EP4298707A1 - Dispositif de stockage et de génération concomitante d'au moins une tension électrique, et procédé de gestion associé - Google Patents

Dispositif de stockage et de génération concomitante d'au moins une tension électrique, et procédé de gestion associé

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EP4298707A1
EP4298707A1 EP22710700.0A EP22710700A EP4298707A1 EP 4298707 A1 EP4298707 A1 EP 4298707A1 EP 22710700 A EP22710700 A EP 22710700A EP 4298707 A1 EP4298707 A1 EP 4298707A1
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EP
European Patent Office
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block
storage
voltage
storage block
bus
Prior art date
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Application number
EP22710700.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Valmir ADELINE
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Mov'ntec
Valmir Adeline
Original Assignee
Mov'ntec
Valmir Adeline
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0025—Sequential battery discharge in systems with a plurality of batteries

Definitions

  • the field of the invention is that of electronics.
  • the invention relates to a device for the storage and concomitant generation of at least one electrical voltage, and an associated management method.
  • the invention finds applications in particular for powering with an electrical voltage, of the alternating or direct type, any type of electrical equipment, in various fields of application, such as consumer electronics, transport - including automotive, rail and aeronautics - or any other field powered by an electric current.
  • Such prior techniques implement a particular switching strategy making it possible to generate a single electric current signal having the appropriate form in voltage, or even in frequency, by combining by addition, by subtraction and/or by inversion different electric currents from elementary cells.
  • the present invention aims to remedy all or part of the drawbacks of the prior art mentioned above.
  • the invention relates, according to a first aspect, to a device for storing electrical energy, comprising a plurality of switched elementary cells included inside a storage pack, a master block and a power supply supplying the storage pack and the master block with direct current.
  • Such a storage device commonly referred to as a switched battery, makes it possible to supply an electric current of any form with a voltage within a predetermined range, for example between 0 and 220 V.
  • An elementary cell is said to be switched when it is associated with at least one switch making it possible to modify the connection of the elementary cell to an electronic circuit, and consequently the voltage supplied by the elementary cell to said electronic circuit.
  • a switched elementary cell can be any combining one or more elementary cells with one or more switches.
  • the positioning in the switched elementary cell of the elementary cell(s) and of the switch(es) can also be arbitrary, either in series or in parallel, insofar as the management of the switches makes it possible to control the voltage at the terminals of the switched elementary cell.
  • the switched elementary cell corresponds to an elementary cell connected in series with a first switch, the elementary cell and the first controllable switch being able to be short-circuited by a second switch placed in parallel.
  • the switches of the elementary cell are generally of the electronically controllable type. Such switches are for example transistors, more particularly field effect transistors, also called by the acronym angle FET (“Field Effect Transistor”), or even metal-oxide gate field effect transistors, also called under the English acronym MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), or any other type known to those skilled in the art.
  • transistors more particularly field effect transistors, also called by the acronym angle FET (“Field Effect Transistor”), or even metal-oxide gate field effect transistors, also called under the English acronym MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), or any other type known to those skilled in the art.
  • the storage pack is subdivided into a plurality of storage blocks, each storage block comprising a plurality of switched elementary cells and a control logic sub-block for each switched elementary cell of said storage block .
  • each storage block also comprises at least one bus connection sub-block, each connection sub-block comprising an electronic switch comprising two positions, a so-called connected position in which the storage block provides a current to the bus and a so-called short-circuit position in which the associated storage block is short-circuited.
  • each storage block advantageously comprises means of isolation from the bus either by means of a bridge at F1 where the switches are open in the short-circuit position, or directly at the level of the cells switched by the opening of the switches of each switched cell. In the In both cases, isolation from the bus makes it possible to avoid damaging the elementary cells or creating short circuits between the different buses.
  • connection sub-block via a connection sub-block, it is possible to manage the connection or disconnection of a storage block of the storage pack with respect to a bus depending in particular a general setpoint of voltage and frequency of the electric current to be generated by the electronic device for storing electric energy.
  • the management of the connections is also a function of the state of charge of the elementary cells of the storage block, or even of an analysis of the voltage supplied by the storage block in relation to an expected voltage, calculated according to the general setpoint.
  • connection sub-blocks and therefore the buses By multiplying the connection sub-blocks and therefore the buses, it is possible to simultaneously generate several types of voltage with the same storage pack. It is also possible to manage a charging of a part of the storage pack concomitantly with the generation of a current by another part of the storage pack.
  • the electronic architecture that is the subject of the present invention thus offers multiple technical advantages not provided for by the architectures of the prior art.
  • the power supply unit of the electrical energy storage device is advantageously separate from the storage unit(s), the energy stored in the storage pack being used solely for the generation of the or current(s) supplied by the electronic device for storing and generating a current.
  • the electronic switch of at least one connection sub-block of a connection block to a bus is of the galvanically isolated type.
  • the electronic switch is made up of at least one transistor which may be of the field-effect type (FET), or even of the metal-oxide gate field-effect type (MOSFET), or of any other known type. of the skilled person.
  • FET field-effect type
  • MOSFET metal-oxide gate field-effect type
  • Such a transistor is preferably of the galvanically isolated type.
  • a transistor usually has three terminals, one usually called gate or base, controlling the current flowing between the other two terminals, usually called drain and source, or collector and receiver.
  • the electronic switch comprises two transistors connected in series, in an inverted manner.
  • Two transistors are connected in an inverted manner, for example when the sources, or the receivers, of the two transistors are connected in common.
  • gate or base terminals are generally connected in common to an electronic component making it possible to control the state of the transistors making up the electronic switch.
  • the storage device comprises an optocoupler configured to control the state of the electronic switch.
  • connection sub-block comprises an optocoupler configured to control the state of the electronic switch.
  • the optocoupler comprises a light-emitting diode facing a photovoltaic receiver.
  • the optocoupler can operate without energy consumption, which makes it possible to optimize the energy consumption of the storage device.
  • the photovoltaic receiver is composed of at least one diode, preferably three diodes, called photovoltaic(s), configured(s) to generate a voltage when they are illuminated by the light-emitting diode.
  • the optocoupler also comprises a circuit making it possible to discharge the photovoltaic receiver.
  • At least one sub-block for connection to a bus of at least one storage block also comprises an H-bridge configured to invert the voltage at the output of the storage block corresponding, the H-bridge comprising four switchable elements.
  • At least one storage block also comprises a logic circuit controlling the state of the electronic switch of at least one connection sub-block based on the analysis information characterizing the H-bridge, and/or the state of charge of the storage block.
  • the switching elements of the H-bridge are transistors and the information analyzed by the logic block comprises a voltage gate of said H-bridge transistors.
  • the H-bridge transistors may be field-effect transistors, or even metal-oxide-grid field-effect transistors, or any other type known to those skilled in the art.
  • the storage device comprises a plurality of buses, each bus being connected at the output of a separate connection sub-block of each storage block.
  • each storage block also includes:
  • the master block is configured to control the storage blocks via at least one of the following: - a control bus connecting the master block and each storage block;
  • each storage block a generator of a voltage and/or frequency setpoint of the current to be produced for each storage block, the storage circuit of each storage block concerned controlling all or part of the switches associated with the elementary cells according to the setpoint received by said storage block;
  • the power supply comprises:
  • the power supply comprises a module for converting the voltage at the input of the power supply when the voltage supplied is of the AC type, said conversion module comprising a bridge rectifier and a capacitor.
  • the electrical energy storage device also comprises a power supply circuit connecting a storage block to the master block in order to supply a voltage to said master block.
  • the power supply circuit includes galvanic isolation.
  • the invention also relates, according to a second aspect, to a method for managing the storage device according to any one of the preceding embodiments, said method for managing comprising steps of:
  • the general voltage and frequency setpoint makes it possible to obtain a current having a given voltage and frequency.
  • the value of the voltage is for example between 0 and 400 V.
  • the value of the frequency is for its part for example between 0 (direct current) and 100 Hz.
  • the general setpoint for the generation of a voltage corresponds at standard values of alternating current voltage (120 or 230 V, 50 or 60 Hz) or direct current voltage (for example 12 or 48 V).
  • a converter can advantageously be added at the output to provide a DC voltage of 5 V from a higher voltage.
  • the management method also comprises a step of analyzing the voltage supplied by a storage block to a bus, said analysis comprising sub-steps of:
  • the determination of the voltage setpoint for each storage block takes into account the state of charge of each storage block.
  • the invention relates, according to a third aspect, to an electronic component storing instructions for the implementation of the management method according to any of the preceding modes of implementation.
  • Such an electronic component is generally included in an electronic device for storing and generating a current according to any one of the preceding embodiments.
  • the component may for example be a microcontroller, a programmable logic circuit, in particular of the FPGA type (acronym of the English term “Field-programmable gate array”) or any other electronic component known to those skilled in the art.
  • FIG. 1 is an electronic diagram of an exemplary embodiment of the electrical energy storage device according to the invention.
  • FIG. 2 is a detailed electronic diagram of part of a storage block of the electrical energy storage device of Figure 1;
  • FIG. 3 is an example embodiment of a connection sub-block of the storage block of Figure 2;
  • FIG. 4 is another electronic diagram of the electrical energy storage device of Figure 1;
  • FIG. 5 is a block diagram of an example of implementation of a method for managing the electrical energy storage device of Figure 1.
  • Figure 1 is an electronic diagram of the device 100 for storing electrical energy according to the invention.
  • the electrical energy storage device 100 comprises a plurality of switched elementary cells 105 forming a storage pack 110, a master block 120 controlling the generation of a voltage by the elementary cells of the storage pack 110 and a block 130 advantageously galvanically isolated power supply.
  • An elementary cell stores electrical energy, for example in electrochemical form through an oxidation-reduction phenomenon.
  • a classic elementary cell technology is based on reversible exchanges of lithium ions between two electrodes.
  • switched elementary cell an elementary cell storing associated with at least one switch making it possible to control the loading/unloading of the elementary cell.
  • the switched elementary cell 105 preferably comprises two switches, a first 106 connected in series with the elementary cell 108 and a second 107 connected in parallel with the first switch 106 and the elementary cell 108.
  • the switched elementary cell 105 presented in this non-limiting example of the invention can be generalized by those skilled in the art to any type of architecture comprising at least one elementary cell and at least one switch , placed independently in series and/or in parallel, insofar as the switch(es) make it possible to control the voltage at the terminals of the switched elementary cell.
  • the electronic device 100 is here configured with four buses 140 at the output of the storage pack 110 making it possible to simultaneously generate up to four distinct voltages, direct or alternating.
  • One of the buses 140 can also be used in parallel to load all or part of the elementary cells 108 of the pack 110 of storage.
  • the switched elementary cells 105 are advantageously distributed in this non-limiting example of the invention between three storage blocks 115 of the storage pack 110 and can supply a voltage to at least one bus 140 via at least one at least one of the four connection sub-blocks 150 included in the storage block 115.
  • the switched cells 105 of a storage block 115 are more precisely included in a storage sub-block 116 of the corresponding block 115.
  • each storage block 115 comprises four switched cells 105.
  • connection sub-blocks 150 is arbitrary, fixed according to the desired electronic architecture. Those skilled in the electronics art will be able to generalize this exemplary embodiment without difficulty to an electronic device comprising a plurality of storage blocks, each block comprising at least one bus connection sub-block.
  • the storage blocks 115 are identical in this non-limiting example of the invention, but those skilled in the art can easily generalize this example to storage blocks 115 comprising any number of switched cells.
  • connection sub-block 150 makes it possible to connect or disconnect the storage block 115 corresponding to a bus 140 according to an instruction determined by the master block 120 from a general voltage and frequency instruction of the current to be generated at the output of the storage device 100.
  • connection sub-block 116 which is controlled by a control sub-block 160, connected to the master block 120 via a control bus 165 .
  • Each storage block 115 also includes a direct voltage DC/DC converter for converting the power supplied by the power supply block 130 via a power supply bus 170, and to supply the control sub-block 160 in order to control the switches 106, 107 of the switched cells 105 and the connection sub-blocks 150.
  • Figure 2 illustrates in more detail the electronic diagram of the storage sub-block 116 and the connection sub-blocks 150 of a storage block 115 of the electronic device 100.
  • the storage sub-block 116 comprises in this figure 2 four switched elementary cells 105 connected in series. It should be emphasized that the architecture of the storage sub-block 116 can be arbitrary, combining elementary cells switched in series and/or in parallel.
  • connection sub-blocks 150 making it possible to manage the connection or the short-circuiting of the sub-block 116 with respect to at least one bus 140.
  • each connection sub-block 150 includes a switch 210 for connecting the bus 140 corresponding to the terminals 220 of the storage sub-block 116.
  • the switch 210 is preferably of the galvanically isolated type in order to allow connection and disconnection to the bus 140 in a secure manner.
  • the electronic switch 210 can for example be composed of at least one metal-oxide gate field-effect transistor, also known by the acronym MOSFET.
  • MOSFET metal-oxide gate field-effect transistor
  • the storage block 115 In order to control the polarity of the voltage supplied by the storage sub-block 116 to the terminals of the switch 210, the storage block 115 also comprises an H-bridge formed by four switchable elements 230.
  • the switch 210 is in a closed state making it possible to short-circuit the storage block 115 which then supplies no voltage to the bus 140.
  • the elements 230 of the H-bridge are in an open state in order to disconnect the storage block 115 from the bus 140 and to avoid a short-circuit between the terminals 220, in particular when the storage block 115 is simultaneously connected to another bus 140 .
  • Figure 3 illustrates an example of an advantageous embodiment of a connection sub-block 150 in which the electronic switch 210 comprises two MOSFET transistors 350, preferably controlled by an optocoupler 310.
  • the optocoupler 310 can advantageously be of the static type - type commonly known by the English term "Solid State Relay” - comprising a light-emitting diode 311, commonly called by the acronym LED of the English term “Light Emitting Diode”), opposite a photovoltaic receiver 312, thus making it possible to dispense with a secondary power supply for the operation of the optocoupler 310.
  • Such an optocoupler 310 makes it possible to supply a voltage based on the power of the LED to control the two transistors MOSFET of switch 210. It is thus possible to optimize the electrical consumption of connection sub-block 150.
  • photovoltaic receiver 312 comprises three photovoltaic diodes 313 able to generate an electric voltage depending on the light intensity emitted by the LED and received by the photovoltaic diode 313.
  • the two MOSFET transistors 350 of the switch 210 can be controlled by the logic block 320 from the information provided by the gate voltages of the MOSFET transistors composing in this non-limiting example of the invention the switchable elements 230 of the H bridge.
  • Other information such as for example the output power supply of the DC/DC converter of the storage block 115, can be taken into account alternatively or in addition to the gate voltages of the F1 bridge to control the switch 210.
  • the two MOSFET transistors 350 of the switch 210 share their sources in order to be able to short-circuit the storage block 115 connected to the bus 140 more efficiently, by allowing the current to flow advantageously in both directions.
  • a MOSFET 350 transistor makes it possible to block the circulation of a current in the direction from the drain to the source according to the voltage applied to the gate of the MOSFET transistor 350 but remains on for the circulation of the current. in the other direction, that is to say from the source towards the drain, through an equivalent diode 355 which has been illustrated for the sake of clarity, in parallel with the MOSFET transistor 350 in FIG. 3.
  • this electronic diagram can be adapted to other types of transistors, in particular to transistors capable of blocking the flow of current in both directions.
  • the optocoupler 310 can also comprise a circuit 315 in parallel with the photovoltaic receiver 312 in order to discharge the photovoltaic receiver 312 in particular during a change of state of the switch 210, open or closed.
  • the master block 120 is configured to control the storage blocks 115 of the pack 110 by communicating instructions via the control bus 165 connecting the master block 120 to each storage block 115.
  • the master block 120 comprises a generator 410 of a voltage, frequency, or even phase shift setpoint for a block 115 of storage.
  • the setpoint is transmitted to storage block 115 which processes the setpoint via logic sub-block 160.
  • the setpoint is translated by logic sub-block 160 into a control schedule for switches 106, 107 of switched cells 105 in order to to generate a current according to a given voltage and frequency, or even with a phase shift with respect to a predetermined time.
  • the instruction can also translate into a command of at least one connection sub-block 150 in order to supply the current defined by a voltage to at least one bus 140.
  • This command can be carried out via the sub-block logic block 160 of storage block 115 or via a signal generator 420 included in master block 120.
  • This signal generator 420 transmits signals whose voltage makes it possible to directly control electronic switches 210, each signal generated being connected for example to the diode 311 of each optocoupler 310.
  • the master block 120 may also include a device 430 for analyzing the power supplied by the DC/DC converter of each storage block 115 and the efficiency of the corresponding DC/DC converter, via PWM signals ( English acronym for “Pulse Width Modulation”) whose pulse widths are modulated.
  • PWM signals English acronym for “Pulse Width Modulation”
  • Analysis of the voltage supplied by the DC/DC converter makes it possible, for example, to optimize the efficiency of the DC/DC converter by adapting the setpoint transmitted to a storage block 115.
  • the duty cycle of the PWM signals or the frequency of the PWM signal can be analyzed.
  • the duty cycle makes it possible in particular to calibrate the output power and the efficiency of the DC/DC converter. While the frequency of the PWM signal makes it possible, for example, to optimize the efficiency of the DC/DC converter according to the output power of the DC/DC converter.
  • a device 440 for controlling the voltage at the output of the power supply unit 130 can also be included in the master block 120 in order for example to adapt the voltage on the bus 170 to the needs of the storage blocks 115.
  • the power supply unit 130 can advantageously comprise an energy storage module 450 supplying energy to the master unit 120 when the storage device 100 is placed on standby.
  • This storage module 450 which can be a cell or a battery, is independent of the elementary cells 108 in order in particular to limit the electrical consumption induced by the control of the switches 106, 107 when the device 100 for storing data is placed on standby. electric energy.
  • the storage device 100 can thus be optimized in terms of energy consumption.
  • the power supply 130 may also include a power supply circuit 460 connected to a bus 140 at the output of the storage pack 110 in order to self- powering the storage device 100 in an operating phase, that is to say outside standby.
  • the power supply circuit 460 can comprise a conversion module 470 making it possible to rectify an alternating current supplied by the bus 140.
  • the conversion module 470 generally comprises a rectifier bridge and a capacitor.
  • the first storage block 115i one terminal of which is connected to a ground of the electrical energy storage device 100, that is to say the storage block 115 having the lowest voltage in the storage pack 110 can advantageously be used to power the master block 120 instead of the power supply block 130 which will then only be used when starting up the device 100 for storing electrical energy.
  • Figure 5 illustrates in the form of a block diagram an example of implementation of a method 500 of managing the device 100 of storage according to the invention.
  • the management method 500 includes a first step 510 of determining a voltage setpoint for each storage block 115 from at least one general voltage and frequency setpoint.
  • the general setpoint(s) determine(s) the type of voltage, namely alternating or direct, or even the possible frequency of the voltage to be generated on a bus or of the voltages to be generated simultaneously on different buses 140 by the storage device 100.
  • the voltage setpoint can also advantageously comprise a bus number 140 associated with the current to be generated by the storage block 115.
  • a phase shift setpoint relative to a clock of the electronic storage device 100 can also be used in order to synchronize the generation of the current and/or the alternating voltage by different storage blocks 115 for the same bus 140.
  • the state of at least one connection sub-block 150 of a storage block 115 is modified during a second step 520, in particular by changing the state of switch 210 and/or switchable elements 230 of the H-bridge, in order to connect/disconnect the storage block 115 with respect to the corresponding bus 140 and/or to modify the polarity of the voltage generated by the switched cells 105 of the storage block 115.
  • the voltage setpoint for each storage block 115 also translates into a planning of the state of the switches of each switched cell 105 of the storage block 115 in order to generate the voltage expected by the setpoint.
  • the determination of the voltage setpoint for each storage block 115 takes into account the state of charge of the elementary cells 108 of each storage block 115, or even the temperature of the elementary cells 108.
  • the technology used for the cells 108 of a storage block 115 can also be taken into account in determining the setpoint for the storage block 115, certain technologies being able to be more adapted to the power requested, to variations in voltage and current, or even to temperature. It is thus possible, for example, to select storage blocks 115 comprising elementary cells 108 adapted to the high voltages associated in particular with the start-up of a load connected to the storage device 100.
  • the voltage setpoint can also correspond to a recharging of the elementary cells 108 of a storage block 115 from a bus 140 dedicated for the occasion to supply the corresponding storage block 115 .
  • the management method 500 can also include a step 530 of analyzing the voltage supplied by a storage block 115 to a bus 140.
  • step 530 the voltage supplied by the storage block 115 to the bus 140 is measured during a first sub-step 531 .
  • the measured voltage is then compared with the voltage expected by the voltage setpoint associated with the storage block 115 for the corresponding bus 140 during a second sub-step 532.
  • the storage block 115 is short-circuited by the control of the electronic switch 210 of the sub-block 150 for connection to the corresponding bus 140 during a fourth sub-step 534.
  • the instructions for implementing the management method 500 are advantageously implemented in an electronic component of the storage device 100, such as an integrated circuit or a programmable logic circuit.
  • the instructions for implementing the management method 500 can be stored inside a computer memory in order to be processed by a processor included in the storage device 100.
  • the storage device 100 can be in the form of a briefcase whose number of output connections is at least equal to the number of buses 140, in order to be easily carried by an individual who can move the device 100 storage in different locations depending on power supply needs.
  • the storage device 100 turns out to be a switched type battery, very modular. Indeed, the generated voltage(s) can be easily chosen according to the needs, for example thanks to a selector presented by the storage device 100.

Abstract

L'invention concerne un dispositif (100) de stockage d'une énergie électrique, comprenant une pluralité de cellules élémentaires commutées comprises à l'intérieur d'un pack (110) de stockage, un bloc maitre (120) et un bloc (130) d'alimentation alimentant le pack de stockage et le bloc maître avec une tension continue. Dans un tel dispositif de stockage, le pack de stockage est subdivisé en une pluralité de bloc (115) de stockage, chaque bloc de stockage comportant une pluralité de cellules commutées (105) et un sous-bloc logique de commande (160) de chaque cellule commutée dudit bloc de stockage. En outre chaque bloc de stockage comprend également au moins un sous-bloc de connexion (150) à un bus (140), chaque sous- bloc de connexion comportant un interrupteur électronique comprenant deux positions, une position dite connectée dans laquelle l'interrupteur électronique est ouvert afin que le bloc de stockage fournisse une tension au bus et une position dite de court-circuit dans laquelle l'interrupteur électronique est fermé.

Description

Dispositif de stockage et de génération concomitante d’au moins une tension électrique, et procédé de gestion associé
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[1] Le domaine de l’invention est celui de l’électronique.
[2] Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de stockage et de génération concomitante d’au moins une tension électrique, et un procédé de gestion associé.
[3] L’invention trouve notamment des applications pour alimenter avec une tension électrique, de type alternatif ou continu, n’importe quel type d’équipement électrique, dans des domaines d’application variées, telles que l’électronique grand public, les transports - dont l’automobile, le ferroviaire et l’aéronautique - ou tout autre domaine alimenté par un courant électrique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[4] Il est connu de l’art antérieur des techniques de batteries dites commutées permettant de fournir une tension de forme quelconque, et plus particulièrement de type continu ou de type alternatif à une fréquence donnée, à partir d’une tension continue stockée, par exemple sous une forme électrochimique, dans une pluralité de cellules élémentaires qui sont des entités capables de stoker et de restituer de l’énergie électrique, construites autour d’une ou plusieurs technologies.
[5] De telles techniques antérieures mettent en œuvre une stratégie de commutation particulière permettant de générer un unique signal de courant électrique ayant la forme appropriée en tension, voire en fréquence, en combinant par addition, par soustraction et/ou par inversion différents courants électriques provenant des cellules élémentaires.
[6] L’inconvénient majeur des techniques actuelles, outre le fait qu’elles génèrent qu’un unique courant électrique, défini par sa tension, de manière simultanée, est leur manque de fiabilité dans la qualité de la tension générée, notamment lors de la défaillance d’une cellule ou d’une partie des cellules. Lorsqu’une telle défaillance intervient, la performance des batteries commutées actuelles se dégrade, entraînant généralement un arrêt de la fourniture de courant en sortie de la batterie commutée. [7] Les techniques actuelles sont ainsi peu propices à une utilisation industrielle où la fiabilité de l’énergie fournie est primordiale.
[8] Enfin, un autre inconvénient majeur des techniques existantes est qu’elles ne sont généralement pas optimisées en termes de leur consommation énergétique intrinsèque car l’ensemble des contrôleurs des cellules individuelles composant la batterie sont alimentés, même lorsque la tension de sortie choisie nécessite le fonctionnement que d’une seule partie des cellules parmi l’ensemble des cellules individuelles composant la batterie commutée. Cette consommation excessive entraîne une alimentation annexe conséquente ou une baisse de l’autonomie des batteries commutées notamment lorsqu’elles s’auto-alimentent en courant.
[9] Aucun des systèmes actuels ne permet de répondre simultanément à tous les besoins requis, à savoir de proposer une technique de batterie commutée qui offre la possibilité de générer de multiples courants de manière simultanée avec une consommation énergétique optimisée, tout en étant aisément industrialisable, et en ayant une gestion et une maintenance aisée en cas de défaillance d’une partie des cellules de la batterie commutée.
EXPOSÉ DE L’INVENTION
[10] La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique cités ci-dessus.
[11] À cet effet, l’invention vise, selon un premier aspect, un dispositif de stockage d’une énergie électrique, comprenant une pluralité de cellules élémentaires commutées comprises à l’intérieur d’un pack de stockage, un bloc maître et un bloc d’alimentation alimentant le pack de stockage et le bloc maître avec un courant continu.
[12] Un tel dispositif de stockage, couramment appelée sous le terme de batterie commutée, permet de fournir un courant électrique de forme quelconque avec une tension comprise dans une plage prédéterminée, par exemple entre 0 et 220 V.
[13] Une cellule élémentaire est dite commutée lorsqu’elle est associée avec au moins un commutateur permettant de modifier la connexion de la cellule élémentaire à un circuit électronique, et par conséquent la tension fournie par la cellule élémentaire audit circuit électronique.
[14] Il convient de souligner qu’une cellule élémentaire commutée peut être quelconque combinant une ou plusieurs cellules élémentaires avec un ou plusieurs commutateurs. Le positionnement dans la cellule élémentaire commutée de la ou des cellule(s) élémentaire(s) et du ou des commutateur(s) peut être également être quelconque, soit en série ou en parallèle, dans la mesure où la gestion des commutateurs permet de contrôler la tension aux bornes de la cellule élémentaire commutée.
[15] Par la suite, on entendra par cellule élémentaire commutée, voire cellule commutée, l’ensemble cellule(s) élémentaire(s) et commutateur(s) associé(s).
[16] Préférentiellement, la cellule élémentaire commutée correspond à une cellule élémentaire connectée en série avec un premier commutateur, la cellule élémentaire et le premier commutateur commandable pouvant être court-circuités par un deuxième commutateur placé en parallèle.
[17] Les commutateurs de la cellule élémentaire sont généralement de type commandables électroniquement. De tels commutateurs sont par exemple des transistors, plus particulièrement des transistors à effet de champ, également appelé sous l’acronyme angle FET (« Field Effect Transistor »), voire des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde, également appelé sous l’acronyme anglais MOSFET (« Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor »), ou de tout autre type connu de l’homme du métier.
[18] Selon l’invention, le pack de stockage est subdivisé en une pluralité de bloc de stockage, chaque bloc de stockage comportant une pluralité de cellules élémentaires commutées et un sous-bloc logique de commande de chaque cellule élémentaire commutée dudit bloc de stockage.
[19] En outre, chaque bloc de stockage comprend également au moins un sous-bloc de connexion à un bus, chaque sous-bloc de connexion comportant un interrupteur électronique comprenant deux positions, une position dite connectée dans laquelle le bloc de stockage fournit un courant au bus et une position dite de court-circuit dans laquelle le bloc de stockage associé est court-circuité.
[20] En d’autres termes, dans la position connectée, l’interrupteur électronique est ouvert afin que le bloc de stockage fournisse une tension au bus. Dans la position de court-circuit, l’interrupteur est fermé dans le but de déconnecter le bloc de stockage du bus. En outre, chaque bloc de stockage comprend avantageusement un moyen d’isolation du bus soit par l’intermédiaire d’un pont en Fl où les commutateurs sont ouverts dans la position de court-circuit, soit directement au niveau des cellules commutées par l’ouverture des commutateurs de chaque cellule commutée. Dans les deux cas, l’isolation par rapport au bus permet d’éviter d’endommager les cellules élémentaires ou de créer des courts-circuits entre les différents bus.
[21] Ainsi, grâce à l’interrupteur électronique, il est possible de gérer indépendamment chaque bloc de stockage en ayant la possibilité de les connecter et les déconnecter du bus en fonction de leur état de charge et de leur performance, notamment en termes de rendement.
[22] En d’autres termes, par l’intermédiaire d’un sous-bloc de connexion, il est possible de gérer la connexion ou la déconnexion d’un bloc de stockage du pack de stockage par rapport à un bus en fonction notamment d’une consigne générale de tension et de fréquence du courant électrique à générer par le dispositif électronique de stockage d’énergie électrique. La gestion des connexions est également fonction de l’état de charge des cellules élémentaires du bloc de stockage, voire d’une analyse de la tension fournie par le bloc de stockage par rapport à une tension escomptée, calculée en fonction de la consigne générale.
[23] Grâce à la subdivision en blocs et à la présence d’un sous-bloc de connexion, un bloc de stockage jugé défaillant dans la fourniture de courant électrique, défini par sa tension, au bus peut ainsi être mis hors circuit afin d’éviter une dégradation complète du fonctionnement de la batterie commutée.
[24] En multipliant les sous-blocs de connexion et par conséquent les bus, il est possible de générer simultanément plusieurs types de tension avec le même pack de stockage. Il est également possible de gérer un chargement d’une partie du pack de stockage concomitamment à la génération d’un courant par une autre partie du pack de stockage. L’architecture électronique objet de la présente invention offre ainsi de multiples avantages techniques non prévues par les architectures de l’art antérieur.
[25] Il est ainsi possible par exemple de générer sur un bus un courant alternatif avec une tension de 220 V à la fréquence de 50 Hz et sur un autre bus un courant continu avec une tension de 48 V. En parallèle, un troisième bus peut être utilisé pour charger des cellules élémentaires d’un bloc de stockage non utilisé pour la génération des tensions sur les deux premiers bus.
[26] Il convient également de souligner que le bloc d’alimentation du dispositif de stockage d’énergie électrique est avantageusement distinct du ou des bloc(s) de stockage, l’énergie stockée dans le pack de stockage servant uniquement pour la génération du ou des courant(s) fourni(s) par le dispositif électronique de stockage et de génération d’un courant. [27] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’interrupteur électronique d’au moins un sous-bloc de connexion d’un bloc de connexion à un bus est de type galvaniquement isolé.
[28] Ainsi, il est possible de connecter un bloc de stockage à un bus de manière sécurisée, la tension au niveau dudit bus en sortie du pack de stockage pouvant être importante.
[29] Préférentiellement, l’interrupteur électronique est composé d’au moins un transistor qui peut être de type à effet de champ (FET), voire à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET), ou de tout autre type connu de l’homme du métier.
[30] Un tel transistor est préférentiellement de type galvaniquement isolé.
[31] Il convient de souligner qu’un transistor comprend généralement trois bornes, l’une généralement appelée grille ou base, contrôlant le courant circulant entre les deux autres bornes, appelées généralement drain et source, ou collecteur et récepteur.
[32] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’interrupteur électronique comprend deux transistors connectés en série, de manière inversée.
[33] Ainsi, la circulation du courant à travers l’interrupteur électronique peut être effectuée dans les deux sens.
[34] Deux transistors sont connectés de manière inversée par exemple lorsque les sources, ou les récepteurs, des deux transistors sont branchées en commun.
[35] Il convient de par ailleurs de souligner que les bornes grilles ou bases sont généralement branchées en commun sur un composant électronique permettant de commander l’état des transistors composant l’interrupteur électronique.
[36] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de stockage comprend un optocoupleur configuré pour commander l’état de l’interrupteur électronique.
[37] Préférentiellement, un sous-bloc de connexion comprend un optocoupleur configuré pour commander l’état de l’interrupteur électronique.
[38] Préférentiellement, l’optocoupleur comprend une diode électroluminescente en regard d’un récepteur photovoltaïque.
[39] Ainsi, l’optocoupleur peut fonctionner sans consommation énergétique, ce qui permet d’optimiser la consommation énergétique du dispositif de stockage. [40] Avantageusement, le récepteur photovoltaïque est composé d’au moins une diode, préférentiellement trois diodes, dite(s) photovoltaïque(s), configurée(s) pour générer une tension lorsqu’elles sont éclairées par la diode électroluminescente.
[41] Dans des modes de réalisations particuliers de l’invention, l’optocoupleur comprend également un circuit permettant de décharger le récepteur photovoltaïque.
[42] Ainsi, il est possible de minimiser la déperdition énergétique, par chaleur, au niveau de l’interrupteur électronique, notamment lorsque l’interrupteur électronique passe à un état de court-circuit.
[43] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, au moins un sous-bloc de connexion à un bus d’au moins un bloc de stockage comprend également un pont en H configuré pour inverser la tension en sortie du bloc de stockage correspondant, le pont en H comprenant quatre éléments commutables.
[44] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, au moins un bloc de stockage comprend également un circuit logique commandant l’état de l’interrupteur électronique d’au moins un sous-bloc de connexion à partir de l’analyse d’informations caractérisant le pont en H, et/ou l’état de charge du bloc de stockage.
[45] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, les éléments de commutation du pont en H sont des transistors et les informations analysées par le bloc logique comprennent une grille de tension desdits transistors du pont en H.
[46] Plus particulièrement, les transistors du pont en H peuvent être des transistors à effet de champ, voire des transistors à effet de champ à grill métal oxyde, ou tout autre type connu de l’homme du métier.
[47] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de stockage comprend une pluralité de bus, chaque bus étant connecté en sortie d’un sous-bloc de connexion distinct de chaque bloc de stockage.
[48] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, chaque bloc de stockage comprend également :
- un circuit de commande de tout ou partie des commutateurs associés aux cellules élémentaires ;
- un convertisseur DC/DC alimentant le circuit de commande à partir de la tension fournie par le bloc d’alimentation.
[49] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le bloc maître est configuré pour contrôler les blocs de stockage via au moins l’un des éléments suivants : - un bus de commande reliant le bloc maitre et chaque bloc de stockage ;
- un générateur d’une consigne de tension et/ou de fréquence du courant à produire pour chaque bloc de stockage, le circuit de stockage de chaque bloc de stockage concerné commandant tout ou partie des commutateurs associés aux cellules élémentaires en fonction de la consigne reçue par ledit bloc de stockage ;
- un générateur de signaux permettant de commander l’état d’au moins un interrupteur commandable afin de court-circuiter au moins un bloc de stockage ;
- un dispositif d’analyse de la puissance fournie par le convertisseur DC/DC de chaque bloc de stockage et du rendement associé, par l’intermédiaire de signaux PWM ;
- un dispositif de commande de la tension en sortie du bloc d’alimentation.
[50] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le bloc d’alimentation comprend :
- un module de stockage d’énergie permettant de fournir de l’énergie lors de la mise en veille du dispositif de stockage ;
- un circuit d’alimentation connecté en sortie du pack de stockage.
[51] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le bloc d’alimentation comprend un module de conversion de la tension en entrée du bloc d’alimentation lorsque la tension fourni est de type alternatif, ledit module de conversion comprenant un pont redresseur et un condensateur.
[52] Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de stockage d’énergie électrique comprend également un circuit d’alimentation reliant un bloc de stockage au bloc maitre afin de fournir une tension audit bloc maitre.
[53] Préférentiellement, le circuit d’alimentation comprend une isolation galvanique.
[54] Il convient de souligner que l’isolation galvanique est nécessaire uniquement si le bloc de stockage utilisé pour alimenter le bloc maitre ne partage pas la masse avec le bloc maitre.
[55] L’invention vise également, selon un deuxième aspect, un procédé de gestion du dispositif de stockage selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, ledit procédé de gestion comprenant des étapes de :
- détermination d’une consigne de tension pour chaque bloc de stockage à partir d’une consigne générale de tension et de fréquence ; - modification de l’état d’au moins un sous-bloc de connexion d’un bloc de stockage en fonction de la consigne de tension déterminée précédemment.
[56] Il convient de souligner que la consigne générale de tension et de fréquence permet d’obtenir un courant ayant une tension et une fréquence données. La valeur de la tension est comprise par exemple entre 0 et 400 V. La valeur de la fréquence est comprise quant à elle par exemple entre 0 (courant continu) et 100 Hz. Généralement, la consigne générale pour la génération d’une tension correspond à des valeurs standards de tension de courant électrique alternatif (120 ou 230 V, 50 ou 60 Hz) ou de tension de courant électrique continu (par exemple 12 ou 48 V).
[57] Par ailleurs, un convertisseur peut être avantageusement ajouté en sortie pour fournir une tension continue de 5 V à partir d’une tension plus élevée.
[58] Dans des modes particuliers de mise en œuvre de l’invention, le procédé de gestion comprend également une étape d’analyse de la tension fournie par un bloc de stockage à un bus, ladite analyse comprenant des sous-étapes de :
- mesure de la tension fournie par ledit bloc de stockage audit bus ;
- comparaison de la tension mesurée par rapport à la tension escomptée par la consigne de tension associée audit bloc de stockage ;
- identification dudit bloc de stockage défaillant lorsque la différence entre la tension mesurée et la tension escomptée pour ledit bloc de stockage est en valeur absolue supérieure à une valeur seuil prédéterminée ;
- si ledit bloc de stockage est identifié comme défaillant, court-circuitage dudit bloc de stockage par la commande de l’interrupteur électronique du sous-bloc de connexion audit bus.
[59] Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, la détermination de la consigne de tension pour chaque bloc de stockage tient compte de l’état de charge de chaque bloc de stockage.
[60] Enfin, l’invention vise selon un troisième aspect un composant électronique stockant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de gestion selon l’un quelconque des modes de mise en œuvre précédents.
[61] Un tel composant électronique est généralement inclus dans un dispositif électronique de stockage et de génération d’un courant selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. [62] Le composant peut être par exemple un microcontrôleur, un circuit logique programmable, notamment de type FPGA (acronyme du terme anglais « Field- programmable gâte array ») ou tout autre composant électronique connu de l’homme du métier.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
[63] D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier des dispositifs et des procédés objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma électronique d’un exemple de mode de réalisation du dispositif de stockage d’énergie électrique selon l’invention ;
- la figure 2 est un schéma électronique détaillé d’une partie d’un bloc de stockage du dispositif de stockage d’énergie électrique de la figure 1 ;
- la figure 3 est un exemple de mode de réalisation d’un sous-bloc de connexion du bloc de stockage de la figure 2 ;
- la figure 4 est un autre schéma électronique du dispositif de stockage d’énergie électrique de la figure 1 ;
- la figure 5 est un schéma synoptique d’un exemple de mise en œuvre d’un procédé de gestion du dispositif de stockage d’énergie électrique de la figure 1.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION
[64] La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
[65] On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.
Exemple d’un mode de réalisation particulier
[66] La figure 1 est un schéma électronique du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique selon l’invention.
[67] Le dispositif 100 de stockage d’énergie électrique comprend une pluralité de cellules élémentaires commutées 105 formant un pack 110 de stockage, un bloc maître 120 pilotant la génération d’une tension par les cellules élémentaires du pack 110 de stockage et un bloc 130 d’alimentation avantageusement galvaniquement isolé. [68] Une cellule élémentaire stocke de l’énergie électrique, par exemple sous forme électrochimique par un phénomène d’oxydo-réduction. Une technologie classique de cellule élémentaire est basée sur des échanges réversibles d’ions lithium entre deux électrodes.
[69] On entend par cellule élémentaire commutée une cellule élémentaire stockant associée à au moins un commutateur permettant de piloter le chargement / déchargement de la cellule élémentaire. Comme illustré dans l’encart de la figure 1 , la cellule élémentaire commutée 105 comprend préférentiellement deux commutateurs, un premier 106 connecté en série de la cellule élémentaire 108 et un deuxième 107 connecté en parallèle du premier commutateur 106 et de la cellule élémentaire 108.
[70] Il convient de souligner que la cellule élémentaire commutée 105 présentée dans le présent exemple non limitatif de l’invention peut être généralisée par l’homme du métier à tout type d’architecture comprenant au moins une cellule élémentaire et au moins un commutateur, placés indépendamment en série et/ou en parallèle, dans la mesure où le ou le(s) commutateur(s) permettent de contrôler la tension aux bornes de la cellule élémentaire commutée.
[71] Le dispositif électronique 100 est ici configuré avec quatre bus 140 en sortie du pack 110 de stockage permettant de générer simultanément jusqu’à quatre tensions distinctes, continue ou alternative. Un des bus 140 peut également être utilisé en parallèle pour charger tout ou partie des cellules élémentaires 108 du pack 110 de stockage.
[72] Les cellules élémentaires commutées 105 sont avantageusement réparties dans le présent exemple non limitatif de l’invention entre trois blocs 115 de stockage du pack 110 de stockage et peuvent fournir une tension à au moins un bus 140 par l’intermédiaire d’au moins un des quatre sous-blocs 150 de connexion compris dans le bloc 115 de stockage. Les cellules commutées 105 d’un bloc 115 de stockage sont plus précisément comprises dans un sous-bloc 116 de stockage du bloc 115 correspondant. Dans le présent exemple non limitatif de l’invention, chaque bloc 115 de stockage comprend quatre cellules commutées 105.
[73] Il convient de souligner que le nombre de blocs 115 de stockage et de sous-blocs 150 de connexion est quelconque, fixé en fonction de l’architecture électronique souhaitée. L’homme du métier de l’électronique pourra sans difficultés généraliser le présent exemple de mode de réalisation à un dispositif électronique comportant une pluralité de blocs de stockage, chaque bloc comportant au moins un sous-bloc de connexion à un bus.
[74] Par ailleurs, les blocs 115 de stockage sont identiques dans le présent exemple non limitatif de l’invention mais l’homme du métier pourra sans difficulté généraliser le présent exemple à des blocs 115 de stockage comprenant un nombre de cellules commutées quelconques.
[75] Chaque sous-bloc 150 de connexion permet de connecter ou déconnecter le bloc de stockage 115 correspondant à un bus 140 en fonction d’une consigne déterminée par le bloc maitre 120 à partir d’une consigne générale de tension et de fréquence du courant à générer en sortie du dispositif 100 de stockage.
[76] Les cellules commutées 105 sont comprises à l’intérieur d’un sous-bloc 116 de connexion qui est piloté par un sous-bloc 160 de commande, relié au bloc maitre 120 par l’intermédiaire d’un bus 165 de commande.
[77] Chaque bloc 115 de stockage comprend également un convertisseur DC/DC de tension continue permettant de convertir l’alimentation fournie par le bloc 130 d’alimentation par l’intermédiaire d’un bus 170 d’alimentation, et d’alimenter le sous- bloc 160 de commande afin de piloter les commutateurs 106, 107 des cellules commutées 105 et les sous-blocs 150 de connexion.
[78] La figure 2 illustre de manière plus détaillée le schéma électronique du sous-bloc 116 de stockage et des sous-blocs 150 de connexion d’un bloc 115 de stockage du dispositif électronique 100.
[79] Le sous-bloc 116 de stockage comprend sur cette figure 2 quatre cellules élémentaires commutées 105 connectées en série. Il convient de souligner que l’architecture du sous-bloc 116 de stockage peut être quelconque, combinant des cellules élémentaires commutées en série et/ou en parallèle.
[80] Le sous-bloc 116 de stockage est connecté sur la figure 2 à des sous-blocs 150 de connexion permettant de gérer la connexion ou le court-circuitage du sous-bloc 116 par rapport à au moins un bus 140.
[81] A cet effet, chaque sous-bloc 150 de connexion comprend un interrupteur 210 permettant de connecter le bus 140 correspondant aux bornes 220 du sous-bloc 116 de stockage.
[82] L’interrupteur 210 est préférentiellement de type galvaniquement isolé afin de permettre la connexion et la déconnexion au bus 140 de manière sécurisée. A cet effet, l’interrupteur électronique 210 peut être par exemple composé d’au moins un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, également connu sous l’acronyme MOSFET. En outre, dans la mesure où l’interrupteur 210 est galvaniquement isolé, il est possible de déconnecter complètement un bloc 115 de stockage qui a alors une consommation d’énergie électrique nulle. L’alimentation du convertisseur DC/DC du bloc 115 de stockage correspondant peut alors être arrêté dans un souci de gestion de l’énergie électrique.
[83] Afin de contrôler la polarité de la tension fournie par le sous-bloc 116 de stockage aux bornes de l’interrupteur 210, le bloc 115 de stockage comprend également un pont en H formé par quatre éléments commutables 230.
[84] Lorsque le bloc 115 de stockage est connecté à un bus 140, l’interrupteur 210 du sous-bloc 150 de connexion correspondant est ouvert, la tension aux bornes dudit interrupteur 210 étant égale à la tension aux bornes 220 éventuellement inversée par le pont en H.
[85] Inversement, lorsque le bloc 115 de stockage est déconnecté dudit bus 140, l’interrupteur 210 est dans un état fermé permettant de court-circuiter le bloc 115 de stockage qui ne fournit alors aucune tension au bus 140. Avantageusement, les éléments commutables 230 du pont en H sont dans un état ouvert afin de déconnecter le bloc 115 de stockage du bus 140 et d’éviter un court-circuit entre les bornes 220, notamment lorsque le bloc 115 de stockage est connecté simultanément à un autre bus 140.
[86] La figure 3 illustre un exemple de mode de réalisation avantageux d’un sous-bloc 150 de connexion dans lequel l’interrupteur électronique 210 comprend deux transistors MOSFET 350, préférentiellement commandés par un optocoupleur 310.
[87] L’optocoupleur 310 peut être avantageusement du type statique - type couramment connu sous le terme anglais « Solid State Relay » - comprenant une diode électroluminescente 311 , couramment appelée sous l’acronyme LED du terme anglais « Light Emitting Diode »), en regard d’un récepteur photovoltaïque 312, permettant ainsi de s’affranchir d’une alimentation secondaire pour le fonctionnement de l’optocoupleur 310. Un tel optocoupleur 310 permet de fournir une tension basée sur la puissance de la LED pour commander les deux transistors MOSFET de l’interrupteur 210. Il est ainsi possible d’optimiser la consommation électrique du sous- bloc de connexion 150. Dans le présent exemple non limitatif de l’invention, le récepteur photovoltaïque 312 comprend trois diodes photovoltaïques 313 aptes à générer une tension électrique fonction de l’intensité lumineuse émise par la LED et reçue par la diode photovoltaïque 313.
[88] Alternativement, les deux transistors MOSFET 350 de l’interrupteur 210 peuvent être commandés par le bloc logique 320 à partir des informations fournies par les tensions de grilles des transistors MOSFET composant dans le présent exemple non limitatif de l’invention les éléments commutables 230 du pont en H. D’autres informations, comme par exemple l’alimentation en sortie du convertisseur DC/DC du bloc 115 de stockage, peuvent être prises en compte alternativement ou en complément des tensions de grille du pont en Fl pour commander l’interrupteur 210.
[89] Préférentiellement, les deux transistors MOSFET 350 de l’interrupteur 210 partagent leurs sources afin de pouvoir effectuer plus efficacement le court-circuitage du bloc 115 de stockage connecté au bus 140, en permettant au courant de circuler avantageusement dans les deux sens. Il convient en effet de souligner qu’un transistor MOSFET 350 permet de bloquer la circulation d’un courant dans le sens du drain vers la source en fonction de la tension appliquée à la grille du transistor MOSFET 350 mais reste passant pour la circulation du courant dans l’autre sens, c’est-à-dire de la source vers le drain, à travers une diode équivalente 355 qui a été illustrée par soucis de clarté, en parallèle du transistor MOSFET 350 sur la figure 3.
[90] Il convient de souligner que ce schéma électronique peut être adapté à d’autres types de transistors, en particulier à des transistors aptes à bloquer la circulation du courant dans les deux sens.
[91] L’optocoupleur 310 peut également comprendre un circuit 315 en parallèle du récepteur photovoltaïque 312 afin de décharger le récepteur photovoltaïque 312 notamment lors d’un changement d’état de l’interrupteur 210, ouvert ou fermé.
[92] Comme illustré sur la figure 4, le bloc maître 120 est configuré pour contrôler les blocs 115 de stockage du pack 110 en communiquant des instructions via le bus de commande 165 reliant le bloc maître 120 à chaque bloc 115 de stockage.
[93] A cet effet, le bloc maître 120 comprend un générateur 410 d’une consigne de tension, de fréquence, voire de déphasage pour un bloc 115 de stockage. La consigne est transmise au bloc 115 de stockage qui traite la consigne par l’intermédiaire du sous-bloc logique 160. La consigne est traduite par le sous-bloc logique 160 en une planification de commande des commutateurs 106, 107 des cellules commutées 105 afin de générer un courant selon une tension et une fréquence donnée, voire avec un déphasage par rapport à un temps prédéterminé. [94] La consigne peut également se traduire par une commande d’au moins un sous- bloc 150 de connexion afin de fournir le courant défini par une tension à au moins un bus 140. Cette commande peut être effectuée par l’intermédiaire du sous-bloc logique 160 du bloc 115 de stockage ou par l’intermédiaire d’un générateur 420 de signaux compris dans le bloc maitre 120. Ce générateur 420 de signaux transmet des signaux dont la tension permet de commander directement les interrupteurs électroniques 210, chaque signal généré étant relié par exemple à la diode 311 de chaque optocoupleur 310.
[95] Le bloc maitre 120 peut également comprendre un dispositif 430 d’analyse de la puissance fournie par le convertisseur DC/DC de chaque bloc 115 de stockage et du rendement du convertisseur DC/DC correspondant, par l’intermédiaire de signaux PWM (acronyme anglais de « Puise Width Modulation ») dont les largeurs d’impulsions sont modulées. L’analyse de la tension fournie par le convertisseur DC/DC permet par exemple d’optimiser le rendement du convertisseur DC/DC en adaptant la consigne transmise à un bloc 115 de stockage. A cet effet, le rapport cyclique des signaux PWM ou la fréquence du signal PWM peut être analysé(e). Le rapport cyclique permet notamment de calibrer la puissance en sortie et le rendement du convertisseur DC/DC. Tandis que la fréquence du signal PWM permet par exemple d’optimiser le rendement du convertisseur DC/DC en fonction de la puissance en sortie du convertisseur DC/DC.
[96] Un dispositif 440 de commande de la tension en sortie du bloc d’alimentation 130, par exemple de type microcontrôleur, peut également être compris dans le bloc maitre 120 afin par exemple d’adapter la tension sur le bus 170 aux besoins des blocs 115 de stockage.
[97] Par ailleurs, le bloc d’alimentation 130 peut avantageusement comprendre un module 450 de stockage d’énergie fournissant de l’énergie au bloc maitre 120 lors de la mise en veille du dispositif 100 de stockage. Ce module 450 de stockage, qui peut être une pile ou une batterie, est indépendant des cellules élémentaires 108 afin notamment de limiter la consommation électrique induite par la commande des commutateurs 106, 107 lors de la mise en veille du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique. Le dispositif 100 de stockage peut ainsi être optimisé en termes de consommation énergétique.
[98] Le bloc d’alimentation 130 peut également comprendre un circuit 460 d’alimentation connecté à un bus 140 en sortie du pack 110 de stockage afin d’auto- alimenter le dispositif 100 de stockage dans une phase de fonctionnement, c’est-à- dire hors mise en veille.
[99] Avantageusement, le circuit 460 d’alimentation peut comprendre un module de conversion 470 permettant de redresser un courant alternatif fourni par le bus 140. Le module de conversion 470 comprend généralement un pont redresseur et un condensateur.
[100] De manière préférentielle, le premier bloc 115i de stockage dont une borne est connectée à une masse du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique, c’est-à-dire le bloc 115 de stockage ayant la tension la plus faible dans le pack 110 de stockage, peut être avantageusement utilisé pour alimenter le bloc maître 120 à la place du bloc 130 d’alimentation qui ne sera alors utilisé que lors du démarrage du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique.
[101] Il est également possible d’alimenter le bloc maître 120 par n’importe quel autre bloc 115 de stockage à condition d’ajouter une isolation galvanique dans la connexion entre le bloc 115 de stockage choisi et le bloc maître 120 à cause de la différence de tension du bloc 115 de stockage choisi qui ne partage pas la même masse que le bloc maître 120.
[102] La figure 5 illustre sous la forme d’un schéma synoptique un exemple de mise en œuvre d’un procédé 500 de gestion du dispositif 100 de stockage selon l’invention.
[103] Le procédé 500 de gestion comprend une première étape 510 de détermination d’une consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage à partir d’au moins une consigne générale de tension et de fréquence. La ou les consigne(s) générale(s) détermine(nt) le type de tension, à savoir alternatif ou continu, voire la fréquence éventuelle de la tension à générer sur un bus ou des tensions à générer simultanément sur des bus 140 différents par le dispositif 100 de stockage. Dans le cas d’une pluralité de bus 140, la consigne de tension peut également comprendre avantageusement un numéro de bus 140 associé au courant à générer par le bloc 115 de stockage. Une consigne de déphasage par rapport à une horloge du dispositif électronique 100 de stockage peut également être utilisée afin de synchroniser la génération du courant et/ou de la tension alternative par différents blocs 115 de stockage pour un même bus 140.
[104] A partir de la consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage, l’état d’au moins un sous-bloc 150 de connexion d’un bloc 115 de stockage est modifié au cours d’une deuxième étape 520, notamment en changeant l’état de l’interrupteur 210 et/ou des éléments commutables 230 du pont en H, afin de connecter/déconnecter le bloc 115 de stockage par rapport au bus 140 correspondant et/ou de modifier la polarité de la tension générée par les cellules commutées 105 du bloc 115 de stockage.
[105] Il convient de souligner que la consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage se traduit également par une planification de l’état des commutateurs de chaque cellule commutées 105 du bloc 115 de stockage afin de générer la tension escomptée par la consigne.
[106] Avantageusement, la détermination de la consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage tient compte de l’état de charge des cellules élémentaires 108 de chaque bloc 115 de stockage, voire de la température des cellules élémentaires 108. La technologie utilisée pour les cellules 108 d’un bloc 115 de stockage peut également être pris en compte dans la détermination de la consigne pour le bloc 115 de stockage, certaines technologies pouvant être plus adaptées à la puissance demandée, aux variations de tension et de courant, voire à la température. Il est ainsi possible par exemple de sélectionner des blocs 115 de stockage comprenant des cellules élémentaires 108 adaptées aux fortes tensions liées notamment au démarrage d’une charge connectée au dispositif 100 de stockage.
[107] Il convient également de souligner que la consigne de tension peut également correspondre à un rechargement des cellules élémentaires 108 d’un bloc 115 de stockage à partir d’un bus 140 dédié pour l’occasion pour alimenter le bloc 115 de stockage correspondant.
[108] Grâce à l’architecture électronique du dispositif 100 de stockage, notamment par la présence d’une pluralité de bus 140 et de sous-blocs 150 de connexion, il est ainsi possible de charger et/ou de décharger un ou plusieurs bloc(s) 115 de stockage de manière indépendante et concomitante.
[109] Le procédé 500 de gestion peut également comprendre une étape 530 d’analyse de la tension fournie par un bloc 115 de stockage à un bus 140.
[110] Au cours de cette étape 530 d’analyse, la tension fournie par le bloc 115 de stockage au bus 140 est mesurée au cours d’une première sous-étape 531 .
[111] La tension mesurée est ensuite comparée à la tension escomptée par la consigne de tension associée au bloc 115 de stockage pour le bus 140 correspondant au cours d’une deuxième sous-étape 532.
[112] Lorsque la différence entre la tension mesurée et la tension escomptée pour le bloc 115 de stockage est supérieure en valeur absolue à une valeur prédéterminée, le bloc 115 de stockage est identifié comme défaillant au cours d’une troisième sous- étape 533.
[113] Alors, le bloc 115 de stockage, considéré comme défaillant, est court-circuité par la commande de l’interrupteur électronique 210 du sous-bloc 150 de connexion au bus 140 correspondant au cours d’une quatrième sous-étape 534.
[114] Les instructions pour la mise en œuvre du procédé 500 de gestion sont avantageusement implémentées dans un composant électronique du dispositif 100 de stockage, tel qu’un circuit intégré ou un circuit logique programmable. Alternativement, les instructions pour la mise en œuvre du procédé 500 de gestion peuvent être stockées à l’intérieur d’une mémoire informatique en vue d’être traitées par un processeur compris dans le dispositif 100 de stockage.
[115] Le dispositif 100 de stockage peut se présenter sous la forme d’une mallette dont le nombre de connexion en sortie est au moins égal au nombre de bus 140, afin d’être aisément porté par un individu qui peut déplacer le dispositif 100 de stockage en différents endroits en fonction des besoins d’alimentation électrique.
[116] Grâce à l’architecture présentée ici, le dispositif 100 de stockage se révèle être une batterie de type commutée, très modulable. En effet, la ou les tension(s) générée(s) peuvent être aisément choisi(s) en fonction des besoins, par exemple grâce à un sélecteur présenté par le dispositif 100 de stockage.

Claims

Revendications
1. Dispositif (100) de stockage d’une énergie électrique, comprenant une pluralité de cellules élémentaires commutées comprises à l’intérieur d’un pack (110) de stockage, un bloc maître (120) et un bloc (130) d’alimentation alimentant le pack de stockage et le bloc maître avec une tension continue, ledit dispositif de stockage étant caractérisé en ce que le pack de stockage est subdivisé en une pluralité de bloc (115) de stockage, chaque bloc de stockage comportant une pluralité de cellules commutées (105) et un sous-bloc logique (160) de commande de chaque cellule commutée dudit bloc de stockage, chaque cellule commutée comprenant au moins une cellule élémentaire et au moins un commutateur, et en ce que chaque bloc de stockage comprend également au moins un sous-bloc de connexion (150) à un bus (140), chaque sous-bloc de connexion comportant un interrupteur électronique (210) comprenant deux positions, une position dite connectée dans laquelle l’interrupteur électronique est ouvert afin que le bloc de stockage fournit une tension au bus et une position dite de court-circuit dans laquelle l’interrupteur électronique est fermé.
2. Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’interrupteur électronique est de type galvaniquement isolé.
3. Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’interrupteur électronique est composé d’au moins un transistor (350) à effet de champ à grille métal-oxyde.
4. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un optocoupleur (310) configuré pour commander l’état de l’interrupteur électronique.
5. Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’optocoupleur comprend une diode électroluminescente (311) en regard d’un récepteur photovoltaïque (312).
6. Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’optocoupleur comprend également un circuit (315) permettant de décharger le récepteur photovoltaïque.
7. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un sous-bloc de connexion à un bus d’au moins un bloc de stockage comprend également un pont en H configuré pour inverser la tension en sortie du bloc de stockage correspondant, le pont en H comprenant quatre éléments commutables (230).
8. Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel au moins un bloc de stockage comprend également un circuit logique (320) commandant l’état de l’interrupteur électronique d’au moins un sous-bloc de connexion à partir de l’analyse d’informations caractérisant le pont en H, et/ou l’état de charge du bloc de stockage.
9. Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel les éléments de commutation du pont en H sont des transistors et les informations analysées par le bloc logique comprennent une grille de tension desdits transistors du pont en H.
10. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de bus, chaque bus étant connecté en sortie d’un sous- bloc de connexion distinct de chaque bloc de stockage.
11. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque bloc de stockage comprend également un convertisseur DC/DC alimentant le circuit de commande à partir de la tension fournie par le bloc d’alimentation.
12. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc maître est configuré pour contrôler les blocs de stockage via au moins l’un des éléments suivants :
• un bus de commande (165) reliant le bloc maître et chaque bloc de stockage ;
• un générateur (410) d’une consigne de tension et/ou de fréquence du courant à produire pour chaque bloc de stockage, le circuit de stockage de chaque bloc de stockage concerné commandant tout ou partie des commutateurs associés aux cellules élémentaires en fonction de la consigne reçue par ledit bloc de stockage ;
• un générateur (420) de signaux permettant de commander l’état d’au moins un interrupteur commandable afin de modifier l’état de connexion à au moins un bus d’au moins un bloc de stockage ;
• un dispositif (430) d’analyse de la puissance fournie par le convertisseur DC/DC de chaque bloc de stockage et du rendement dudit convertisseur DC/DC, par l’intermédiaire de signaux PWM ;
• un dispositif (440) de commande de la tension en sortie du bloc d’alimentation.
13. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc d’alimentation comprend :
• un module (450) de stockage d’énergie permettant de fournir de l’énergie au bloc maitre lors de la mise en veille du dispositif de stockage ;
• un circuit (460) d’alimentation connecté en sortie du pack de stockage.
14. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc d’alimentation comprend un module de conversion du courant en entrée du bloc d’alimentation lorsque le courant fourni est de type alternatif, ledit module de conversion comprenant un pont redresseur et un condensateur.
15. Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant également un circuit d’alimentation reliant un bloc de stockage au bloc maitre afin de fournir une tension audit bloc maitre.
16. Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel le circuit d’alimentation comprend une isolation galvanique.
17. Procédé de gestion du dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit procédé de gestion comprenant des étapes de :
• détermination d’une consigne de tension pour chaque bloc de stockage à partir d’au moins une consigne générale de tension et de fréquence ;
• modification de l’état d’au moins un sous-bloc de connexion d’un bloc de stockage en fonction de la consigne de tension déterminée précédemment.
18. Procédé de gestion selon la revendication précédente, comprenant également une étape d’analyse de la tension fournie par un bloc de stockage à un bus, ladite étape d’analyse comprenant des sous-étapes de :
• mesure de la tension fournie par ledit bloc de stockage audit bus ;
• comparaison de la tension mesurée par rapport à la tension escomptée par la consigne de courant associée audit bloc de stockage pour ledit bus ;
• identification dudit bloc de stockage défaillant lorsque la différence entre la tension mesurée et la tension escomptée pour ledit bloc de stockage est en valeur absolue supérieure à une valeur seuil prédéterminée ;
• si ledit bloc de stockage est identifié comme défaillant, court-circuitage dudit bloc de stockage par la commande de l’interrupteur électronique du sous-bloc de connexion audit bus.
19. Procédé de gestion selon l’une quelconque des revendications 17 à 18, dans lequel la détermination de la consigne de tension pour chaque bloc de stockage tient compte de l’état de charge de chaque bloc de stockage.
20. Composant électronique stockant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de gestion selon l’une quelconque des revendications 17 à 19.
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