EP4721225A1 - Procede de commande d'une charge de batterie d'un systeme electrique polyphase pour la generation d'une tension continue par permutation des lignes de courant - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de commande d'un système électrique polyphasé comportant une batterie à onduleur multiniveaux distribué, le procédé comportant au moins une configuration de charge de la batterie (BAT) comprenant les étapes suivantes pilotées simultanément de génération d'une première tension continue en sortie d'un module de diodes (RD) à partir d'une ligne de courant (LT1) parmi lesdites trois lignes (LT1, LT2, LT3) durant laquelle les modules élémentaires (MCLk) de ladite ligne (LT1) sont pilotés en fonction d'une première consigne de référence, et de charge en tension alternative des cellules (CLk) des modules élémentaires (MCLk) des deux autres lignes de courant (LT2, LT3) parmi les trois lignes (LT1, LT2, LT3) durant laquelle les modules élémentaires (MCLk) desdites deux autres lignes (LT2, LT3) sont pilotés en fonction d'une deuxième consigne de référence synchronisée avec une tension alternative d'un réseau d'alimentation étendu (RES). L'invention s'applique aux véhicules électrifiés et aux systèmes de stockage stationnaires.

Description

DESCRIPTION

TITRE : PROCEDE DE COMMANDE D’UNE CHARGE DE BATTERIE D’UN SYSTEME ELECTRIQUE POLYPHASE POUR LA GENERATION D’UNE TENSION CONTINUE PAR PERMUTATION DES LIGNES DE COURANT

[001] La présente invention revendique la priorité de la demande française N° 2305326 déposée le 30.05.2023 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

[002] Le domaine de l’invention concerne un procédé de commande d’un système électrique polyphasé pour la génération d’un réseau électrique DC lors de la recharge en courant monophasé d’une batterie.

[003] Les véhicules électrifiés comportent une batterie de traction de haute puissance, fonctionnant généralement dans une plage de tension de 260 volts à 450 volts. Lors de la recharge d’un véhicule en courant monophasé, un convertisseur AC/DC convertit le courant électrique alternatif en courant continu compatible de la batterie et un convertisseur DC/DC transforme cette tension continue en une autre tension inférieure adaptée au réseau de bord, généralement d’environ 12 volts. Il est donc possible de générer la tension du réseau de bord durant la charge du véhicule.

[004] 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 et W0-A1 -2021/048477. 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.

[005] La génération de la tension continue du réseau de bord pendant une recharge du véhicule en courant alternatif est problématique pour cette architecture du fait qu’il est nécessaire d’activer la génération d’une tension continue par pilotage de l’onduleur multiniveaux distribué dans la batterie, puis de produire le courant continu du réseau de bord via un convertisseur DC/DC. Pour résoudre ce problème de génération de la tension continu pendant une recharge du véhicule sur un réseau électrique alternatif, la demanderesse a prévu une solution consistant à injecter une tension de mode commun sur l’ensemble des trois lignes de courant. Cette solution est décrite dans le document brevet FR-A1 -3121797.

[006] Cependant cette solution n’est pas adaptée pour une recharge en courant monophasé. En effet, comme les trois lignes de courant de la batterie sont connectées en série, il n’est pas possible de générer la tension de mode commun.

[007] Il existe donc un besoin de palier les problèmes précités. Un objectif de l’invention est de proposer un protocole de recharge en courant monophasé alternatif, pour un véhicule équipé d’une architecture de batterie à onduleur multiniveaux distribué, permettant de maintenir la tension du réseau de bord du véhicule durant la recharge.

[008] Plus précisément, l’invention concerne un procédé de commande d’un système électrique polyphasé pour la recharge d’une batterie de puissance à cellules électrochimiques dudit système, la batterie comportant trois lignes de courant dans laquelle chaque ligne comporte une pluralité de modules élémentaires connectés en série, munis chacun d’une cellule ou d’un cluster de cellules et d’un module de commutation comprenant un pont en H, formant un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de chaque ligne de courant.

[009] Selon l’invention, le procédé comporte au moins une configuration de charge de la batterie comprenant les étapes suivantes pilotées simultanément :

[010] - la génération d’une première tension continue en sortie d’un module de diodes à partir d’une ligne de courant parmi lesdites trois lignes durant laquelle les modules élémentaires de ladite ligne sont pilotés en fonction d’une première consigne de référence,

[011] - la charge en tension alternative des cellules des modules élémentaires des deux autres lignes de courant parmi les trois lignes durant laquelle les modules élémentaires desdites deux autres lignes sont pilotés en fonction d’une deuxième consigne de référence synchronisée avec une tension alternative d’un réseau d’alimentation étendu.

[012] Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

[013] - La commande successivement en boucle de première, deuxième et troisième configurations de charge de la batterie, la première configuration de charge durant laquelle la première tension continue est générée à partir d’une première ligne de courant et la charge en tension alternative des cellules est opérée pour des deuxième et troisième lignes de courant, la deuxième configuration durant laquelle la première tension continue est générée à partir de la deuxième ligne de courant et la charge en tension alternative des cellules est opérée pour les première et troisième lignes de courant, la troisième configuration durant laquelle la première tension continue est générée à partir de la troisième ligne de courant et la charge des cellules est opérée pour les première et deuxième lignes de courant.

[014] - Les étapes suivantes préalablement à la commande d’une desdites première, deuxième et troisième configurations de charge : une étape de surveillance d’un paramètre électrique représentatif de la valeur maximale pilotable de l’onde de tension d’au moins une desdites lignes de courant consistant à détecter si le paramètre est inférieur à un seuil, et en cas de détection que ledit paramètre est inférieur audit seuil, la commande d’une quatrième configuration de charge comprenant la charge en tension alternative des cellules des modules élémentaires des première, deuxième et troisième lignes de courant simultanément.

[015] - La quatrième configuration de charge comprend en outre la connexion en série de la première, deuxième et troisième lignes de courant à une unique branche de phase du système électrique pour la charge en tension alternative.

[016] - Le seuil de tension est égal à la valeur maximale de l’onde de la tension du réseau d’alimentation étendu.

[017] - Durant la charge des cellules pour les première, deuxième et troisième configurations de charge, les lignes de courant en charge sont connectées en parallèle à une interface d’alimentation en courant alternatif monophasé. [018] - Durant la génération de la première tension continue, la conversion de la première tension continue en une deuxième tension continue de sorte à recharger une batterie de servitude d’un réseau électrique de tension continue.

[019] Il est prévu en outre un système électrique polyphasé comprenant une batterie de puissance à cellules électrochimiques, trois branches de phase prévues pour la recharge de la batterie à partir d’un réseau d’alimentation électrique étendu fonctionnant en tension alternative, et un module de diodes relié électriquement auxdites branches de phase par trois dérivations, la batterie comportant trois lignes de courant, chaque ligne comportant une pluralité de modules élémentaires connectés en série, munis chacun d’une cellule ou d’un cluster de cellules et d’un module de commutation) comprenant un pont en H, formant un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de chaque ligne de courant, et comportant une unité de commande configurée pour mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de commande selon l’invention.

[020] Selon une variante, le système comporte une interface d’alimentation prévue pour une charge électrique en tension alternative monophasée et un dispositif de couplage apte à connecter électriquement les trois branches de phase en parallèle à l’interface d’alimentation.

[021] Il est prévu en outre un véhicule automobile électrifié comportant un tel système électrique.

[022] Il est prévu en outre un système de stockage stationnaire comportant un tel système électrique.

[023] L’invention prévoit en outre un programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande d’une batterie d’un système électrique polyphasé, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de commande selon l’invention.

[024] L’invention présente l’avantage que le procédé peut être mis en œuvre par une solution entièrement logicielle pour la commande du système électrique polyphasé. L’invention permet la génération d’une tension continue pour un réseau électrique simultanément à une charge des cellules en courant monophasé. [025] 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 :

[026] [Fig .1 ] représente un mode de réalisation d’un système polyphasé comportant une batterie équipée d’un onduleur multiniveaux et prévu pour mettre en œuvre le procédé de commande selon l’invention.

[027] [Fig.2] représente un mode de réalisation du système selon l’invention comprenant un module de diodes pour la génération d’un bus de tension continue pour un réseau électrique de tension continue alimentée par la batterie.

[028] [Fig.3] représente une configuration de charge du système électrique permettant la génération d’une tension continue et la charge des deux autres lignes de courant de la batterie à partir d’un courant alternatif monophasé.

[029] [Fig.4] représente un mode de réalisation du procédé de commande selon l’invention.

[030] [Fig.5] représente une forme d’onde de tension monophasée utilisée pour la consigne de référence des lignes de charge durant le procédé selon l’invention.

[031] [Fig.6] représente schématiquement un mode de réalisation du système électrique pour un véhicule électrifié.

[032] L’invention concerne un système électrique polyphasé pour le 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 polyphasé 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 vise à proposer un procédé de commande permettant de maintenir la tension d’un réseau continu DC alimentée par la batterie de puissance pendant une charge en courant monophasé alternatif. En particulier, le procédé vise à maintenir la tension d’un réseau de bord de véhicule électrifié pendant la recharge du véhicule.

[033] 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 connectés en série 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 choisie, alternative et continue, sur chaque ligne de courant. Cette architecture fait l’objet d’une description plus détaillée en figure 1 .

[034] En référence à la figure 1 , la batterie de puissance BAT comporte une pluralité n de modules élémentaires MCLk formant la structure d’onduleur multi-niveaux distribuée dans la batterie et comporte trois lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 reliées à des branches de phase BP1 , BP2 et BP3 et dans lesquelles sont agencés les modules élémentaires MCLk. Les modules élémentaires MCLk sont reliés en série dans chaque ligne de courant. Les branches de phase BP1 , BP2 et BP3 permettent de connecter la batterie à des différents systèmes prévus pour utiliser une tension alternative ou continue. Dans cette configuration triphasée, chaque ligne de courant comporte n/3 modules élémentaires.

[035] 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 LT1 , 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 pour les applications de véhicule automobile, ou à une tension maximale de 1500 Volts continu voire au-delà, notamment pour les systèmes de stockage stationnaires.

[036] Dans un premier ensemble de dérivations des branches de phases BP1 , BP2 et BP3, le système de batterie BAT comporte des commutateurs haute tension Kres, appelés également contacteurs haute tension, destinés à relier électriquement la batterie BAT à un réseau d’alimentation électrique étendu RES. Chaque ligne de courant LT1 , LT2 et LT3 est connectée, via ces dérivations, 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 et comporte une ligne triphasée munie de trois lignes de tension P1 , P2 et P3. Le système de batterie BAT est adapté pour générer trois ondes de 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.

[037] Il convient de noter que, grâce à cette architecture d’onduleur multiniveaux distribué dans la batterie, le système électrique ne comporte pas de convertisseur de tension AC/DC entre les lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 et les branches de phases BP1 , BP2 et BP3 fonctionnant en courant alternatif.

[038] Par ailleurs, dans le cas d’un mode de réalisation pour un véhicule électrifié, le système de batterie BAT est la batterie de traction du véhicule et comporte en outre des commutateurs haute tension Kmel destinés à relier électriquement la batterie BAT à une machine électrique motrice MEL. Chaque ligne de courant LT1 , LT2 et LT3 est connectée, via un deuxième ensemble de dérivations des branches de phases BP1 , BP2 et BP3, 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.

[039] En variante, pour un mode de réalisation d’une installation à énergie renouvelable, le deuxième ensemble de dérivation des branches de phases peut être relié à une installation photovoltaïque ou une installation à dispositif éolien. En variante, la batterie est reliée au réseau d’alimentation électrique à des fins de régulation de réseau.

[040] Par ailleurs, il est prévu un autre ensemble de dérivations permettant de connecter la batterie à un bus de tension continue. Cette partie fera l’objet d’une description plus détaillée dans les figures suivantes pour décrire le procédé de commande visant à permettre le maintien de la tension d’un réseau de tension continue pendant une recharge en courant monophasé alternatif de la batterie.

[041] 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 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.

[042] 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 :

[043] [Math 1]

[045] Ainsi, l’unité de commande BMS peut commander sur chaque ligne de tension LT1 , 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 en connectant les cellules en série par l’intermédiaire des modules de commutations COMk. 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. [046] 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 (un oxyde de Nickel Manganèse Cobalt lithié NMC ou un phosphate lithié de fer LFP peuvent être cités à titre d’exemples de matières actives d’électrode positive), Nickel Cadmium (Ni-cd), Nickel-Métal-Hydrure (Ni-MH) par exemple. Plus précisément, une cellule Lithium-ion est composée principalement d’une électrode positive poreuse, une électrode négative poreuse, un séparateur et un électrolyte (pouvant être liquide, polymérique ou solide). Le principe de fonctionnement d’une cellule Lithium-ion repose sur l’échange réversible d’ions lithium entre les deux électrodes poreuses.

[047] En figure 2, le système de batterie BAT est illustré schématiquement dans le système électrique polyphasé. Par souci de clarté, l’ensemble de dérivation de la machine électrique motrice n’est plus représenté.

[048] Le système électrique polyphasé comporte un troisième ensemble de dérivations des branches de phases PB1 , PB2 et PB3 pour la connexion de la batterie BAT à un bus de tension continue BDC. Cet ensemble de dérivations comporte trois dérivations D1 , D2 et D3 reliés respectivement aux branches de phases BP1 , BP2 et BP3. Les dérivations D1 , D2 et D3 sont reliées à un module de diodes RD comprenant trois diodes d1 , d2 et d3 reliées respectivement aux dérivations D1 , D2 et D3. En outre, il est prévu des commutateurs K6, K7 et K8 agencés pour connecter et déconnecter sélectivement les diodes d1 , d2 et d3 à leur dérivation respective D1 , D2 et D3. En sortie du module de diodes RD, les trois diodes d1 , d2 et d3 sont reliées ensemble à un bus de tension continue BDC. Le bus de tension continue BDC est adapté pour alimenter au moins un système fonctionnant en tension continu. Il alimente un ou plusieurs équipements électriquement parmi un ensemble d’équipements comprenant un ou plusieurs convertisseurs de tension DC/DC, un compresseur électrique, un chauffage électrique, par exemple dans un cas d’application de véhicule électrifié. D’autres systèmes électriques sont envisageables selon le cas d’application.

[049] Le module de diodes RD a pour fonction de générer une première tension continue Vdc ajustable en forme et amplitude par pilotage de la forme d’ondes de tension générées Vlt1 , Vlt2 et Vlt3 sur les lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 respectivement. La première tension continue Vdc égale à l’amplitude de tension maximale pilotée parmi les trois lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 qui sont connectées. Les trois lignes LT1 , LT2 et LT3 peuvent être connectées au module de diodes pour générer la tension Vdc ou une ligne seulement. Par exemple Vdc peut être générée à partir de la ligne LT 1 seulement, et les lignes LT2, et LT3 sont déconnectées. Vdc peut être générée à partir de la ligne LT2 seulement, et les lignes LT1 , et LT3 sont déconnectées. Vdc peut être générée à partir de la ligne LT3 seulement, et les lignes LT1 , et LT2 sont déconnectées.

[050] Le module de diodes RD est constitué de composants usuels et faciles à obtenir et à monter. De plus, les diodes présentent l’avantage d’être fiables, robustes et de bas coût.

[051] Par ailleurs, il est prévu dans cet exemple un convertisseur de tension CONV DC/DC connecté en sortie du module de diodes RD et prévu pour convertir la tension Vdc en une deuxième tension Vrdb de plus faible niveau, par exemple 12 volts. D’autres valeurs sont envisageables selon l’application prévue pouvant être comprises entre 12 volts et 450 volts. Ce convertisseur CONV alimente un réseau de tension continu RDB lorsque le convertisseur est alimenté par la tension Vdc. Il est prévu en outre que le réseau de tension continu RDB comporte une batterie de servitude BAT2 permettant de stabiliser la tension du réseau RDB et d’assurer les besoins électriques du réseau RDB lorsque le convertisseur CONV ne l’alimente pas, notamment lors de la charge de la batterie de puissance à partir d’un courant monophasé.

[052] En outre, le système polyphasé comporte des commutateurs K4 et K5 agencés pour connecter sélectivement en série et en parallèle les lignes de courants LT 1 , LT2 et LT3 permettant ainsi un fonctionnement monophasé et un fonctionnement triphasé de la batterie. Plus précisément, en configuration monophasée, les commutateurs KR2 et KR3 et K5 sont ouverts, et les commutateurs KR1 et K4 sont fermés. Ainsi les lignes de courants LT 1 , LT2 et LT3 sont connectées en série à la branche de phase BP1 connectée au réseau d’alimentation électrique étendu RES. En configuration triphasée, le commutateur K4 est ouvert et les commutateurs KR1 , KR2, KR3 et K5 sont fermés. Ainsi les lignes de courants LT1 , LT2 et LT3 sont connectées respectivement aux branches de phase BP1 , BP2 et BP3 connectées au réseau d’alimentation électrique étendu RES.

[053] Par ailleurs, le système polyphasé comporte une interface d’alimentation PR adaptée pour connecter électriquement les branches de phases BP1 , BP2 et BP3 à une ligne d’alimentation monophasée. Typiquement, l’interface d’alimentation PR peut être une prise de branchement, câble de branchement ou tout moyen d’interface d’alimentation comportant un dispositif de couplage agencé pour connecter les trois branches de phases BP1 , BP2 et BP3 en parallèle à la ligne d’alimentation monophasée fonctionnant en tension alternative.

[054] Il convient de noter par ailleurs que la tension Vdc est ajustable en amplitude selon la configuration de fonctionnement de la batterie de puissance BAT. En mode de recharge en courant triphasé alternatif, la tension Vdc peut être générée simultanément à la recharge par l’injection d’une tension de mode commun aux trois lignes de courant LT1 , LT2 et LT3. Ce mode de fonctionnement a fait l’objet de la demande de brevet français FR-A1 -3121797 par la demanderesse.

[055] En figure 3, on a représenté une configuration de charge du système polyphasé permettant la recharge de la batterie BAT à partir d’un courant alternatif monophasé simultanément à la génération d’une tension continue Vdc en sortie du module de diodes RD. Dans cette configuration, les deux branches de phase BP1 , BP2 sont connectées en parallèle à une ligne d’alimentation monophasée du réseau d’alimentation. Les commutateurs KR1 et KR2 sont fermés. La branche de phase BP3 est déconnectée du réseau d’alimentation alternatif, KR3 est ouvert. Par ailleurs, les commutateurs K6 et K7 sont ouverts. La ligne LT3 uniquement est utilisée pour générer le bus de tension continu BDC en sortie du module de diode RD. K8 est fermé.

[056] Par ailleurs, un procédé de commande de la batterie BAT comporte la commande de plusieurs configurations de charge, comprenant au moins une configuration de charge, durant lesquelles le procédé comporte la génération de la tension continue Vdc par une tension continue formée par les cellules d’une des lignes de courant, la tension Vlt3 de la ligne LT3 comme illustrée en figure 3. A cet effet, les cellules de la ligne LT3 sont pilotées en fonction d’une consigne de référence Vref3 de forme continue et de valeur comprise entre 100 volts et 450 volts. Les cellules des deux autres lignes de courant, LT1 et LT2 en figure 3, sont pilotées chacune en fonction d’une consigne de référence synchronisée avec la tension alternative du réseau d’alimentation monophasé. Ainsi, le procédé de commande permet la recharge électrique en courant monophasé simultanément à la génération du bus de tension continue Vdc. [057] Pour cette configuration de la batterie à trois lignes de courant, le procédé de commande peut donc piloter trois configurations de charge CR1 , CR2 et CR3. Dans la première configuration de charge, la première tension continue Vdc est générée à partir de la première ligne de courant LT1 et la charge en tension alternative des cellules est opérée à partir des deuxième LT2 et troisième LT3 lignes de courant, dans la deuxième configuration CR2 la première tension continue Vdc est générée à partir de la deuxième ligne de courant LT2 et la charge des cellules est opérée à partir des première LT1 et troisième LT3 lignes de courant et dans la troisième configuration CR3 la première tension continue est générée à partir de la troisième ligne de courant LT3 et la charge en tension alternative des cellules est opérée à partir des première LT1 et deuxième LT2 lignes de courant.

[058] Par ailleurs, pour conserver l’équilibrage de charge des cellules entre les lignes LT1 , LT2 et LT3, le procédé de commande comporte la commande de ces trois configurations de charge CR1 , CR2 et CR3, pilotées successivement et en boucle durant la charge de la batterie BAT. Ces configurations de charge sont permutées selon une période choisie d’une durée comprise entre quelques minutes à plusieurs dizaines de minutes. La période est d’une durée constante pour les trois configurations.

[059] Il est prévu en outre une fonction de surveillance prévue pour contrôler que chaque ligne de courant LT1 , LT2 et LT3 de la batterie BAT soit apte à générer une amplitude de tension suffisante pour la connexion au réseau d’alimentation alternatif. En effet, en cas de décharge importante de la batterie, du fait de la diminution de tension des cellules résultante d’un niveau de charge bas, il est possible que la tension maximale d’une des lignes ne puisse pas atteindre la tension de crête du réseau empêchant alors la synchronisation avec le réseau.

[060] Pour résoudre ce problème, il est prévu que la fonction de surveillance soit configurée lors de l’initialisation d’une charge de la batterie pour détecter si la valeur maximale pilotable de l’onde de tension d’au moins une des lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 est inférieure à un seuil de tension. Le seuil de tension dépend de la tension du réseau d’alimentation et peut être compris entre 150 volts et 350 volts selon la norme du réseau (120 volts ou 230 volts).

[061] La fonction de surveillance comporte en outre une commande d’une quatrième configuration de charge CR4 dépendant du résultat de cette détection et comprenant la charge en tension alternative des cellules des lignes de courant LT1 , LT2, LT3 simultanément durant laquelle les lignes sont connectées en série. Pour la mise en œuvre de cette quatrième configuration de charge CR4, en référence à la figure 2, le commutateur de réseau KR1 est fermé et les commutateurs KR2 et KR3 sont ouverts. Le commutateur K4 est fermé et le commutateur K5 est ouvert. Les commutateurs K6, K7 et K8 sont ouverts de manière à déconnecter le module de diode RD. Les besoins électriques du réseau RDB de tension continue sont assurés temporairement par la batterie de servitude BAT2 qui délivre la tension Vrdb jusqu’à ce que la tension de chaque ligne redevienne supérieure au seuil de tension.

[062] En figure 4, le procédé de commande selon l’invention est décrit sous la forme d’un schéma bloc et illustre la séquence de permutation des configurations de charge pilotée par l’unité de commande conformément à l’invention.

[063] Le procédé comporte une étape d’initialisation E0 préalablement à la séquence de charge de la batterie à partir d’une ligne d’un réseau d’alimentation fonctionnant en courant alternatif monophasé. Le système de stockage n’est pas encore connecté au réseau. L’étape d’initialisation E0 comporte le démarrage de la batterie et de l’unité de commande.

[064] Par ailleurs, l’étape d’initialisation E0 peut prévoir une précharge d’une capacité du bus de tension BDC de manière à éviter un phénomène de pic de courant lors de la fermeture d’un des commutateurs K6, K7 et K8.

[065] Par ailleurs, avant chaque fermeture de commutateurs KR1 , KR2 et K3, le procédé de commande prévoit une étape de synchronisation des ondes de tensions générées par les lignes de courant de la batterie avec le réseau d’alimentation alternatif. Plus précisément, la synchronisation prévoit la commande de mise en phase et de pilotage d’une différence d’amplitude en tension entre une ligne de courant de la batterie et le réseau qui est inférieur à un seuil (exprimé en tension), par exemple de quelques volts. La synchronisation d’une ligne est prévue à chaque permutation de configuration de charge.

[066] Tout d’abord, le procédé de commande comporte une étape de surveillance E1 d’un paramètre électrique représentatif de la valeur maximale pilotable de l’onde de tension Vltx d’au moins une des lignes de courant LT1 , LT2 et LT3, ou chaque ligne de courant. La surveillance E1 consiste à détecter si ledit paramètre est inférieur à un seuil de tension S1 , par exemple 310 volts. La valeur maximale pilotable correspond à la somme des tensions de toutes les cellules d’une ligne de courant mise en série. Cette valeur est mesurable à chaque instant par l’unité de commande de la batterie au moyen de capteurs de tension de chaque cellule ou chaque cluster de cellules. En variante, le paramètre électrique est une estimation de l’état de charge des cellules de chaque ligne et le seuil S1 est une valeur représentative de l’état de charge. S1 peut alors être exprimé en points (%) de capacité d’état de charge ou en ampères-heures.

[067] En cas de détection qu’une des lignes de courant a une valeur de tension maximale pilotable qui est inférieure audit seuil S1 , le procédé commande la quatrième configuration de charge CR4 comprenant une étape de charge ECH4 en tension alternative des cellules des modules élémentaires MCLk des première, deuxième et troisième lignes de courant LT1 , LT2, LT3 simultanément. Durant la charge ECH4 les trois lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 sont connectées en série.

[068] La figure 5 illustre la tension alternative monophasée qui est générée sur la branche de phase du système de batterie lors de la charge ECH4 à partir des cellules connectées en série des trois lignes de courant LT1 , LT2 et LT3 configurées en série. La courbe inférieure représente la tension Vac générée aux bornes de la batterie, exprimée en volts, et la courbe supérieure représente le courant lac du réseau d’alimentation exprimée en ampères. Cette configuration a pour avantage de pouvoir générer une tension de crête en ayant recours à l’ensemble des modules élémentaires des trois lignes de courant. Cette configuration permet la recharge des cellules lorsque l’état de charge de la batterie est faible, pour des états de charge inférieurs à 10% de la charge totale par exemple.

[069] En cas de détection que chacune des lignes de courant a une valeur de tension maximale pilotable qui est supérieure audit seuil S1 , le procédé commande l’une des configurations de charge, par exemple la première configuration de charge CR1. En variante, le procédé peut déclencher la deuxième configuration de charge CR2 ou la troisième configuration de charge CR3.

[070] La première configuration de charge CR1 comprend les étapes suivantes, pilotées simultanément, de la génération EGN1 de la première tension continue Vdc en sortie du module de diodes à partir de la ligne de courant LT1 durant laquelle les modules élémentaires de ladite première ligne sont pilotés en fonction d’une première consigne de référence Vrefl , et de la charge ECH1 en tension alternative des cellules des modules élémentaires des deux autres lignes de courant LT2, LT3 durant laquelle les modules élémentaires desdites deux autres lignes sont pilotés en fonction d’une deuxième consigne de référence Vref2 synchronisée avec une tension alternative du réseau d’alimentation étendu. En référence à la figure 5, les tensions Vlt2 et Vlt3 pour les lignes LT2 et LT3 respectivement sont générées identiquement à la courbe Vac.

[071] Plus précisément, la première consigne Vrefl est un signal de tension continue dont la valeur est comprise entre 100 volts et 450 volts. La consigne Vref2 est un signal mesuré à partir de l’interface d’alimentation fonctionnant en courant alternatif monophasé. Le même signal Vref2 est utilisé pour synchroniser les deux lignes de courant LT2 et LT3 à charger.

[072] La première configuration de charge CR1 est commandée durant une période P.

[073] Une fois que cette période P est écoulée, le procédé de commande comporte une permutation de la configuration de charge. La permutation comporte la commande de l’arrêt de la charge des cellules de la lignes LT3, ensuite la génération d’une tension continue par la ligne LT3 conformément à la première consigne Vrefl , ensuite l’arrêt de la génération de la tension continue par la ligne LT1 , ensuite la synchronisation de la tension Vlt1 avec la tension alternative du réseau et enfin la connexion de la ligne de courant LT1 au réseau d’alimentation alternatif.

[074] Une fois que la permutation de configuration est terminée, le procédé commande la troisième configuration de charge CR3 pendant la durée de la période P. Durant cette période, le procédé commande la génération EGN3 de la première tension continue Vdc en sortie du module de diodes à partir de la ligne de courant LT3 durant laquelle les modules élémentaires de la ligne LT3 sont pilotés en fonction de la consigne en tension continue, et la charge ECH3 en tension alternative des cellules des modules élémentaires des deux autres lignes de courant LT1 , LT2 durant laquelle les modules élémentaires sont pilotés en fonction de la consigne de référence Vref2 synchronisée avec la tension alternative du réseau d’alimentation étendu.

[075] Une fois que cette période P est écoulée, le procédé de commande comporte une nouvelle permutation de configuration de charge pour piloter la configuration CR2. La permutation comporte la commande de l’arrêt de la charge des cellules de la ligne LT2, ensuite la génération d’une tension continue par la ligne LT2 conformément à la première consigne Vrefl , ensuite l’arrêt de la génération de la tension continue par la ligne LT3, ensuite la synchronisation de la tension Vlt3 avec la tension alternative du réseau et enfin la connexion de la ligne de courant LT3 au réseau d’alimentation alternatif. Une fois que la permutation de configuration est terminée, le procédé commande la deuxième configuration CR2 pendant la durée de la période P, pour ensuite commander une nouvelle permutation de la configuration de charge et commander la première configuration CR1 .

[076] Il convient de noter que les trois configurations de charge se succèdent en boucle pour assurer l’équilibrage des cellules. A chaque fin de boucle, le procédé comporte une étape de surveillance E2 d’une condition de fin de charge consistant par exemple à détecter si la valeur d’un paramètre électrique, tension d’une cellule ou d’un ensemble de cellules ou état de charge par exemple, atteint un seuil S2 de fin de charge. La condition de fin de charge peut être la détection d’une requête de fin de charge.

[077] En cas de détection d’une fin de charge, le procédé passe à l’état E3 de sortie de la charge.

[078] Il convient de noter que les permutations des configurations de recharge CR1 , CR2 et CR3 n’impliquent pas obligatoirement l’ouverture et fermeture des commutateurs K6, K7 et K8 du fait de la présence de la capacité de précharge. De préférence, les commutateurs restent fermés durant toute la durée du procédé de commande.

[079] En figure 5 un mode de réalisation du système électrique est représenté 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 électrique comportant la 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 aptes à générer des ondes de tension triphasées et monophasées. 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 en courant monophasé ou triphasé. L’interface de recharge 68 est aussi apte 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. 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.

[080] La batterie peut être en outre connectée à un bus de tension continue, haute tension, par exemple fonctionnant à une tension nominale comprise entre 100 et 800 volts, par exemple 450 volts, et à un réseau de bord basse tension 67 fonctionnant à une tension nominale de type 12 volts. A cet effet, le système électrique comporte de l’électronique de puissance 69 comprenant un module de diodes relié électriquement aux lignes de courant de la batterie. Le module de diodes est formé par au moins trois diodes conformément à la figure 2. La sortie du module de diodes fournit le bus de tension 450 volts par exemple. En outre, l’électronique de puissance 69 comporte un convertisseur DC/DC reliant le bus de tension au réseau de bord 67 (450 volts/12 volts) comprenant une batterie de servitude. Le système électrique est commandé de sorte que la batterie de servitude alimente ledit réseau DC lors de la première phase du procédé et que le convertisseur convertit la tension du bus continu (450 volts) en basse tension (12 volts) pour alimenter le réseau de bord et charger la batterie de servitude lors de la deuxième phase du procédé.

[081] Dans un autre mode de réalisation, il est envisagé un système de stockage stationnaire comportant le système électrique selon l’invention.

[082] L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que la personne de l’art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de commande d’un système électrique polyphasé pour la recharge d’une batterie de puissance (BAT) à cellules électrochimiques dudit système, la batterie comportant trois lignes de courant (LT1 , LT2, LT3) dans laquelle chaque ligne comporte une pluralité de modules élémentaires (MCLk) connectés en série, munis chacun d’une cellule (CLk) ou d’un cluster de cellules et d’un module de commutation (COMk) comprenant un pont en H, formant un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie (BAT) apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de chaque ligne de courant (LT1 , LT2, LT3), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte au moins une configuration de charge de la batterie (BAT) comprenant les étapes suivantes pilotées simultanément : la génération (EGN1) d’une première tension continue (Vdc) en sortie d’un module de diodes (RD) à partir d’une ligne de courant (LT 1 ) parmi lesdites trois lignes (LT1 , LT2, LT3) durant laquelle les modules élémentaires (MCLk) de ladite ligne (LT1 ) sont pilotés en fonction d’une première consigne de référence, la charge (ECH1 ) en tension alternative des cellules (CLk) des modules élémentaires (MCLk) des deux autres lignes de courant (LT2, LT3) parmi les trois lignes (LT1 , LT2, LT3) durant laquelle les modules élémentaires (MCLk) desdites deux autres lignes (LT2, LT3) sont pilotés en fonction d’une deuxième consigne de référence synchronisée avec une tension alternative d’un réseau d’alimentation étendu (RES).

2. Procédé selon la revendication 1 comportant la commande successivement en boucle de première, deuxième et troisième configurations de charge (CR1 , CR2, CR3) de la batterie (BAT) : la première configuration de charge (CR1 ) durant laquelle la première tension continue (Vdc) est générée (EGN1 ) à partir d’une première ligne de courant (LT1 ) et la charge en tension alternative des cellules est opérée pour des deuxième (LT2) et troisième (LT3) lignes de courant, la deuxième configuration (CR2) durant laquelle la première tension continue (Vdc) est générée à partir de la deuxième ligne de courant (LT2) et la charge en tension alternative des cellules est opérée pour les première (LT1 ) et troisième (LT3) lignes de courant, la troisième configuration (CR3) durant laquelle la première tension continue (Vdc) est générée à partir de la troisième ligne de courant (LT3) et la charge des cellules est opérée pour les première (LT1 ) et deuxième (LT3) lignes de courant.

3. Procédé selon la revendication 2 comportant en outre les étapes suivantes préalablement à la commande d’une desdites première, deuxième et troisième configurations de charge (CR1 , CR2, CR3) : une étape de surveillance (E1 ) d’un paramètre électrique représentatif de la valeur maximale pilotable de l’onde de tension (Vlt1 ) d’au moins une desdites lignes de courant (LT1 ) consistant à détecter si le paramètre est inférieur à un seuil (S1 ), et en cas de détection que ledit paramètre est inférieur audit seuil (S1 ), la commande d’une quatrième configuration de charge (CR4) comprenant la charge en tension alternative des cellules (CLk) des modules élémentaires (MCLk) des première, deuxième et troisième lignes de courant (LT1 , LT2, LT3) simultanément.

4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la quatrième configuration de charge (CR4) comprend en outre la connexion en série de la première, deuxième et troisième lignes de courant (LT1 , LT2, LT3) à une unique branche de phase (BP1 ) du système électrique pour la charge en tension alternative.

5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le seuil de tension (S1 ) est égal à la valeur maximale de l’onde de la tension du réseau d’alimentation étendu (RES).

6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 5 dans lequel, durant la charge des cellules pour les première, deuxième et troisième configurations de charge (CR1 , CR2, CR3), les lignes de courant en charge (LT2, LT3 ; LT1 , LT3 ; LT1 , LT2) sont connectées en parallèle à une interface d’alimentation (PR) en courant alternatif monophasé.

7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant en outre durant la génération de la première tension continue (Vdc), la conversion de la première tension continue (Vdc) en une deuxième tension continue (Vrdb) de sorte à recharger une batterie de servitude (BAT2) d’un réseau électrique de tension continue (RDB).

8. Système électrique polyphasé comprenant une batterie de puissance (BAT) à cellules électrochimiques, trois branches de phase (BP1 , BP2, BP3) prévues pour la recharge de la batterie à partir d’un réseau d’alimentation électrique étendu (RES) fonctionnant en tension alternative, et un module de diodes (RD) relié électriquement auxdites branches de phase par trois dérivations (D1 , D2, D3), la batterie (BAT) comportant trois lignes de courant (LT1 , LT2, LT3), chaque ligne comportant une pluralité de modules élémentaires (MCLk) connectés en série, munis chacun d’une cellule (CLk) ou d’un cluster de cellules et d’un module de commutation (COMk) comprenant un pont en H, formant un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie (BAT) apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de chaque ligne de courant, caractérisé en ce qu’il comporte une unité de commande (BMS) configurée pour mettre en œuvre le procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.

9. Système selon la revendication 8 comportant une interface d’alimentation (PR) prévue pour une charge électrique en tension alternative monophasée et un dispositif de couplage apte à connecter électriquement les trois branches de phase en parallèle à l’interface d’alimentation (PR).

10. Véhicule automobile électrifié comportant un système électrique selon la revendication 8 ou 9.

11. Système de stockage stationnaire comportant un système électrique selon la revendication 8 ou 9.