EP4646343A1 - Systeme de batterie comportant des moyens de synchronisation de la tension et de regulation de courant avec un reseau d'alimentation electrique - Google Patents

Systeme de batterie comportant des moyens de synchronisation de la tension et de regulation de courant avec un reseau d'alimentation electrique

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Publication number
EP4646343A1
EP4646343A1 EP23834249.7A EP23834249A EP4646343A1 EP 4646343 A1 EP4646343 A1 EP 4646343A1 EP 23834249 A EP23834249 A EP 23834249A EP 4646343 A1 EP4646343 A1 EP 4646343A1
Authority
EP
European Patent Office
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battery system
voltage
current
bat
setpoint
Prior art date
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Pending
Application number
EP23834249.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Francis Roy
Thomas Peuchant
David HERPE
Eric Laboure
Philippe Fiani
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.)
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
CentraleSupelec
Stellantis Auto SAS
Universite Paris Saclay
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
CentraleSupelec
Stellantis Auto SAS
Universite Paris Saclay
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Sorbonne Universite, CentraleSupelec, Stellantis Auto SAS, Universite Paris Saclay filed Critical SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
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Definitions

  • TITLE BATTERY SYSTEM COMPRISING MEANS OF VOLTAGE SYNCHRONIZATION AND CURRENT REGULATION WITH AN ELECTRIC SUPPLY NETWORK
  • the field of the invention relates to a battery system with electrochemical cells comprising elementary cell modules forming a multilevel inverter distributed in the battery.
  • electrochemical batteries are used in high-voltage electrical networks for network regulation purposes and to store the energy generated by photovoltaic and wind installations, in particular.
  • rechargeable electrified vehicles include a battery and power electronics equipped with a voltage converter making it possible to adapt the current and voltage torque delivered by the battery to the various on-board electronic elements of the vehicle.
  • the power electronics generally include a charger allowing the conversion of an alternating voltage into direct voltage for recharging the battery from an extended electrical supply network operating at alternating voltage.
  • Bidirectional chargers allow the battery to be charged from the supply network, and discharged to an electrical system external to the vehicle in the case of so-called V2X applications for “Vehicle to Everything”.
  • V2X applications for “Vehicle to Everything”.
  • the document W0-A1 -2022/200144 and the document W0-A1 - 2021004639A1 describing a vehicle electrical power system comprising a bidirectional charger capable of charging the battery using energy from the power supply network and to power an external load connected to another vehicle socket provided for this purpose.
  • These battery discharge solutions are intended solely for the electrical supply of a load connected to a vehicle socket and do not provide the discharge function to a power supply network.
  • these bidirectional chargers require AC/DC and DC/AC converter stages which generally have energy losses of around 10 to 20% of the power delivered during the conversion.
  • An objective of the invention is to propose a battery system, for electromobility applications and stationary applications based on this integrated multilevel inverter structure allowing bidirectional operation of the battery system with the voltage power supply network.
  • An objective of the invention is to propose a solution optimizing the regulation of the charging and discharging current on the supply network.
  • the invention relates to a battery system with electrochemical cells, intended to recharge/discharge on an extended electrical supply network operating at alternating voltage, the system comprising at least one current line comprising a plurality of elementary modules, each provided with a cell or a cluster of cells, forming a distributed multilevel inverter and a unit for controlling the elementary modules capable of generating an alternating voltage waveform chosen at the terminals of the current line in function of a voltage reference setpoint.
  • the system further comprises:
  • [012] - a means of electrical connection of the power line to the power supply network controlled according to a state of synchronization of the voltage waves of the battery system and the network,
  • [013] - a means of regulating the current of the battery system by controlling the voltage reference setpoint of the current line of the battery system.
  • the system according to the invention may include the following additional characteristics, alone or in combination: [015] - it comprises three current lines in which the synchronization means comprises a means of transforming the measured voltages of the lines of the battery system and the network into first vector commands, a means of determining a first voltage setpoint in vector control by a first regulator taking the first vector commands as inputs, and a first means of modulating the first voltage setpoint into a voltage reference setpoint of the battery system;
  • the current regulation means comprises a means of transforming currents measured from the lines of the battery system and a reference current setpoint into second current vector commands, a means to determine a second voltage setpoint in vector control by a second regulator taking the second vector commands as inputs and a second means of modulating the second voltage setpoint into a voltage reference setpoint of the battery system;
  • the invention further relates to an electrified motor vehicle comprising a rechargeable battery system and an electrical interface intended for connecting the battery system to an extended electrical supply network for charging and discharging on the supply network, wherein the battery system is according to any of the preceding embodiments.
  • the invention further relates to a stationary battery system comprising a rechargeable battery system and an electrical interface intended for connecting the battery system to a power supply network extended electric in which the battery system is according to any of the preceding embodiments.
  • synchronization comprises the following steps:
  • the current regulation of the battery system comprises the following steps: [031] - transforming the measured currents of the battery system lines and a reference current setpoint into second current vector commands,
  • the invention further provides the control unit of the battery system according to the invention comprising integrated circuit means specifically configured to implement the control method for charging and discharging on the electrical supply network .
  • the invention further provides a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a control unit of the battery system, cause the latter to implement any of the embodiments of the control method for charging and discharging on an electrical supply network.
  • this charging principle uses the same components whether for charging at 11 kW, 22 kW or even more in three phases and these same components are used to ensure traction of the vehicle.
  • it is generally necessary to differentiate the components of conversion for high power charging, greater than 300 kW, and those for traction. This reduces the cost of power electronics.
  • FIG.1 schematically represents an embodiment of the electrical architecture of the battery system according to the invention
  • FIG.2 represents the synchronization and current regulation functions of the battery system according to the invention
  • FIG.3 are graphs illustrating the voltage and phase synchronization phase of the current lines of the battery system in accordance with the control method according to the invention.
  • FIG.4 are graphs illustrating the current regulation phase of the current lines of the battery system in accordance with the control method according to the invention.
  • FIG.5 represents a method of controlling the battery system according to the invention allowing the charging and discharging of the battery system on an electrical supply network and the regulation of the current;
  • FIG.6 schematically represents an embodiment of the battery system for an electrified vehicle.
  • the invention relates to an energy storage system for electrified motor vehicles and stationary storage systems in electrical installations, for example for renewable energy or network regulation installations.
  • the system comprises an electrochemical battery comprising elementary cell modules interconnected so as to form a multilevel inverter structure distributed in the battery making it possible to connect the battery to an electrical system operating at direct voltage and also at alternating voltage without the intermediary of 'an inverter.
  • the battery system can connect directly to an extended electrical power network and to an electric motive machine.
  • the invention relates more precisely to means and method for synchronizing the battery system and for regulating the charging and discharging current on a power network.
  • the term distributed multilevel inverter means that the current line or each current line of the battery, in the case of a polyphase architecture, in particular three-phase, is formed by a plurality of elementary modules and each elementary module comprises a cell or a cluster of cells, as well as a switching module forming an H-bridge, the control unit comprises means for controlling the elementary modules of the current line according to a reference setpoint and is capable of generating a selected alternating voltage waveform on each current line.
  • a polyphase architecture in particular three-phase
  • the control unit comprises means for controlling the elementary modules of the current line according to a reference setpoint and is capable of generating a selected alternating voltage waveform on each current line.
  • the BAT battery system comprises elementary modules MCLk forming the multi-level inverter structure distributed in the battery and comprises three current lines LT1, LT2 and LT3 in which the modules are arranged elementary MCLk.
  • the BAT battery system may comprise a single current line LT 1, only two current lines, or four or more current lines.
  • the battery system can be single phase or polyphase.
  • the BAT battery system includes Kres high voltage switches, also called high voltage contactors, intended to electrically connect the BAT battery to the RES power network.
  • Each current line LT1, LT2 and LT3 is connected on the first side to a network connection switch, KR1, KR2 and KR3 respectively, and on the other side to a neutral terminal N of the battery.
  • the extended RES power supply network operates at alternating voltage of 50Hz or 60Hz for example.
  • the BAT battery system can produce three three-phase voltages offset by 2TT/3.
  • the control of each current line is similar, differing only by an offset of 2TT/3 between them.
  • the BAT battery system further comprises Kmel high voltage switches intended to electrically connect the BAT battery to the MEL electric driving machine.
  • Each current line LT 1, LT2 and LT3 is connected on a first side to a connection switch of the electric machine, KM1, KM2 and KM3 respectively, and on the other side to a neutral terminal N of the battery.
  • the electric driving machine can be an asynchronous or synchronous machine, possibly a direct current machine because the battery system is capable of generating any voltage waveform, alternating or direct.
  • switches can be provided to electrically connect the three lines LT1, LT2, LT3 in series so as to allow the connection of the BAT battery to a single-phase network.
  • the BAT battery system may optionally include a single current line LT1.
  • the BAT battery system has a voltage of several hundred volts at its terminals, for example 350 Volts or 1000 Volts. At 350 volts, each line LT 1, LT2, LT3 is equipped for example with 24 elementary cell modules or cell clusters connected in series. However, depending on electrical needs, the BAT battery system has a nominal voltage of only several tens of volts (24V, 36V, 48V for example), in particular automotive vehicle applications, or at a maximum voltage of 1500 Volts direct or even at beyond, particularly for stationary storage systems.
  • the BAT battery system further comprises a BMS control unit, one of its functions is to control the voltage waveform of line LT1 or each line LT1, LT2, LT3 according to a setpoint reference Vref from the elementary modules MCLk.
  • Each elementary module MCLk may comprise a single CLk cell, or a cluster of CLk cells which may be two, three, four, five, six or more cells in number, forming the elementary voltage Vclk.
  • the elementary module MCLk further comprises a switching module COMk capable of configuring the elementary module MCLk in three different states to deliver the voltage Vmclk which is respectively said elementary voltage Vclk, a zero voltage and the inverted voltage Vclk to said connection terminals of the module MCLk.
  • the COMk switching module is for example made up of two switching parts forming an H-bridge controllable in the three different states by a control signal from the BMS control unit of the BAT battery specifically addressing the MCLk module.
  • the states are represented by a control variable uik which can take for example the values 1, 0, -1 representing the three different states respectively controlling said elementary voltage Vclk, a zero voltage and said inverted voltage -Vclk at said connection terminals of the elementary module k addressed by the signal uik command.
  • Each COMk switching module comprises electronic components, such as power transistors, possibly of the MOSFET or HEMT type (“High Electron Mobility Transistor” in English), driven by the control signals from the BMS control unit.
  • the voltage Vmclk across each elementary module MCLk among the set of a total of n modules can be controlled as a function of a control signal uik according to the following relationship:
  • the BMS control unit can control on each voltage line LT 1, LT2 and LT3, any voltage waveform formed in steps of amplitude equal to the elementary voltage Vclk as a function of a voltage setpoint reference Vref.
  • the reference voltage setpoint Vref can be in sinusoidal form with a frequency of 50 Hz, any alternative form, for example square, or can be of constant voltage for example.
  • control unit comprises the means of synchronizing the reference voltage setpoint Vref with a network voltage and of regulating a charging and discharging current by regulating the reference setpoint Vref.
  • the BMS control unit is capable of determining at each instant the number q of elementary modules necessary among the plurality n to produce the voltage waveform for each voltage phase requested by the setpoint Vref and where all the elementary cells have the same elementary voltage Vclk.
  • an electrochemical cell is an electrical energy accumulator having two terminals, a positive electrode and a negative electrode, and having a voltage of a few volts, most often between 2.3V and 4.2V, approximately.
  • the cells can be Lithium ion, Nickel Cadmium or Nickel-Metal-Hydride. More precisely, a Lithium-ion cell is mainly composed of a porous positive electrode, a porous negative electrode, a separator and an electrolyte. The operating principle of a Lithium-ion cell is based on the reversible exchange of lithium ions between the two porous electrodes.
  • the cells can for example be of the Lithium iron phosphate, Lithium polymer or solid electrolyte type.
  • the BMS control unit is equipped with an integrated circuit computer and electronic memories, the computer and the memories being configured for the functions involved in synchronization and current regulation.
  • the control unit can be produced in the form of software (or computer (or “software”)) modules, or electronic circuits (or “hardware”), or even a combination of electronic circuits and modules.
  • software such as ASIC (“Application Specific Integrated Circuit” in English) type circuits, or DSP (“Digital Signal Processor” in English).
  • the BMS control unit includes the means of estimating or measuring the instantaneous electrical characteristics of a voltage wave Vres of each current line of the power supply network. The measurement is possible when the battery system is not yet electrically connected to the network, in other words when the switches, KR1, KR2 and KR3 are open.
  • the control unit includes a means of estimating or measuring the characteristics instantaneous electrical voltage Vbat and current Ibat of each current line of the battery system. With reference to Figure 2, these means are represented by the inputs Vres, Vbat and Ibat respectively of the BMS control unit. These means make it possible to estimate the value of the voltages Vres of the power supply network.
  • the BMS control unit comprises a voltage regulation module 21 whose function is to synchronize in voltage and phase the power supply network and the battery system and a current regulation module 22 intervening to control the charging and discharging current once the battery system is synchronized with the grid.
  • the function of the regulation module 21 is to regulate the voltage in amplitude and phase of the voltages of the battery system by taking the voltages of the supply network as setpoints. From this regulator 21, the control unit determines a setpoint Vref which controls the control module of the battery cell clusters to generate the voltage waves on each line during the synchronization phase.
  • the regulation module 21 can act either directly on the sinusoidal quantities, or via the control of the direct and quadrature components which are estimated, or by control techniques involving mathematical transforms, for example.
  • the regulation module 21 includes a regulation loop implementing a corrector based on the estimated electrical characteristics of the battery system and the power supply network to control the voltage setpoint Vref of the line or each current line of the battery system.
  • means 210 and 211 are provided for transforming the voltage signals of the power supply network Vres and of the battery system Vbat into a digital model of vector controls in the Park plane Vresl and Vbat 1 respectively with a rotating field at 50 Hz.
  • the resulting vector controls Vresl and Vbatl are used in a regulation loop by a corrector 212 to determine a voltage setpoint of the battery system in the form of a vector control setpoint Vsync.
  • the corrector 212 determines an instantaneous error estimate Verr of the voltage signals.
  • the transformation means 210 and 211 are mathematical and signal processing functions executing a Park transform, known to those skilled in the art in the field of electrical engineering for controlling a three-phase electrical machine.
  • the Park transform has the advantage of simplifying and improving the performance of current and voltage controllers. We do not rule out the possibility of implementing other control principles.
  • the corrector 212 is a known servo function that those skilled in the art will be able to adapt for controlling the voltage setpoint.
  • the corrector 212 is for example of the integral proportional type. Other types of correctors are possible.
  • the transformation means 210 and 211 can be estimators of the sinusoidal electrical characteristics of the measured signals or estimators of the direct and quadrature components.
  • a control switching module 23 has the function of selecting the control either in voltage regulation operated during the synchronization phase, or in current regulation once synchronization is effective. Module 23 uses a control switching block 231 which activates one or the other control mode depending on the estimation of the Verr error between the network and battery system voltages.
  • a block 230 compares the error signal Verr with respect to a predetermined threshold. As long as the Verr signal is greater than the threshold, voltage regulation remains operational. The resulting voltage setpoint Vsync from the regulation block 21 is used to control the battery and generate the waveform on each of the current lines.
  • the block 230 detects that the synchronization of the voltages is consistent in amplitude and phase shift and that the battery system can be electrically connected to the network. This situation activates the current regulation of the battery system. The voltages being synchronized, an overcurrent effect in the battery system is avoided.
  • the block 230 is capable of controlling the Kres high voltage switches referenced in figure 1. When synchronization is detected and held stable for a confirmation duration, the switches are closed.
  • the BMS control unit includes a modulation function 24 making it possible to deliver a voltage setpoint adapted to controlling the battery system from a voltage setpoint coming either from the voltage regulation module 21, or from the current regulation module 22.
  • block 240 modulates the Vsync setpoint at the output of the voltage regulation control loop.
  • the block 240 takes as input the phase shift estimate 201 of the network voltage signals so that the inverse transformation adapts to a possible variability of the network phases.
  • a graph represents a simulation of the voltage synchronization operation of the battery system.
  • the abscissa is the time axis.
  • This graph represents in the upper frame the voltage of the battery system on a power line and the voltage of the power supply network configured in this example in 400 Volts RMS on the corresponding line.
  • the middle frame represents the Verr synchronization error between the grid and battery system voltages, expressed in Volts.
  • the lower frame represents the Qcl number of cell clusters activated during synchronization.
  • the power line has 24 cell clusters connected in series in the battery power line.
  • the function of the regulation module 22 is to regulate the current of the battery system by taking as input parameters a reference current setpoint Iref and the instantaneous current Ibat estimated on the battery system in Irms value. From this regulator 22, the control unit determines a setpoint Vref which controls the control module of the battery cell clusters to generate the voltage waves on each line during the synchronization phase.
  • the current regulation module 22 can act either directly on the sinusoidal quantities, or via the control of the direct and quadrature components which are estimated, or by control techniques involving mathematical transforms, for example.
  • the regulation module 22 includes a regulation loop implementing a corrector based on the measured electrical characteristics of the battery system and a current setpoint to control the voltage setpoint Vref of the line or each current line of the battery system.
  • means 220 and 221 are provided for transforming a current reference Iref into RMS amperes and the measured current of the battery system Ibat into commands vector commands in the Park plane Irefl and Ibatl respectively with a field rotating at 50 Hz.
  • the resulting vector commands Irefl and Ibatl are used in a regulation loop by a corrector 222 to determine a voltage setpoint for the battery system in the form of 'a vector control instruction Vregc.
  • the transformation means 220 and 221 are mathematical and signal processing functions executing a Park transform, known to those skilled in the art in the field of electrical engineering for control of a three-phase electrical machine.
  • the Park transform has the advantage of simplifying and improving the performance of current and voltage controllers. We do not rule out the possibility of implementing other control principles.
  • the corrector 222 is a known servo function that those skilled in the art will be able to adapt for controlling the voltage setpoint.
  • the corrector 222 is for example of the integral proportional type. Other types of correctors are possible.
  • the transformation means 220 and 221 can be estimators of the electrical characteristics of the measured signals or estimators of the direct and quadrature components.
  • Each of the transformation functional blocks 210 and 211 for voltage regulation and the blocks 220 and 221 for current regulation take as input the phase shift estimate 201 of the network voltage signals so that the vector commands used in the regulation loop adapt to possible variability in the network phases. Indeed, the phases are likely to vary in the event of a load demand or an increase in network energy production. This improves the precision of synchronization and current regulation.
  • the Vregc setpoint in vector controls resulting from the current regulation 22 ensures the control of the current by regulating the voltage setpoint Vref of the battery system for the or each current line.
  • the Vregc setpoint is transmitted to the modulation block 240 once it is detected that the synchronization is compliant to deliver a voltage reference setpoint adapted to controlling the battery system.
  • the same modulation block 240 is used as for synchronization 21 or another modulation block specific to current regulation.
  • a graph represents a simulation of the current regulation operation of the battery system.
  • the abscissa is the time axis.
  • This graph represents in the upper frame the current reference Iref and the resulting current in RMS value of a current line.
  • the middle frame represents the line current of the 1res network and the corresponding line current of the battery system.
  • the lower box represents the Qcl number of cell clusters activated during current regulation.
  • the power line has 24 cell clusters connected in series in the battery power line.
  • FIG. 5 there is shown a flowchart describing the control method of the battery system according to the invention for the synchronization and regulation of the charge and discharge current.
  • the method is implemented by the integrated circuit calculation means of the battery system control unit.
  • a computer program can be provided by the control unit of the battery system comprising instructions which, when the program is executed, lead it to implement the control method for synchronization and regulation of the current of the battery system.
  • the process is applicable for charging and discharging on a single-phase and polyphase power network.
  • Synchronization and current regulation can be carried out on a battery current line or several current lines, for example two battery current lines in a two-phase configuration in connection with a two-phase network, three current lines of the battery in a three-phase configuration in connection with a three-phase network, or four or more power lines.
  • the method comprises the determination of electrical characteristics of a voltage wave of the power supply network, in particular the voltage and the phase of each current line of the network.
  • the method then includes controlling the synchronization E2 of the electrical characteristics of the voltage wave of the line or each current line of the battery system with the wave of the corresponding power supply network.
  • the Kres contactors are open, in reference to figure 1. Synchronization consists of regulating the voltage value and phase of the battery system by taking the network voltage as a reference.
  • the method provides in one step, during synchronization, the verification E3 of a synchronization state to determine the instant of closing of the high voltage contactors.
  • the synchronization state is the voltage error between the grid wave and the battery voltage wave relative to a predetermined error threshold.
  • the method controls in a step E4 the electrical connection of the line or each current line of the battery system to the power supply network.
  • the method controls in a step E5 the regulation of the current of the or each line of the battery system by taking into account a current setpoint I in RMS value and an estimate of the RMS current of the battery.
  • the method provides for the determination of a voltage reference for controlling the voltage wave of the battery system line. By generating a voltage amplitude difference between the synchronized voltage waves, either a charging current or a discharging current is generated on the line or each current line of the battery.
  • the voltage and current regulation loops for synchronization E2 and current regulation E5 in the process consist of a control loop including a correction.
  • the control loop is of the PL correction type
  • the voltage and current regulation loops for synchronization E2 and current regulation E5 include transformations or estimates of the instructions and measured values of the control system.
  • the Park transform has the advantage of simplifying and improving the performance of the controllers current and voltage. We do not rule out the possibility of implementing other control principles.
  • control method according to the invention applies to a single-phase or polyphase battery system.
  • the voltage synchronization step E2 and the current regulation step E5 can act either directly on the sinusoidal quantities, or via the control of the direct and quadrature components which are estimated, or by techniques of control involving mathematical transforms, for example.
  • FIG. 6 a mode of application of the battery system 60 according to the invention is described for an electrified vehicle with a fully electric engine or hybrid engine.
  • the vehicle includes an electric driving machine 64 capable of transmitting a torque to the driving wheels 62 of the vehicle through a transmission 61.
  • the electric machine 64 can be three-phase.
  • the vehicle includes a battery system 60 according to the multilevel inverter architecture distributed in the battery in accordance with the description given in Figure 1.
  • the battery has three current lines that can generate three-phase voltage waves.
  • the vehicle also includes an interface for recharging the battery 68 from a power supply network operating at alternating voltage.
  • the charging interface 68 is a charging box electrically connecting the terminals of the battery 60 to the terminal for charging with alternating voltage in accordance with the method according to the invention.
  • the charging interface 68 is also suitable for rapid DC voltage charging.
  • the battery system 60 is advantageous in that its control unit 65 adapts the voltage wave into AC form or DC wave form without resorting to a voltage converter.
  • the vehicle further comprises a supervision system 66 cooperating with the control unit 65 of the battery system 60.
  • the battery system 60 can be directly electrically connected to the electric driving machine 64 thus improving its energy efficiency in traction .
  • the battery can also be connected to a high voltage on-board electrical network 63 of direct voltage of the vehicle, for example operating at a nominal voltage of 350 Volts, and to a low voltage on-board network 67 operating at a nominal voltage. 12 Volt type, including a battery.
  • the onboard direct voltage networks 63 and 67 can be powered by the battery 60 via an AC/DC converter, possibly.
  • the battery 60 can be electrically connected in a secure manner to an external extended power supply network, via a charging terminal operating at alternating voltage after the implementation of the synchronization phase .
  • the regulation of the charging and discharging current is controlled by the control unit 65 of the battery by regulating the voltage of the lines of the battery system 60.

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Abstract

La présente invention a pour objet un système de batterie comportant un onduleur multiniveau distribué dans des modules élémentaires de cellules de la batterie permettant la génération d'une onde de tension alternative sur une ligne de courant de la batterie et un fonctionnement bidirectionnel sur un réseau d'alimentation électrique. Selon l'invention, l'unité de commande de la batterie comporte un moyen de détermination (20) de caractéristiques électriques d'une onde de tension alternative du réseau d'alimentation (RES), un moyen de synchronisation (21) des caractéristiques électriques d'une onde de tension alternative de la ligne de courant (LT1, LT2, LT3) du système de batterie (BAT) avec l'onde du réseau d'alimentation (RES), un moyen de connexion électrique (Kres) de la ligne de courant (LT1, LT2, LT3) au réseau d'alimentation (RES) piloté en fonction d'un état de synchronisation (STE) des ondes de tension du système de batterie (BAT) et du réseau (RES) et un moyen de régulation du courant (22) du système de batterie (BAT) par pilotage d'une consigne de tension (Vref) de la ligne de courant du système de batterie (BAT).

Description

DESCRIPTION
TITRE : SYSTEME DE BATTERIE COMPORTANT DES MOYENS DE SYNCHRONISATION DE LA TENSION ET DE REGULATION DE COURANT AVEC UN RESEAU D’ALIMENTATION ELECTRIQUE
[001] La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2300095 déposée le 05.01.2023 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[002] Le domaine de l’invention concerne un système de batterie à cellules électrochimiques comportant des modules élémentaires de cellule formant un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie.
[003] Dans le domaine du stationnaire, les batteries électrochimiques sont utilisées dans les réseaux électriques haute tension pour des fins de régulation du réseau et pour stocker l’énergie générée par les installations photovoltaïques et éoliennes, notamment. Dans le domaine automobile, les véhicules électrifiés rechargeables comprennent une batterie et de l’électronique de puissance munie de convertisseur de tension permettant d’adapter le couple courant et tension délivré par la batterie aux différents éléments électroniques embarqués du véhicule. Pour ces véhicules, l’électronique de puissance comporte généralement un chargeur permettant la conversion d’une tension alternative en tension continue pour la recharge de la batterie à partir d’un réseau d’alimentation électrique étendu fonctionnant en tension alternative.
[004] Des chargeurs bidirectionnels permettent la charge de la batterie à partir du réseau d’alimentation, et la décharge vers un système électrique externe au véhicule dans le cas d’applications dites V2X pour « Véhiculé to Everything ». On connaît par exemple le document W0-A1 -2022/200144 et le document W0-A1 - 2021004639A1 décrivant un système d’alimentation électrique de véhicule comprenant un chargeur bidirectionnel capable de charger la batterie à partir d’énergie du réseau d’alimentation et d’alimenter une charge externe branchée sur une autre prise du véhicule prévue à cet effet. [005] Ces solutions de décharge de la batterie sont prévues uniquement pour l’alimentation électrique d’une charge branchée sur une prise du véhicule et n’assurent pas la fonction de décharge vers un réseau d’alimentation. En outre, ces chargeurs bidirectionnels requièrent des étages de convertisseur AC/DC et DC/AC qui présentent généralement des pertes d’énergie de l’ordre de 10 à 20% de la puissance délivrée lors de la conversion.
[006] On cherche à améliorer l’efficacité énergétique des systèmes d’alimentation de batterie. La demanderesse a développé une architecture de rupture dite à onduleur multiniveaux distribué qui permet de se passer des convertisseurs de tension habituellement intégrés entre une batterie à cellules électrochimiques et le réseau d’alimentation fonctionnant en tension alternative. Cette architecture a fait l’objet de plusieurs demandes de brevet par la demanderesse. On peut citer par exemple les documents W0-A1 -2017/153366, W0-A1 -2021/048477 et FR-A1- 3121797. Ils décrivent une architecture de cellules qui comporte des lignes de courant formées par des modules élémentaires comportant chacun une cellule électrochimique, ou un cluster de cellules, et un module de commutation formant un pont en H. Ces documents décrivent en outre des procédés de commande innovants de cette architecture permettant l’équilibrage en état de charge des cellules et la génération de courant électrique polyphasé ou continu.
[007] Plus précisément, il est possible de générer en sortie de batterie une tension et un courant alternatif pouvant être directement injectés dans une machine électrique motrice ou le réseau d’alimentation. Cette architecture est particulièrement efficiente car on a mesuré des rendements électriques en recharge et décharge qui sont supérieurs à 96% et car elle permet surtout de s’affranchir des étages de conversion de tension pour les applications d’électromobilité. Dans les applications stationnaires, notamment pour les installations d’énergie renouvelable, où le système de batterie permet de stocker l’énergie ou de réguler le réseau par décharge pilotée, il est possible de connecter directement le système de batterie au réseau d’alimentation électrique sans intégration d’un système de conversion de puissance (PCS pour « Power Conversion System »). Elle permet donc un gain financier important. [008] On cherche à proposer un système électrique de stockage d’énergie permettant de pallier aux problèmes précités et d’améliorer la phase de connexion d’un tel système au réseau électrique. Un objectif de l’invention est de proposer un système de batterie, pour des applications d’électromobilité et des applications stationnaires se basant sur cette structure en onduleur multiniveaux intégré permettant un fonctionnement bidirectionnel du système de batterie avec le réseau d’alimentation électrique en tension alternative, monophasé et polyphasé. Un objectif de l’invention est de proposer une solution optimisant la régulation du courant en charge et décharge sur le réseau d’alimentation.
[009] Plus précisément, l’invention concerne un système de batterie à cellules électrochimiques, destiné à se recharger/décharger sur un réseau d’alimentation électrique étendu fonctionnant en tension alternative, le système comportant au moins une ligne de courant comportant une pluralité de modules élémentaires, munis chacun d’une cellule ou d’un cluster de cellules, formant un onduleur multiniveau distribué et une unité de commande des modules élémentaires apte à générer une forme d’onde de tension alternative choisie aux bornes de la ligne de courant en fonction d’une consigne de référence en tension. Selon l’invention, le système comporte en outre :
[010] - un moyen de détermination de caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative du réseau d’alimentation,
[011] - un moyen de synchronisation des caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative de la ligne de courant du système de batterie avec l’onde de tension alternative du réseau d’alimentation,
[012] - un moyen de connexion électrique de la ligne de courant au réseau d’alimentation piloté en fonction d’un état de synchronisation des ondes de tension du système de batterie et du réseau,
[013] - un moyen de régulation du courant du système de batterie par pilotage de la consigne de référence en tension de la ligne de courant du système de batterie.
[014] Le système selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison : [015] - il comporte trois lignes de courant dans lequel le moyen de synchronisation comporte un moyen de transformer les tensions mesurées des lignes du système de batterie et du réseau en premières commandes vectorielles, un moyen de déterminer une première consigne de tension en commande vectorielle par un premier régulateur prenant en entrées les premières commandes vectorielles, et un premier moyen de moduler la première consigne de tension en une consigne de référence en tension du système de batterie ;
[016] - il comporte trois lignes de courant dans lequel le moyen de régulation de courant comporte un moyen de transformer des courants mesurés des lignes du système de batterie et d’une consigne de courant de référence en deuxièmes commandes vectorielles de courant, un moyen de déterminer une deuxième consigne de tension en commande vectorielle par un deuxième régulateur prenant en entrées les deuxièmes commandes vectorielles et un deuxième moyen de moduler la deuxième consigne de tension en une consigne de référence en tension du système de batterie ;
[017] - il comporte en outre un estimateur des phases du réseau d’alimentation, et dans lequel les moyens de transformation des premières et/ou des deuxièmes commandes vectorielles dépendent également desdites estimations de phase.
[018] - il comporte en outre un estimateur de l’écart d’amplitude de tension entre l’onde de tension du réseau d’alimentation et du système de batterie et dans lequel l’état de synchronisation est dépendant de l’écart par rapport à un seuil d’erreur prédéterminé.
[019] L’invention concerne en outre un véhicule automobile électrifié comportant un système de batterie rechargeable et une interface électrique destinée au branchement du système de batterie à un réseau d’alimentation électrique étendu pour la recharge et décharge sur le réseau d’alimentation, dans lequel le système de batterie est selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
[020] L’invention concerne en outre un système de batterie stationnaire comportant un système de batterie rechargeable et une interface électrique destinée au branchement du système de batterie à un réseau d’alimentation électrique étendu dans lequel le système de batterie est selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
[021] On envisage en outre un procédé de commande d’un système de batterie à cellules électrochimiques pour la décharge/recharge sur un réseau d’alimentation électrique étendu comportant les étapes successives suivantes :
[022] - la détermination de caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative du réseau d’alimentation,
[023] - la synchronisation des caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative d’au moins une ligne de courant du système de batterie avec l’onde de tension alternative du réseau d’alimentation,
[024] - la connexion électrique de la ligne de courant au réseau d’alimentation en cas de détection que l’état de synchronisation des ondes de tension du système de batterie et du réseau est inférieur à un seuil d’erreur prédéterminé,
[025] - puis la régulation du courant de la ligne du système de batterie par pilotage d’une consigne de référence en tension adaptée au pilotage de la ligne de courant du système de batterie.
[026] Selon une variante, la synchronisation comporte les étapes suivantes :
[027] - la transformation des tensions mesurées de lignes du système de batterie et du réseau en premières commandes vectorielles,
[028] - la détermination d’une première consigne de tension en commande vectorielle par un premier régulateur prenant en entrées les premières commandes vectorielles,
[029] - la modulation de la première consigne de tension en commande vectorielle pour générer la consigne de référence en tension adaptée au pilotage du système de batterie pour générer l’onde de tension à synchroniser.
[030] Selon une variante, la régulation en courant du système de batterie comporte les étapes suivantes : [031] - la transformation des courants mesurés des lignes du système de batterie et d’une consigne de courant de référence en deuxièmes commandes vectorielles de courant,
[032] - la détermination d’une deuxième consigne de tension en commande vectorielle par un deuxième régulateur prenant en entrées les deuxièmes commandes vectorielles,
[033] - la modulation de la deuxième consigne de tension en commande vectorielle pour générer la consigne de référence en tension adaptée au pilotage du système de batterie pour réguler le courant de charge/décharge du système de batterie.
[034] L’invention prévoit en outre l’unité de commande du système de batterie selon l’invention comportant des moyens à circuit intégrés spécifiquement configurés pour mettre en œuvre le procédé de commande pour la recharge et décharge sur le réseau d’alimentation électrique. L’invention prévoit en outre un programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande du système de batterie, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de commande pour la recharge et décharge sur un réseau d’alimentation électrique.
[035] L’invention présente les avantages suivants :
[036] Le processus de synchronisation et de régulation de courant par l’unité de commande améliore la sécurité de la recharge ou décharge en évitant un surcourant au moment de la fermeture des contacteurs haute tension.
[037] Le rendement énergétique en recharge est significativement supérieur aux solutions connues de l’état de la technique, de l’ordre de 98,5% observé expérimentalement. En application d’électromobilité, le coût de recharge et donc d’usage d’un véhicule est fortement réduit.
[038] En outre, ce principe de recharge utilise les mêmes composants que ce soit pour une recharge à 11 kW, 22 kW voire plus en triphasé et ces mêmes composants sont utilisés pour assurer la traction du véhicule. Dans une architecture conventionnelle, il est généralement nécessaire de différencier les composants de conversion pour la recharge en haute puissance, supérieure à 300 kW, et ceux pour la traction. On réduit ainsi le coût de l’électronique de puissance.
[039] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :
[040] [Fig.1] représente schématiquement un mode de réalisation de l’architecture électrique du système de batterie selon l’invention ;
[041] [Fig.2] représente les fonctions de synchronisation et de régulation en courant du système de batterie selon l’invention ;
[042] [Fig.3] sont des graphiques illustrant la phase de synchronisation en tension et en phase des lignes de courant du système de batterie conformément au procédé de commande selon l’invention ;
[043] [Fig .4] sont des graphiques illustrant la phase de régulation de courant des lignes de courant du système de batterie conformément au procédé de commande selon l’invention ;
[044] [Fig.5] représente un procédé de commande du système de batterie selon l’invention permettant la recharge et décharge du système de batterie sur un réseau d’alimentation électrique et la régulation du courant ;
[045] [Fig.6] représente schématiquement un mode de réalisation du système de batterie pour un véhicule électrifié.
[046] L’invention concerne un système de stockage d’énergie pour les véhicules automobiles électrifiés et les systèmes de stockage stationnaires dans les installations électriques, par exemple pour les installations à énergie renouvelable ou de régulation de réseau. Le système comporte une batterie électrochimique comportant des modules élémentaires de cellules interconnectés de manière à former une structure d’onduleur multiniveaux distribuée dans la batterie permettant de connecter la batterie à un système électrique fonctionnant en tension continue et aussi en tension alternative sans l’intermédiaire d’un onduleur. Le système de batterie peut se connecter directement à un réseau d’alimentation électrique étendu et à une machine électrique motrice. L’invention concerne plus précisément les moyens et le procédé pour synchroniser le système de batterie et pour réguler le courant de charge et décharge sur un réseau d’alimentation.
[047] Dans la présente description, le terme onduleur multiniveaux distribué signifie que la ligne de courant ou chaque ligne de courant de la batterie, dans le cas d’une architecture polyphasée, notamment triphasée, est formée par une pluralité de modules élémentaires et chaque module élémentaire comporte une cellule ou un cluster de cellules, ainsi qu’un module de commutation formant un pont en H, l’unité de commande comporte un moyen de pilotage des modules élémentaires de la ligne de courant en fonction d’une consigne de référence et est apte à générer une forme d’onde de tension alternative choisie sur chaque ligne de courant. Cette architecture fait l’objet d’une description plus détaillée en figure 1 .
[048] En référence à la figure 1 , le système de batterie BAT comporte des modules élémentaires MCLk formant la structure d’onduleur multi-niveaux distribuée dans la batterie et comporte trois lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 dans lesquelles sont agencés les modules élémentaires MCLk. En variante, le système de batterie BAT peut comporter une unique ligne de courant LT 1 , uniquement deux lignes de courant, ou quatre lignes de courant ou plus. En résumé, le système de batterie peut être monophasé ou polyphasé. Le système de batterie BAT comporte des commutateurs haute tension Kres, appelés également contacteurs haute tension, destinés à relier électriquement la batterie BAT au réseau d’alimentation RES. Chaque ligne de courant LT1 , LT2 et LT3 est connectée d’un premier côté à un commutateur de connexion au réseau, KR1 , KR2 et KR3 respectivement, et de l’autre côté à une borne neutre N de la batterie. Le réseau d’alimentation RES étendu fonctionne en tension alternative de 50Hz ou 60Hz par exemple. Le système de batterie BAT peut produire trois tensions triphasées décalées de 2TT/3. Le pilotage de chaque ligne de courant est similaire, se différenciant seulement par un décalage de 2TT/3 entre elles.
[049] Dans le cas d’une application d’électromobilité, le système de batterie BAT comporte en outre des commutateurs haute tension Kmel destinés à relier électriquement la batterie BAT à la machine électrique motrice MEL. Chaque ligne de courant LT 1 , LT2 et LT3 est connectée d’un premier côté à un commutateur de connexion de la machine électrique, KM1 , KM2 et KM3 respectivement, et de l’autre côté à une borne neutre N de la batterie. La machine électrique motrice peut être une machine asynchrone ou synchrone, éventuellement une machine à courant continu du fait que le système de batterie est capable de générer toute forme d’onde de tension, alternative ou continue.
[050] Par ailleurs, des commutateurs (non représentés en figure 1 ) peuvent être prévus pour relier électriquement en série les trois lignes LT1 , LT2, LT3 de manière à permettre la connexion de la batterie BAT à un réseau monophasé. En variante, le système de batterie BAT peut éventuellement comporter une unique ligne de courant LT1 .
[051] Le système de batterie BAT présente à ses bornes une tension de plusieurs centaines de volts, par exemple 350 Volts ou 1000 Volts. En 350 volts, chaque ligne LT 1 , LT2, LT3 est équipée par exemple de 24 modules élémentaires de cellule ou clusters de cellules connectés en série. Toutefois, selon les besoins électriques, le système de batterie BAT a une tension nominale de seulement plusieurs dizaines de volts (24V, 36V, 48V par exemple), notamment les applications de véhicule automobile, ou à une tension maximale de 1500 Volts continu voire au-delà, notamment pour les systèmes de stockage stationnaires.
[052] Le système de batterie BAT comporte en outre une unité de commande BMS dont une de ses fonctions est le pilotage de la forme d’onde en tension de la ligne LT1 ou chaque ligne LT1 , LT2, LT3 en fonction d’une consigne de référence Vref à partir des modules élémentaires MCLk. Chaque module élémentaire MCLk peut comporter une unique cellule CLk, ou un cluster de cellules CLk pouvant être au nombre de deux, trois, quatre, cinq, six cellules ou plus, formant la tension élémentaire Vclk. Le module élémentaire MCLk comporte en outre un module de commutation COMk apte à configurer le module élémentaire MCLk dans trois états différents pour délivrer la tension Vmclk qui est respectivement ladite tension élémentaire Vclk, une tension nulle et la tension Vclk inversée auxdites bornes de connexion du module MCLk.
[053] Le module de commutation COMk est par exemple constitué de deux parties de commutation formant un pont en H pilotable dans les trois états différents par un signal de commande de l’unité de commande BMS de la batterie BAT adressant spécifiquement le module MCLk. Les états sont représentés par une variable de commande uik pouvant prendre par exemple les valeurs 1 , 0, -1 représentant les trois états différents commandant respectivement ladite tension élémentaire Vclk, une tension nulle et ladite tension inversée -Vclk auxdites bornes de connexion du module élémentaire k adressé par le signal de commande uik. Chaque module de commutation COMk comprend des composants électroniques, tels que des transistors de puissance, éventuellement de type MOSFET ou HEMT (« High Electron Mobility Transistor » en anglais), pilotés par les signaux de commande de l’unité de commande BMS. Ainsi, la tension Vmclk aux bornes de chaque module élémentaire MCLk parmi l’ensemble d’une totalité n de modules peut être pilotée en fonction d’un signal de commande uik selon la relation suivante :
[054] [Math 1]
[056] L’unité de commande BMS peut commander sur chaque ligne de tension LT 1 , LT2 et LT3, toute forme d’onde en tension formée par paliers d’amplitude égale à la tension élémentaire Vclk en fonction d’une consigne de tension de référence Vref. La consigne de tension de référence Vref peut être de forme sinusoïdale de fréquence de 50 Hz, toute forme alternative, par exemple carré, ou peut être de tension constante par exemple.
[057] Dans le cadre de l’invention, l’unité de commande comporte les moyens de synchroniser la consigne de tension de référence Vref avec une tension du réseau et de réguler un courant de charge et décharge par une régulation de la consigne de référence Vref. L’unité de commande BMS est apte à déterminer à chaque instant le nombre q de modules élémentaires nécessaires parmi la pluralité n pour réaliser la forme d’onde en tension pour chaque phase en tension demandée par la consigne Vref et où toutes les cellules élémentaires ont une même tension élémentaire Vclk.
[058] On rappelle qu’une cellule électrochimique est un accumulateur d’énergie électrique ayant deux bornes, une électrode positive et une électrode négative, et présentant une tension de quelques volts, le plus souvent comprise entre 2,3V et 4,2V, environ. Les cellules peuvent être de type Lithium ion, Nickel Cadmium ou Nickel-Métal-Hydrure. Plus précisément, une cellule Lithium-ion est composée principalement d’une électrode positive poreuse, une électrode négative poreuse, un séparateur et un électrolyte. Le principe de fonctionnement d’une cellule Lithium- ion repose sur l’échange réversible d’ions lithium entre les deux électrodes poreuses. Les cellules peuvent par exemple être de type Lithium fer phosphate, Lithium polymère ou à électrolyte solide.
[059] En référence à la figure 2, on décrit les moyens de l’unité de commande BMS qui mettent en œuvre la fonction de synchroniser les ondes de tension générées par le système de batterie et de réguler le courant de charge et décharge une fois que le système de batterie est connecté électriquement au réseau d’alimentation. Ce mode de réalisation concerne le cas d’une synchronisation de tensions triphasées. La fonction de synchronisation intervient avant de connecter électriquement le système de batterie au réseau d’alimentation, autrement dit avant la fermeture des commutateurs, KR1 , KR2 et KR3, afin d’éviter une situation de surcourant au moment de la connexion. Ce mode de réalisation décrit en figure 2 n’est pas limitatif, en particulier on envisage des variantes de synchronisation des tensions et de régulation du courant du système de batterie pouvant être monophasé ou polyphasé, c’est-à-dire biphasé, triphasé ou plus.
[060] L’unité de commande BMS est munie d’un calculateur à circuits intégrés et de mémoires électroniques, le calculateur et les mémoires étant configurés pour les fonctions intervenant pour la synchronisation et régulation de courant. L’unité de commande peut être réalisée sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels comme par exemple des circuits de type ASIC (« Application Specific Integrated Circuit » en anglais), ou DSP (« Digital Signal Processor » en anglais).
[061] L’unité de commande BMS comporte les moyens d’estimer ou mesurer les caractéristiques électriques instantanées d’une onde de tension Vres de chaque ligne de courant du réseau d’alimentation. La mesure est réalisable lorsque le système de batterie n’est pas encore relié électriquement au réseau, autrement dit lorsque les commutateurs, KR1 , KR2 et KR3 sont ouverts. En outre, l’unité de commande comporte un moyen d’estimer ou mesurer les caractéristiques électriques instantanées de la tension Vbat et du courant Ibat de chaque ligne de courant du système de batterie. En référence à la figure 2, ces moyens sont représentés par les entrées Vres, Vbat et Ibat respectivement de l’unité de commande BMS. Ces moyens permettant d’estimer la valeur des tensions Vres du réseau d’alimentation.
[062] Il est prévu en outre un moyen 20 d’estimer la phase de chaque ligne de courant du réseau d’alimentation. Il permet d’estimer simultanément la fréquence (autour de 50 Hz ou 60 Hz) et le déphasage 201 des tensions du réseau.
[063] L’unité de commande BMS comporte un module de régulation en tension 21 dont la fonction est de synchroniser en tension et en phase le réseau d’alimentation et le système de batterie et un module de régulation en courant 22 intervenant pour commander le courant de charge et décharge une fois que le système de batterie est synchronisé avec le réseau.
[064] La fonction du module de régulation 21 est de réguler en tension en amplitude et en phase les tensions du système de batterie en prenant comme consigne les tensions du réseau d’alimentation. A partir de ce régulateur 21 , l’unité de commande détermine une consigne Vref qui pilote le module de commande des clusters de cellules de la batterie pour générer les ondes de tension sur chaque ligne lors de la phase de synchronisation.
[065] Le module de régulation 21 peut agir soit directement sur les grandeurs sinusoïdales, soit via le contrôle des composantes directes et en quadrature qui sont estimées, soit par des techniques de commande impliquant des transformées mathématiques, par exemple. En monophasé ou polyphasé (biphasé, triphasé ou plus), le module de régulation 21 comporte une boucle de régulation mettant en œuvre un correcteur à partir des caractéristiques électriques estimées du système de batterie et du réseau d’alimentation pour piloter la consigne de tension Vref de la ligne ou chaque ligne de courant du système de batterie.
[066] Dans le cas d’une application triphasée, en référence à la figure 2, il est prévu des moyens de transformation 210 et 211 des signaux de tension du réseau d’alimentation Vres et du système de batterie Vbat en un modèle numérique de commandes vectorielles dans le plan de Park Vresl et Vbat 1 respectivement avec un champ tournant à 50 Hz. Les commandes vectorielles résultantes Vresl et Vbatl sont utilisées dans une boucle de régulation par un correcteur 212 pour déterminer une consigne de tension du système de batterie sous la forme d’une consigne de commande vectorielle Vsync. En outre, le correcteur 212 détermine une estimation d’erreur instantanée Verr des signaux de tension.
[067] Les moyens de transformations 210 et 211 sont des fonctions mathématiques et de traitement de signaux exécutant une transformée de Park, connues de l’homme du métier dans le domaine de l’électrotechnique pour la commande d’une machine électrique triphasée. La transformée de Park présente l’avantage de simplifier et améliorer les performances des contrôleurs de courant et de tension. On n’écarte pas la possibilité de mettre en œuvre d’autres principes de commande. Le correcteur 212 est une fonction d’asservissement connue que l’homme du métier saura adapter pour le pilotage de la consigne de tension. Le correcteur 212 est par exemple de type proportionnel intégral. D’autres types de correcteurs sont envisageables. En variante, les moyens de transformation 210 et 211 peuvent être des estimateurs des caractéristiques électriques sinusoïdales des signaux mesurés ou des estimateurs des composantes directes et en quadrature.
[068] Un module 23 de commutation de commande a pour fonction de sélectionner le pilotage soit en régulation de tension opéré lors de la phase de synchronisation, soit en régulation de courant une fois que la synchronisation est effective. Le module 23 utilise un bloc de commutation de commande 231 qui active l’un ou l’autre mode de pilotage en fonction de l’estimation de l’erreur Verr entre les tensions du réseau et du système de batterie.
[069] Plus précisément, un bloc 230 compare le signal d’erreur Verr par rapport à un seuil prédéterminé. Tant que le signal Verr est supérieur au seuil, la régulation en tension reste opérative. La consigne de tension Vsync résultante du bloc de régulation 21 est utilisée pour piloter la batterie et générer la forme d’onde sur chacune des lignes de courant.
[070] Lorsque le signal Verr devient inférieur au seuil, le bloc 230 détecte que la synchronisation des tensions est conforme en amplitude et déphasage et que le système de batterie peut être connecté électriquement au réseau. Cette situation active la régulation du courant du système de batterie. Les tensions étant synchronisées on évite un effet de sur-courant dans le système de batterie. Le bloc 230 est apte à piloter les commutateurs haute tension Kres référencés en figure 1 . Quand la synchronisation est détectée et maintenue stable pendant une durée de confirmation, les commutateurs sont fermés.
[071] En outre, l’unité de commande BMS comporte une fonction de modulation 24 permettant de délivrer une consigne de tension adaptée au pilotage du système de batterie à partir d’une consigne de tension issue soit du module de régulation en tension 21 , soit du module de régulation en courant 22. Pour la synchronisation de la tension, le bloc 240 opère la modulation de la consigne Vsync en sortie de la boucle d’asservissement en régulation de tension.
[072] Identiquement aux blocs de transformation 210 et 211 , le bloc 240 prend en entrée l’estimation de déphasage 201 des signaux de tension du réseau de manière que la transformation inverse s’adapte à une éventuelle variabilité des phases du réseau.
[073] En figure 3, un graphique représente une simulation de l’opération de synchronisation en tension du système de batterie. L’abscisse est l’axe temporel. Ce graphique représente dans le cadre supérieur la tension du système de batterie sur une ligne de courant et la tension du réseau d’alimentation configurée dans cet exemple en 400 Volts RMS sur la ligne correspondante. Le cadre du milieu représente l’erreur de synchronisation Verr entre les tensions du réseau et du système de batterie, exprimée en Volts. Le cadre inférieur représente le nombre Qcl de clusters de cellules activé lors de la synchronisation. Dans cet exemple, la ligne de courant comporte 24 clusters de cellules connectés en série dans la ligne de courant de la batterie.
[074] Sur ce graphique, on observe qu’à partir de 0,2 secondes les premiers clusters de cellules de la batterie sont activés et que l’erreur diminue puis se stabilise à l’instant de 0,6 secondes. On observe dans le cadre supérieur la montée progressive de la tension batterie Vbat par l’activation des cellules où 22 des 24 clusters sont utilisés. En parallèle, l’erreur de synchronisation diminue et, après une durée de confirmation, l’unité de commande pilote la fermeture du contacteur de la ligne de courant et la régulation du courant est activée.
[075] En référence à la figure 2, la fonction du module de régulation 22 est de réguler en courant le système de batterie en prenant comme paramètres d’entrées une consigne de courant de référence Iref et le courant instantané Ibat estimé sur système de batterie en valeur Irms. A partir de ce régulateur 22, l’unité de commande détermine une consigne Vref qui pilote le module de commande des clusters de cellules de la batterie pour générer les ondes de tension sur chaque ligne lors de la phase de synchronisation.
[076] La régulation de courant s’opère par pilotage de la consigne Vref du système de batterie. La régulation de courant s’opère par une boucle d’asservissement du courant mesuré de la batterie et d’une consigne de courant. Le courant résultant traversant le système de batterie est dépendant d’un écart d’amplitude de tension par rapport à la tension du réseau. En régulant une tension à une valeur supérieure à celle du réseau, on commande un courant de décharge et en régulant une tension à une valeur inférieure à celle du réseau, on commande un courant de recharge.
[077] Le module de régulation de courant 22 peut agir soit directement sur les grandeurs sinusoïdales, soit via le contrôle des composantes directes et en quadrature qui sont estimées, soit par des techniques de commande impliquant des transformées mathématiques, par exemple. En monophasé ou polyphasé (biphasé, triphasé ou plus), le module de régulation 22 comporte une boucle de régulation mettant en œuvre un correcteur à partir des caractéristiques électriques mesurées du système de batterie et d’une consigne de courant pour piloter la consigne de tension Vref de la ligne ou chaque ligne de courant du système de batterie.
[078] Dans le cas d’une application triphasée, en référence à la figure 2, il est prévu des moyens de transformation 220 et 221 d’une consigne de courant Iref en ampères RMS et du courant mesuré du système de batterie Ibat en commandes vectorielles dans le plan de Park Irefl et Ibatl respectivement avec un champ tournant à 50 Hz. Les commandes vectorielles résultantes Irefl et Ibatl sont utilisées dans une boucle de régulation par un correcteur 222 pour déterminer une consigne de tension du système de batterie sous la forme d’une consigne de commande vectorielle Vregc.
[079] Les moyens de transformations 220 et 221 sont des fonctions mathématiques et de traitement de signaux exécutant une transformée de Park, connues de l’homme du métier dans le domaine de l’électrotechnique pour la commande d’une machine électrique triphasée. La transformée de Park présente l’avantage de simplifier et améliorer les performances des contrôleurs de courant et de tension. On n’écarte pas la possibilité de mettre en œuvre d’autres principes de commande. Le correcteur 222 est une fonction d’asservissement connue que l’homme du métier saura adapter pour le pilotage de la consigne de tension. Le correcteur 222 est par exemple de type proportionnel intégral. D’autres types de correcteurs sont envisageables. En variante, les moyens de transformation 220 et 221 peuvent être des estimateurs des caractéristiques électriques des signaux mesurés ou des estimateurs des composantes directes et en quadrature.
[080] Chacun des blocs fonctionnels de transformation 210 et 211 pour la régulation en tension et les blocs 220 et 221 pour la régulation en courant prend en entrée l’estimation de déphasage 201 des signaux de tension du réseau de manière que les commandes vectorielles utilisées dans la boucle de régulation s’adaptent à une éventuelle variabilité des phases du réseau. En effet, les phases sont susceptibles de varier en cas d’appel de charge ou d’augmentation de la production d’énergie du réseau. On améliore ainsi la précision de la synchronisation et de la régulation du courant.
[081] La consigne Vregc en commandes vectorielles issue de la régulation en courant 22 assure l’asservissement du courant en régulant la consigne de tension Vref du système de batterie pour la ou chaque ligne de courant. La consigne Vregc est transmise au bloc de modulation 240 une fois qu’on détecte que la synchronisation est conforme pour délivrer une consigne de référence en tension adaptée au pilotage du système de batterie. On utilise le même bloc de modulation 240 que pour la synchronisation 21 ou un autre bloc de modulation spécifique à la régulation de courant.
[082] En figure 4, un graphique représente une simulation de l’opération de régulation en courant du système de batterie. L’abscisse est l’axe temporel. Ce graphique représente dans le cadre supérieur la consigne de courant Iref et le courant résultant en valeur RMS d’une ligne de courant. Le cadre du milieu représente le courant de la ligne du réseau 1res et le courant de la ligne correspondant du système de batterie. Le cadre inférieur représente le nombre Qcl de clusters de cellules activés lors de la régulation de courant. Dans cet exemple, la ligne de courant comporte 24 clusters de cellules connectés en série dans la ligne de courant de la batterie.
[083] Sur ce graphique, on observe qu’à partir de 1 ,15 seconde on pilote une consigne de courant Iref à une valeur de 16A RMS. Très rapidement, la valeur de courant de la batterie augmente jusqu’à atteindre la valeur de consigne Iref à l’instant de 1 ,4 secondes. La dynamique de régulation du courant pendant cette phase transitoire est très rapide puisque l’impédance du circuit électrique est très faible. La convergence du courant se réalise en moins de 200 millisecondes. On observe que la forme du courant est stabilisée, le courant traversant les clusters Ici est toujours positif. Le courant alternatif 1res correspond au courant dans le réseau.
[084] En figure 5, on a représenté un logigramme décrivant le procédé de commande du système de batterie selon l’invention pour la synchronisation et la régulation du courant de charge et décharge. Le procédé est mis en œuvre par les moyens de calcul à circuits intégrés de l’unité de commande du système de batterie. Un programme ordinateur peut être prévu par l’unité de commande du système de batterie comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé de commande pour la synchronisation et régulation du courant du système de batterie. Le procédé s’applique pour la recharge et décharge sur un réseau d’alimentation monophasé et polyphasé. La synchronisation et régulation de courant peuvent s’effectuer sur une ligne de courant de la batterie ou bien plusieurs lignes de courant, par exemple deux lignes de courant de la batterie dans une configuration biphasée en connexion avec un réseau biphasé, trois lignes de courant de la batterie dans une configuration triphasée en connexion avec un réseau triphasé, ou quatre lignes de courant ou plus.
[085] A une première étape E1 , le procédé comporte la détermination de caractéristiques électriques d’une onde de tension du réseau d’alimentation, en particulier la tension et la phase de chaque ligne de courant du réseau.
[086] Le procédé comporte ensuite la commande de la synchronisation E2 des caractéristiques électriques de l’onde de tension de la ligne ou chaque ligne de courant du système de batterie avec l’onde du réseau d’alimentation correspondante. Lors de la synchronisation les contacteurs Kres sont ouverts, en référence à la figure 1 . La synchronisation consiste à réguler la valeur de tension et la phase du système de batterie en prenant comme référence la tension du réseau.
[087] Le procédé prévoit à une étape, pendant la synchronisation, la vérification E3 d’un état de synchronisation pour déterminer l’instant de fermeture des contacteurs haute tension. L’état de synchronisation est l’erreur de tension entre l’onde du réseau et l’onde de tension de la batterie par rapport à un seuil d’erreur prédéterminé.
[088] Tant que l’erreur est supérieure au seuil, la régulation en tension reste active et la consigne de tension résultante de la régulation pilote le système de batterie. Les contacteurs restent ouverts.
[089] Dès que l’erreur devient inférieure au seuil d’erreur, le procédé commande à une étape E4 la connexion électrique de la ligne ou chaque ligne de courant du système de batterie au réseau d’alimentation.
[090] Puis le procédé commande à une étape E5 la régulation du courant de la ou chaque ligne du système de batterie en prenant en compte une consigne de courant I en valeur RMS et une estimation du courant RMS de la batterie. Le procédé prévoit la détermination d’une consigne en tension pour le pilotage de l’onde de tension de la ligne du système de batterie. En générant un écart d’amplitude de tension entre les ondes de tension synchronisées, on génère soit un courant de charge, soit un courant de décharge sur la ligne ou chaque ligne de courant de la batterie.
[091] Les boucles de régulation en tension et en courant pour la synchronisation E2 et la régulation en courant E5 dans le procédé consiste en une boucle d’asservissement comportant une correction. Dans un exemple non limitatif, la boucle d’asservissement est de type de correction PL
[092] Dans le cas où le système de batterie et le réseau sont triphasés, les boucles de régulation en tension et en courant pour la synchronisation E2 et la régulation en courant E5 comporte des transformations ou estimations des consignes et des valeurs mesurées du système de batterie en commandes vectorielles dans le plan de Park en champ tournant à 50 Hz. La transformée de Park présente l’avantage de simplifier et améliorer les performances des contrôleurs de courant et de tension. On n’écarte pas la possibilité de mettre en œuvre d’autres principes de commande.
[093] En outre, le procédé de commande selon l’invention s’applique à un système de batterie monophasé ou polyphasé. En configuration monophasée ou polyphasée, l’étape E2 de synchronisation des tensions et l’étape E5 de régulation de courant peuvent agir soit directement sur les grandeurs sinusoïdales, soit via le contrôle des composantes directes et en quadrature qui sont estimées, soit par des techniques de commande impliquant des transformées mathématiques, par exemple.
[094] En figure 6, on a décrit un mode d’application du système de batterie 60 selon l’invention pour un véhicule électrifié à motorisation entièrement électrique ou motorisation hybride. Le véhicule comporte une machine électrique motrice 64 apte à transmettre un couple aux roues motrices 62 du véhicule à travers une transmission 61. La machine électrique 64 peut être triphasée. Le véhicule comporte un système de batterie 60 selon l’architecture à onduleur multiniveaux distribué dans la batterie conformément à la description faite en figure 1 . La batterie comporte trois lignes de courant pouvant générer des ondes de tension triphasées. Le véhicule comporte en outre une interface de recharge de la batterie 68 à partir d’un réseau d’alimentation fonctionnant en tension alternative. L’interface de recharge 68 est un boitier de recharge connectant électriquement les bornes de la batterie 60 à la borne pour une recharge en tension alternative conformément au procédé selon l’invention. L’interface de recharge 68 est apte aussi à une recharge rapide en tension continue. Le système de batterie 60 est avantageux en ce que son unité de commande 65 adapte l’onde de tension en forme alternative ou en forme d’onde continue sans avoir recours à un convertisseur de tension.
[095] Le véhicule comporte en outre un système de supervision 66 coopérant avec l’unité de commande 65 du système de batterie 60. Le système de batterie 60 peut être connecté directement électriquement à la machine électrique motrice 64 améliorant ainsi son rendement énergétique en traction. La batterie peut être en outre connectée à un réseau électrique embarqué haute tension 63 de tension continue du véhicule, par exemple fonctionnant à une tension nominale de 350 Volts, et à un réseau de bord basse tension 67 fonctionnant à une tension nominale de type 12 Volts, comportant une batterie. Les réseaux de tension continue embarqués 63 et 67 peuvent être alimentés par la batterie 60 via un convertisseur AC/DC, éventuellement.
[096] De même, grâce à l’invention, la batterie 60 peut être reliée électriquement de manière sécurisée à un réseau d’alimentation étendu externe, via une borne de recharge fonctionnant en tension alternative après la mise en œuvre de la phase de synchronisation. Et la régulation du courant de charge et décharge se pilote par l’unité de commande 65 de la batterie en régulant en tension les lignes du système de batterie 60.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de batterie (BAT) à cellules électrochimiques, destiné à se recharger/décharger sur un réseau d’alimentation électrique étendu (RES) fonctionnant en tension alternative, le système (BAT) comportant au moins une ligne de courant (LT1 ) comportant une pluralité de modules élémentaires (MCLk), munis chacun d’une cellule ou d’un cluster de cellules, formant un onduleur multiniveaux distribué et une unité de commande (BMS) des modules élémentaires (MCLk) apte à générer une forme d’onde de tension alternative choisie aux bornes de la ligne de courant (LT1 ) en fonction d’une consigne de référence en tension (Vref), le système (BAT) étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre:
- un moyen de détermination (20) de caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative du réseau d’alimentation (RES),
- un moyen de synchronisation (21 ) des caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative de la ligne de courant (LT 1 ) du système de batterie (BAT) avec l’onde de tension alternative du réseau d’alimentation (RES),
- un moyen de connexion électrique (Kres) de la ligne de courant (LT1 ) au réseau d’alimentation (RES) piloté en fonction d’un état de synchronisation (STE) des ondes de tension du système de batterie (BAT) et du réseau (RES),
- un moyen de régulation du courant (22) du système de batterie (BAT) par pilotage de la consigne de référence en tension (Vref) de la ligne de courant du système de batterie (BAT).
2. Système selon la revendication 1 , comportant trois lignes de courant (LT1 , LT2, LT3) dans lequel le moyen de synchronisation (21 ) comporte un moyen de transformer (210, 211 ) les tensions mesurées (Vbat, Vres) des lignes (LT1 , LT2, LT3) du système de batterie (BAT) et du réseau (RES) en premières commandes vectorielles (Vresl , Vbatl ), un moyen de déterminer (212) une première consigne de tension en commande vectorielle (Vsync) par un premier régulateur prenant en entrées les premières commandes vectorielles (Vresl , Vbatl ), et un premier moyen de moduler (240) la première consigne de tension (Vsync) en une consigne de référence (Vref) en tension du système de batterie (BAT).
3. Système selon la revendication 1 ou 2, comportant trois lignes de courant (LT1 , LT2, LT3) dans lequel le moyen de régulation de courant (22) comporte un moyen de transformer (220, 221 ) des courants mesurés (Ibat) des lignes (LT1 , LT2, LT3) du système de batterie (BAT) et d’une consigne de courant de référence (Iref) en deuxièmes commandes vectorielles de courant (Irefl , Ibatl ), un moyen de déterminer (222) une deuxième consigne de tension en commande vectorielle (Vregc) par un deuxième régulateur prenant en entrées les deuxièmes commandes vectorielles (Irefl , Ibatl ) et un deuxième moyen de moduler (240) la deuxième consigne de tension (Vregc) en une consigne de référence en tension (Vref) du système de batterie.
4. Système selon la revendication 2 ou 3, comportant en outre un estimateur (202) des phases (201 ) du réseau d’alimentation (RES), et dans lequel les moyens de transformation (210, 211 , 220, 221 ) des premières (Vresl , Vbatl ) et/ou des deuxièmes commandes vectorielles (Irefl , Ibatl ) dépendent également desdites estimations de phase (201 ).
5. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comportant en outre un estimateur (212) de l’écart d’amplitude de tension (Verr) entre l’onde de tension du réseau d’alimentation (RES) et du système de batterie (BAT) et dans lequel l’état de synchronisation (STE) est dépendant de l’écart (Verr) par rapport à un seuil d’erreur prédéterminé.
6. Véhicule automobile électrifié comportant un système de batterie rechargeable (60) et une interface électrique (68) destinée au branchement du système de batterie (60) à un réseau d’alimentation électrique étendu pour la recharge et décharge sur le réseau d’alimentation, dans lequel le système de batterie (60) est selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Système de batterie stationnaire comportant un système de batterie rechargeable et une interface électrique destinée au branchement du système de batterie à un réseau d’alimentation électrique étendu dans lequel le système de batterie est selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
8. Procédé de commande d’un système de batterie (BAT) à cellules électrochimiques pour la décharge/recharge sur un réseau d’alimentation électrique étendu (RES) comportant les étapes successives suivantes :
- La détermination (E1 ) de caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative du réseau d’alimentation (RES),
- La synchronisation (E2) des caractéristiques électriques d’une onde de tension alternative d’au moins une ligne de courant (LT 1 ) du système de batterie (BAT) avec l’onde de tension alternative du réseau d’alimentation (RES),
- La connexion électrique (E4) de la ligne de courant au réseau d’alimentation en cas de détection (E3) que l’état de synchronisation des ondes de tension du système de batterie (BAT) et du réseau (RES) est inférieur à un seuil d’erreur prédéterminé,
- Puis la régulation (E5) du courant de la ligne (LT1 ) du système de batterie (BAT) par pilotage d’une consigne de référence en tension (Vref) adaptée au pilotage de la ligne de courant (LT1 ) du système de batterie (BAT).
9. Procédé de commande selon la revendication 8 dans lequel la synchronisation (E2) comporte les étapes suivantes :
- la transformation des tensions mesurées (Vbat, Vres) de lignes (LT 1 , LT2, LT3) du système de batterie (BAT) et du réseau (RES) en premières commandes vectorielles (Vresl , Vbatl ),
- la détermination d’une première consigne de tension en commande vectorielle (Vsync) par un premier régulateur (212) prenant en entrées les premières commandes vectorielles (Vresl , Vbatl ),
- la modulation de la première consigne de tension en commande vectorielle (Vsync) pour générer la consigne de référence (Vref) en tension pour générer l’onde de tension à synchroniser.
10. Procédé de commande selon la revendication 8 ou 9 dans lequel la régulation en courant (E5) du système de batterie (BAT) comporte les étapes suivantes : - la transformation des courants mesurés (Ibat) des lignes (LT1 , LT2, LT3) du système de batterie (BAT) et d’une consigne de courant de référence (Iref) en deuxièmes commandes vectorielles de courant (Irefl , Ibatl ),
- la détermination d’une deuxième consigne de tension en commande vectorielle (Vregc) par un deuxième régulateur (222) prenant en entrées les deuxièmes commandes vectorielles (Irefl , Ibatl ),
- la modulation de la deuxième consigne de tension en commande vectorielle (Vregc) pour générer la consigne de référence (Vref) en tension pour réguler le courant de charge/décharge du système de batterie (BAT).
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