du premier étage 11 est supérieure aux tensions V2 à
V4 des autres étages 11. Par conséquent, le dispositif de commande 19 commande la fermeture des commutateurs 27 à l'étape E3. Ces commutateurs 27 sont commandés de façon commune et sont donc fermés en même temps selon un temps de fermeture prédéfini.
La tension VI de 3,5V est imposée aux enroulements primaires 23. Cette tension
VI étant supérieure aux tensions V2,V3,V4 des autres étages 11, les diodes Schottky pour les étages 11 de tension respective V2,V3,V4 sont bloquées ce qui empêche la décharge de ces étages 11. Les enroulements primaires 23 sont donc reliés à l'étage 11 le plus chargé et il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21. En variante, seul le commutateur 27 associé à l'étage 11 le plus chargé de tension VI est fermé. Il en résulte également une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21 dont l'enroulement primaire 23 est relié à cet étage 11 plus chargé.
De plus, la tension aux bornes du secondaire est négative bloquant ainsi la diode 29.
Lorsque le ou les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante et permet également le redressement de la tension qui est ensuite filtrée par le condensateur 31.
On équilibre alors la charge des accumulateurs 9 en transférant l'énergie de l'étage 11 le plus chargé vers la batterie auxiliaire 5.
Cet équilibrage peut se faire à tout moment de fonctionnement du véhicule dès lors qu'une consommation est observée sur la batterie auxiliaire 5 ou qu'il est possible de charger la batterie auxiliaire 5. 1.2 Deuxième mode de réalisation :
Un deuxième mode de réalisation est illustré de façon schématique sur la figure 6. Ce deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation par le fait que le système d'équilibrage 3 remplace complètement le convertisseur DC/DC 7 du premier mode de réalisation permettant d'alimenter la batterie auxiliaire 5 et assurant l'isolation galvanique pour la sécurité des auxiliaires.
Les coûts d'un convertisseur DC/DC étant supprimé, le système d'équilibrage peut être plus grand et l'équilibrage plus puissant. Dans ce cas, le dimensionnement des composants du système d'équilibrage 3 est adapté pour un tel transfert d'énergie de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5.
Selon ce deuxième mode de réalisation (figure 7), le dispositif de commande 19 comporte au moins un moyen de traitement pour :
- recevoir les mesures de tension des moyens de mesure 17',
- comparer les tensions mesurées à une tension de seuil prédéfinie,
- déterminer un taux de charge tx à partir des résultats de comparaison, - calculer un temps de fermeture tf pour chaque commutateur 27 en fonction du taux de charge tx de l'étage 11 associé, et
- commander individuellement la fermeture des commutateurs 27 selon les temps de fermeture tf calculés.
On va maintenant décrire un exemple de procédé combiné d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 et d'alimentation de la batterie auxiliaire 5 en référence aux figures 7 et 8.
Lors d'une première étape El 00, on mesure la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s). Chaque étage 11 présente une tension respective V1,V2,V3,V4. Cette mesure de tension peut se faire à un instant prédéfini comme la fin de charge ou à un moment de repos.
De façon à simplifier l'exemple, nous considérerons que la tension de l'accumulateur reflète son état de charge. Ce n'est pas toujours le cas mais cela permet d'illustrer plus facilement le propos. Pour les accumulateurs de technologie LiFeP04 par exemple, les écarts d'état de charge ne peuvent être estimés à partir de la tension qu'en fin de charge et/ou de décharge. Autrement, les différences de tension entre accumulateurs sont souvent trop faibles pour être mesurées à un coût raisonnable.
Prenons l'exemple dans lequel la tension VI est égale à 3,3V, les tensions V2,V3 à 3,2V, et la tension V4 à 3,5V, la tension de seuil étant par exemple 3,6V.
Le moyen de mesure 17' aux bornes du premier étage 11 mesure donc une tension VI de 3,3V, tandis que les deuxièmes et troisièmes moyens de mesure 17' mesurent respectivement une tension V2,V3 de 3,2V, et le quatrième moyen de mesure 17' mesure une tension V4 de 3,5V.
Le dispositif de commande 19 compare à l'étape E200 chaque tension mesurée à la tension de seuil de 3,6V de façon à déterminer le taux de charge tx de chaque étage 11. On détermine donc pour le premier étage 11 de tension VI de 3,3V, un taux de charge de 91%, pour les deuxième et troisième étages 11 de tensions respectives V2,V3 de 3,2V un taux de charge de 88%, et pour le dernier étage 11 de tension V4 de 3,5V un taux de charge de 97%>.
On calcule alors à l'étape E300 un temps de fermeture tf des commutateurs 27 associés en fonction de ces taux de charge tx des étages 11. Le temps de fermeture tf des commutateurs 27 associés aux deuxième et troisième étages 11 de tension V2 et V3 sera donc inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au premier étage 11 de tension VI, lui même inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au dernier étage 11 de tension V4.
Selon une variante de réalisation, au lieu de comparer les tensions mesurées à une tension de seuil à l'étape E200, on les compare entre elles de façon à identifier les étages les plus chargés.
Dans l'exemple donné, la tension V4 de 3,5V est supérieure à la tension VI de 3,3V, elle-même supérieure aux tensions V2,V3 de 3,2V (V4>V1>V2=V3). Il en résulte que l'étage 11 de tension V4 est plus chargé que l'étage 11 de tension VI qui est plus chargé que les étages 11 de tension V2 et V3.
Selon cette variante, on calcule alors à l'étape E300 un temps de fermeture des commutateurs associés en fonction de ces résultats de comparaison de façon à plus décharger les étages 11 les plus chargés. Comme précédemment, le temps de fermeture tf des commutateurs 27 associés aux deuxième et troisième étages 11 de tension V2 et V3 sera donc inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au premier étage 11 de tension VI, lui même inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au dernier étage 11 de tension V4.
Enfin, on commande à l'étape E400, la fermeture par intermittence des commutateurs 27 selon les temps de fermeture calculés de manière à décharger plus les étages 11 d'accumulateur(s) les plus chargés jusqu'à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge que l'étage 11 d'accumulateur(s) le moins chargé.
Dans l'exemple illustré on décharge plus les étages 11 de tensions respectives V4 et VI de façon à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge des étages 11 moins chargés de tensions V2 et V3.
Comme précédemment, il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21, et lorsque les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante et permet également le redressement de la tension qui est ensuite filtrée par le condensateur 31. On alimente ainsi la batterie auxiliaire 5 tout en équilibrant la charge des étages 11 d'accumulateur(s) 9 en transférant l'énergie de l'étage 11 le plus chargé vers la batterie auxiliaire 5.
En outre, dans le cas où la batterie 1 comporte plusieurs modules 13, les puissances fournies par les systèmes d'équilibrages associés à ces modules 13 s'additionnent pour alimenter la batterie auxiliaire 5.
On comprend donc que l'énergie transférée de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5 sert à équilibrer le niveau de charge des étages 11 d'accumulateur(s) de la batterie de puissance 1. De plus, une seule électronique peut réaliser les deux fonctions d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 et d'alimentation de la batterie auxiliaire 5.
II.1 Troisième mode de réalisation : On décrit maintenant un troisième mode de réalisation.
En se référant aux figures 9 et 10, le système d'équilibrage 3 comporte pour chaque étage d'accumulateur(s) 11, un convertisseur flyback 15 encadré en pointillé, et un dispositif de commande 19 pour commander les convertisseurs flyback 15 de façon à équilibrer la charge des étages 11.
Ce troisième mode de réalisation diffère donc du premier mode de réalisation, en ce que le système d'équilibrage 3 présente un convertisseur flyback 15 pour chaque étage d'accumulateur(s) 11 et non un convertisseur 15 pour un module 13 ou pour l'ensemble de la batterie 1. Ainsi, le système d'équilibrage 3 comprend une pluralité de convertisseurs 15 montés en parallèle entre les deux batteries 1 et 5.
Chaque convertisseur 15 est réalisé avec une isolation galvanique pour assurer la sécurité des auxiliaires Al à An. Un convertisseur flyback 15 comprend un transformateur 21, avec un enroulement primaire 23 associé à un étage 11 d'accumulateur(s), et un enroulement secondaire 25 relié à la batterie auxiliaire 5.
L'association d'un transformateur 21 avec un enroulement primaire 23 et un enroulement secondaire 25 par étage 11 plutôt qu'un transformateur 21 pour plusieurs étages 11, permet de choisir des transformateurs 21 de plus faible puissance.
On peut prévoir notamment des transformateurs 21 selon la technologie planar sur circuit imprimé. Un transformateur de type planar comporte un circuit magnétique mince généralement en ferrite usiné, fixé sur le circuit imprimé dans lequel les spires sont réalisées.
Un convertisseur flyback 15 comporte en outre du côté de l'enroulement primaire 23, un commutateur 27 réalisé par exemple par un transistor de puissance par exemple MOSFET. Ce commutateur 27 est relié à la borne négative (-) de l'étage 11 associé.
Le convertisseur flyback 15 comporte également du côté de l'enroulement secondaire 25 une diode 29 en série.
Chaque convertisseur flyback 15 associé à un étage 11 est donc indépendant des autres convertisseurs flyback 15; ce qui permet un fonctionnement simultané des convertisseurs 15 sans interaction d'un étage 11 sur un autre étage 11.
II.2 Quatrième mode de réalisation :
Selon un quatrième mode de réalisation illustré de façon schématique sur la figure 11, le système d'équilibrage 3 remplace complètement le convertisseur DC/DC 7 de la première variante du deuxième mode de réalisation permettant d'alimenter la batterie auxiliaire 5 et assurant l'isolation galvanique pour la sécurité des auxiliaires Al à An.
La puissance délivrée par le système d'équilibrage 3 est suffisante pour alimenter le réseau auxiliaire dit réseau 12V, ou encore réseau basse tension, dans le mode de réalisation décrit. De plus, la redondance de la pluralité de convertisseurs flyback 15 permet également de se passer de la batterie auxiliaire 5 pour alimenter le réseau 12V.
Les coûts d'un convertisseur DC/DC étant supprimé, le système d'équilibrage peut être plus grand et l'équilibrage plus puissant. Dans ce cas, le dimensionnement des composants du système d'équilibrage 3 est adapté pour un tel transfert d'énergie de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5.
Le système d'équilibrage du troisième ou du quatrième mode de réalisation peut également comporter un dispositif de surveillance 17 de la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s) 9.
Ce dispositif de surveillance 17 de tension des accumulateurs 9 (figure 10), comprend par exemple un moyen de mesure aux bornes de chaque étage 11 , configuré pour transmettre leurs résultats de mesure au dispositif de commande 19. Le dispositif de commande 19 peut commander les commutateurs 27 individuellement, de sorte que le commutateur 27 associé à l'étage 11 le plus chargé est commandé pour être fermé.
Le dispositif de commande 19 peut comporter de plus au moins un moyen de traitement pour recevoir les mesures de tension du dispositif de surveillance 17, analyser les tensions mesurées, et commander la fermeture d'un ou plusieurs commutateurs 27 en fonction des résultats d'analyse des tensions mesurées.
Afin d'analyser les tensions mesurées, le dispositif de commande 19 peut comporter un moyen de comparaison des tensions mesurées entre elles et un moyen de détermination des étages les plus chargés à partir des résultats de comparaison.
Selon une variante, le dispositif de commande 19 peut comporter un moyen de calcul d'un produit P pour chaque étage 11 selon la formule suivante (1) :
(1) P = Crefi . ( 1 - SOCi) (où Crefï = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i)
Ou en variante, un moyen de calcul d'un produit F pour chaque étage 11 calculé selon une deuxième formule (2) :
(2) P' = Crefï . SOCi (où Crefï = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i).
La capacité correspond à la charge électrique que peut fournir l'accumulateur et s'exprime généralement en Ah ou mAh. Il s'agit d'une caractéristique intrinsèque pour chaque accumulateur. Cette valeur peut évoluer lentement en fonction notamment de la température, du vieillissement, et diminue au fur et à mesure de la vie de l'accumulateur. L'information sur la capacité de chaque étage 11 peut être le résultat d'un apprentissage au cours des différents cycles. La capacité de référence est généralement donnée par le constructeur, par exemple 60Ah.
Le dispositif de commande 19 peut comporter en outre un moyen de détermination du ou des étage(s) 11 à décharger de façon à égaliser les produits P ou F pour chaque étage 11.
Le dispositif de commande 19 peut comporter selon encore une autre variante :
- un moyen de comparaison des tensions mesurées avec une tension de seuil, - un moyen de détermination d'un taux de charge à partir des résultats de comparaison, et
- un moyen de calcul d'un temps de fermeture pour chaque commutateur 27 en fonction du taux de charge de l'étage 11 déterminé. Le dispositif de commande 19 peut en outre comporter au moins un moyen de traitement pour déterminer la puissance à délivrer par chaque étage 11 de façon alimenter le réseau 12V. II.3 Fonctionnement
Phase de charge de la batterie de puissance
On décrit maintenant, en se référant aux figures 9 et 10, un exemple de fonctionnement du système d'équilibrage 3 du troisième mode de réalisation, dans le cas de la charge d'une batterie de puissance 1 , de façon à amener tous les étages 11 à un niveau de tension nominal.
Cet équilibrage peut se faire en même temps que la charge de la batterie 1.
Cet équilibrage peut se faire à tout moment de fonctionnement du véhicule dès lors qu'une consommation est observée sur la batterie auxiliaire 5 ou qu'il est possible de charger la batterie auxiliaire 5.
Si la consommation est insuffisante sur le réseau 12V, des consommateurs additionnels peuvent être mis en route pour augmenter la consommation sur le 12V, tel que le chauffage, la climatisation du véhicule.
De façon à simplifier l'exemple, nous considérerons que la tension de l'accumulateur reflète son état de charge. Ce n'est pas toujours le cas mais cela permet d'illustrer plus facilement le propos. Pour les accumulateurs de technologie LiFeP04 par exemple, les écarts d'état de charge ne peuvent être estimés à partir de la tension qu'en fin de charge et/ou de décharge. Autrement, les différences de tension entre accumulateurs sont souvent trop faibles pour être mesurées à un coût raisonnable. · Première variante
Lors d'une première étape E201 (cf figure 12), on mesure la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s). Chaque étage 11 présente une tension respective V1,V2,V3,V4.
Prenons l'exemple dans lequel la tension VI est égale à 3,3V, les tensions V2,V3 à 3,2V, et la tension V4 à 3,5V, la tension de seuil étant par exemple 3,6V.
Le moyen de mesure aux bornes du premier étage 11 mesure donc une tension VI de 3,3V, les deuxièmes et troisièmes moyens de mesure respectivement une tension V2,V3 de 3,2V, et le quatrième moyen de mesure une tension V4 de 3,5V.
Cette mesure peut se faire à tout moment de fonctionnement du véhicule, à intervalle régulier, ou encore à un instant prédéfini comme la fin de charge ou à un moment de repos du véhicule.
Le dispositif de commande 19 peut comparer à l'étape E202 les tensions mesurées.
La tension V4 aux bornes du quatrième étage 11 est supérieure à la tension VI aux bornes du premier étage, elle même supérieure aux tensions respectives V2 et V3 des deuxième et troisième étages 11. Le dispositif de commande 19 peut déterminer à partir de ces informations, en comparant les tensions mesurées entre elles, les étages 11 les plus chargés.
Dans l'exemple donné, la tension V4 de 3,5V est supérieure à la tension VI de 3,3V, elle-même supérieure aux tensions V2,V3 de 3,2V (V4>V1>V2=V3). Il en résulte que l'étage 11 de tension V4 est plus chargé que l'étage 11 de tension VI qui est plus chargé que les étages 11 de tension V2 et V3.
Le dispositif de commande 19 détermine donc à partir de ces informations que les étages 11 les plus chargés sont le quatrième et le premier étage 11, et commande alors à l'étape E203 la fermeture des commutateurs 27 associés.
Il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21 dont l'enroulement primaire 23 est relié au quatrième étage 11 et dans le transformateur 21 dont l'enroulement primaire 23 est relié au premier étage 11.
La tension aux bornes du secondaire 25 est négative bloquant ainsi la diode 29.
Lorsque les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante.
L'énergie de l'étage 11 associée est donc transférée via le transformateur 21 la batterie auxiliaire 5.
On équilibre alors la charge des accumulateurs 9 en transférant l'énergie de l'étage 11 le plus chargé vers le réseau 12V.
Deuxième variante
On peut aussi prévoir de décharger, chaque étage 11 en fonction de l'état de charge de l'étage 11 , par exemple de façon à égaliser les produits P pour chaque étage 11 selon la formule suivante (1) :
(1) P = Crefi . ( 1 - SOCi)
(où Crefi = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i)
Le produit P augmente de façon inversement proportionnelle à l'état de charge; plus un étage 11 est chargé plus le produit P est petit. Ainsi, on décharge prioritairement les étages 11 dont les produits P sont les plus faibles.
On peut calculer à l'étape E203 un temps de fermeture des commutateurs 27 en fonction de ces produits P. Plus le produit P est petit, donc plus l'étage est chargé, et plus le temps de fermeture est long, de façon à décharger prioritairement les étages 11 les plus chargés.
Et, on commande, la fermeture des commutateurs 27 selon les temps de fermeture calculés de manière à égaliser les produits P. · Troisième variante
On peut en alternative déterminer un taux de charge pour chaque étage et déduire un temps de fermeture approprié en fonction du taux de charge déterminé.
Le taux de charge peut être déterminé par rapport à une tension de seuil, par exemple de 3,6V. Selon l'exemple donné, on détermine donc :
- pour le premier étage 11 de tension VI de 3,3V, un taux de charge de 91%,
- pour les deuxième et troisième étages 11 de tensions respectives V2,V3 de 3,2V un taux de charge de 88%, et
- pour le dernier étage 11 de tension V4 de 3,5V un taux de charge de 97%.
On calcule alors à l'étape E203 un temps de fermeture des commutateurs 27 en fonction de ces taux de charge.
Le temps de fermeture des commutateurs 27 associés aux deuxième et troisième étages 11 de tension V2 et V3 sera donc inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au premier étage 11 de tension VI , lui même inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au dernier étage 11 de tension V4.
Enfin, on commande, la fermeture par intermittence des commutateurs 27 selon les temps de fermeture calculés de manière à décharger plus les étages 11 d'accumulateur(s) les plus chargés jusqu'à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge que l'étage 11 d'accumulateur(s) le moins chargé.
Dans l'exemple illustré on décharge plus les étages 11 de tensions respectives V4 et VI de façon à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge des étages
11 moins chargés de tensions V2 et V3.
Comme précédemment, il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21 , et lorsque les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante.
On alimente ainsi le réseau 12V tout en équilibrant la charge des étages 11 d'accumulateur(s) 9 en transférant l'énergie d'équilibrage des étages 11 vers le réseau
12 V.
Bien entendu, si à la suite du procédé d'équilibrage, les étages 11 ne sont pas tous arrivés au niveau de charge souhaité, on continue la charge des étages 11 , jusqu'à arriver à un niveau de charge de 100%. Phase de décharge de la batterie de puissance
On décrit maintenant un exemple de fonctionnement du système d'équilibrage 3 suite à la décharge de la batterie de puissance 1.
L'équilibrage peut se faire en même temps que la décharge de la batterie 1.
Les étages 11 les plus chargés sont utilisés en priorité pour alimenter le réseau basse tension 12V.
Pour déterminer les étages 11 les plus chargés, le dispositif de commande 19 peut par exemple comparer les produits F pour chaque étage 11 selon la formule suivante (2) :
(2) P' = Crefï . SOCi (où Crefî = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i)
Dans ce cas, le produit F croît avec l'état de charge de chaque étage 11. Ainsi, on décharge prioritairement les étages 11 dont les produits F sont les plus élevés.
Bien entendu, en variante, les étages 11 les plus chargés sont déterminés par comparaison des niveaux de tension mesurés de façon similaire à la première variante de la phase de charge.
Ou encore selon une autre variante, les étages 11 les chargés sont déterminés en calculant un taux de charge par comparaison avec une tension de seuil, de façon similaire à la troisième variante de la phase de charge.
Le dispositif de commande 19 peut en outre commander la puissance délivrée par chaque étage 11 pour alimenter le réseau 12V.
Par exemple, pour les étages 11 les plus chargés, ou dont les produits F calculés sont les plus élevés, ces étages 11 délivreront une puissance maximale Pm, par exemple de 20W.
Pour les autres étages 11, la puissance Pi à délivrer peut être calculée par exemple selon la formule (3) : (3) Pi(t) = P12 (t)- Pm * x ( avec P12(t) = puissance consommée sur le réseau 12V à un instant donné t, Pm = puissance maximale délivrée par les étages 11 les plus chargés, et x = partie entière du ratio P12 (t) / Pm )
On comprend donc que l'énergie transférée de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5 sert à équilibrer le niveau de charge des étages 11 d'accumulateur(s) de la batterie de puissance 1.
De plus, une seule électronique peut réaliser les deux fonctions d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 et d'alimentation de la batterie auxiliaire 5.
Et, en outre l'utilisation de plusieurs convertisseurs 15 au lieu d'un seul convertisseur 15 permet d'avoir des convertisseurs de plus faible puissance, par rapport à un unique convertisseur de l'art antérieur, et donc moins coûteux.
En outre, cette redondance des convertisseurs 15 facilite la suppression de la batterie auxiliaire 3 du fait de la redondance.
Le système d'équilibrage 3 peut en outre assurer une fonction de fourniture du 12 volts accessoire au véhicule lorsque les convertisseurs 15 passent suffisamment de puissance.

Claims

REVENDICATIONS
Système d'équilibrage de charge pour batterie de puissance (1) comprenant au moins deux étages (11) d'accumulateur(s) mis en série, chaque étage (11) d'accumulateur(s) comprenant au moins un accumulateur (9), caractérisé en ce que ledit système d'équilibrage comporte au moins un convertisseur flyback (15) comprenant :
- un transformateur (21) avec :
• au moins un enroulement primaire (23) configuré pour être connecté aux bornes d'un étage (11) d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance (1), et
• un enroulement secondaire (25) configuré pour être connecté à une batterie auxiliaire (5) dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance (1), et
- pour chaque étage (11) d'accumulateur(s), un commutateur (27) associé connecté à un enroulement primaire (23) dudit transformateur (21) et à la borne négative (-) de l'étage (11) d'accumulateur(s), et en ce que ledit système comporte en outre :
- un dispositif de surveillance (17) de la tension aux bornes desdits étages (11) d'accumulateur(s), et
- un dispositif de commande (19) dudit convertisseur flyback (15) comprenant au moins un moyen de traitement pour :
• recevoir les informations de tension dudit dispositif de surveillance (17), et
• lorsqu'au moins un étage présente une tension supérieure à la tension des autres étages d'accumulateur(s), commander la fermeture d'au moins un commutateur (27) associé à un étage (11) d'accumulateur(s) et le transfert d'énergie dudit étage (11) vers ladite batterie auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages (11) d'accumulateurs.
Système d'équilibrage selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte un nombre prédéfini de convertisseurs fiyback (15) respectivement associés à un nombre prédéfini de modules (13) en série de ladite batterie de puissance (1), lesdits modules (13) comportant des étages (11) d'accumulateur(s) mis en série.
Système d'équilibrage selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur fiyback (15) commun connecté à un nombre prédéfini de modules (13) en série de ladite batterie de puissance (1), lesdits modules (13) comportant des étages (11) d'accumulateur(s) mis en série.
Système d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque étage (11) d'accumulateur(s), une diode de blocage (33) :
- reliée par son anode à l'enroulement primaire (23) du transformateur (21), et
- reliée par sa cathode au commutateur (27) associé.
Système d'équilibrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la diode de blocage (33) est une diode Schottky.
Système d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque étage (11) d'accumulateur(s) une diode (35) et un transistor (37) en parallèle, tels que la diode (35) soit reliée par son anode à l'enroulement primaire (23) du transformateur (21) et reliée par sa cathode au commutateur (27) associé de l'étage (11) d'accumulateur(s). Système d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les commutateurs (27) dudit au moins un convertisseur flyback (15) sont commandés de façon commune par ledit dispositif de commande (19) de manière à être fermés en même temps lorsqu'au moins un étage (11) d'accumulateur(s) présente une tension supérieure aux tensions respectives des autres étages (11) d'accumulateur(s).
Système d'équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système d'équilibrage comporte aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s) un convertisseur flyback (15) associé comprenant :
- un transformateur (21) avec :
• un enroulement primaire (23) configuré pour être connecté aux bornes dudit étage (11) d'accumulateur(s) associé, et
• un enroulement secondaire (25) configuré pour être connecté à un réseau auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance (1), et
- pour chaque étage (11) d'accumulateur(s), un commutateur (27) associé connecté à un enroulement primaire (23) dudit transformateur (21) et à la borne négative (-) de l'étage (11) d'accumulateur(s), et en ce que ledit système comporte en outre :
- un dispositif de surveillance (17) de la tension aux bornes desdits étages (11) d'accumulateur(s), et
- un dispositif de commande (19) desdits convertisseurs flyback (15) comprenant au moins un moyen de traitement pour :
• recevoir les informations de tension dudit dispositif de surveillance (17), et - lorsqu'au moins un étage présente une tension supérieure à la tension des autres étages d'accumulateur(s), commander la fermeture d'au moins un commutateur (27) d'un convertisseur flyback (15) associé à un étage (11) d'accumulateur(s) et le transfert d'énergie dudit étage (11) vers le réseau auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages (11) d'accumulateurs.
9. Système d'équilibrage selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit transformateur (21) est un transformateur de technologie planar.
10. Système d'équilibrage selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comporte comporte une pluralité de diodes (29) respectivement montées en série avec lesdits transformateurs (21), lesdites diodes étant respectivement connectées par leur anode à l'enroulement secondaire (25) d'un transformateur (21) et par leur cathode audit réseau auxiliaire.
11. Système d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou 8 à 10, caractérisé en ce que lesdits commutateurs (27) sont commandés de façon individuelle par ledit dispositif de commande (19), de façon à commander la fermeture du commutateur (27) associé à un étage (11) d'accumulateur(s) dont la tension est supérieure aux tensions respectives des autres étages (11) d'accumulateur(s) . 12. Système d'équilibrage selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande (19) comprend au moins un moyen de traitement pour :
- calculer pour chaque étage d'accumulateur (11), un temps de fermeture (tf) du commutateur (27) associé, et
- commander la fermeture des commutateurs (27) respectivement pendant les temps de fermeture (tf) associés.
13. Système d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que ledit au moins un convertisseur flyback (15) est dimensionné pour un transfert d'énergie de la batterie de puissance (1) vers la batterie auxiliaire (5) de façon à alimenter la batterie auxiliaire (5).
14. Système d'équilibrage selon la revendication 8 prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande (19) est configuré pour commander lesdits convertisseurs (15) de façon à transférer l'énergie d'équilibrage desdits étages (11) vers ledit réseau auxiliaire, et en ce que lesdits convertisseurs flyback (15) présentent une isolation galvanique.
15. Système d'équilibrage selon la revendication 8 prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande (19) est configuré pour commander lesdits convertisseurs (27) de façon à alimenter ledit réseau auxiliaire à partir de l'énergie d'équilibrage de ladite batterie de puissance (1).
16. Système d'équilibrage selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande (19) comporte au moins un moyen de traitement pour déterminer la puissance à délivrer respectivement par lesdits étages (11).
17. Système d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est configuré pour l'équilibrage de charge des étages (11) d'accumulateur(s) d'une batterie de puissance (1) Lithium-ion.
18. Système d'équilibrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est configuré pour l'équilibrage de charge des étages (11) d'accumulateur(s) d'une batterie de puissance (1) alimentant le moteur d'un véhicule automobile électrique et/ou hybride.
19. Procédé d'équilibrage de charge pour batterie de puissance (1) comprenant au moins deux étages (11) d'accumulateur(s) mis en série, chaque étage (11) d'accumulateur(s) comprenant au moins un accumulateur (9), caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes : - on mesure la tension (V1,V2,V3,V4) aux bornes de chaque étage (11) d'accumulateur(s),
- on compare les tensions (V1,V2,V3,V4) mesurées, et
- lorsqu'une tension mesurée est supérieure aux autres tensions mesurées, on commande la fermeture d'au moins un commutateur (27) d'un convertisseur flyback (15) dont le transformateur (21) présente au moins un enroulement primaire (23) connecté aux bornes d'un étage (11) d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance (1) et relié audit commutateur (27), et un enroulement secondaire (25) connecté à une batterie auxiliaire (5) dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance (1), pour un transfert d'énergie dudit étage (11) associé audit au moins un commutateur (27) dont la fermeture est commandée vers ladite batterie auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages (11) d'accumulateurs.
20. Procédé d'équilibrage selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes :
- pour chaque étage (11) d'accumulateur(s), on calcule un temps de fermeture (tf) du commutateur (27) associé d'un convertisseur flyback (15) dont le transformateur (21) présente un enroulement primaire (23) connecté aux bornes de l'étage (11) d'accumulateur(s) et relié audit commutateur (27), et un enroulement secondaire (25) connecté à la batterie auxiliaire (5), et
- on commande la fermeture des commutateurs (27) respectivement pendant les temps de fermeture (tf) calculés.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes préliminaires suivantes :
- on mesure la tension (V1,V2,V3,V4) aux bornes de chaque étage (11) d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance (1),
- on compare les tensions mesurées (V1,V2,V3,V4) à une tension de seuil prédéfinie,
- on détermine le taux de charge (tx) de chaque étage (11) d'accumulateur(s) à partir des résultats de comparaison, permettant de calculer le temps de fermeture.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- on mesure la tension (V1,V2,V3,V4) aux bornes de chaque étage (11) d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance (1),
- on compare les tensions mesurées (V1,V2,V3,V4) entre elles, et
- on détermine les étages (11) d'accumulateur(s) les plus chargés de façon à calculer des temps de fermeture plus longs pour les étages (11) d'accumulateur(s) plus chargés.
23. Procédé selon l'une des revendications 21 ou 22, caractérisé en ce qu'on mesure les tensions (V1,V2,V3,V4) aux bornes des étages (11) d'accumulateur(s) à un instant prédéfini, tel que la fin de la charge de ladite batterie de puissance (1).
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