FR3006514A3

FR3006514A3 - Dispositif d'egalisation pour le systeme hierarchise de commande des batteries d'accumulateurs electriques d'energie avec la ligne isolee d'echange de l'energie a courant continu et avec des blocs de commande des accumulateurs

Info

Publication number: FR3006514A3
Application number: FR1455020A
Authority: FR
Inventors: Oleg Ivanovich Sidorenko; Vladimir Alexandrovich Podlipalin; Vsevolod Georgievich Gubin; Sveltana Vladimirovna Buzadzhi; Natalia Andreevna Polulyakh; Konstantin Sergeevich Distranov; Eduard Evgeneevich Danilov
Original assignee: OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOY OTVETSTVENNOSTYU SISTEMY UPRAVLENIA KHRANENIEM EN
Current assignee: OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOY OTVETSTVENNOSTYU SISTEMY UPRAVLENIA KHRANENIEM EN
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2014-12-05
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: FR3006514B3; ITTO20140079U1; WO2014196899A1

Abstract

Le dispositif d'égalisation (1) pour le système hiérarchisé de commande de la batterie d'accumulateurs électriques d'énergie (2) avec la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu (3) et avec les blocs de commande des accumulateurs se rapporte au domaine de l'électrotechnique et il peut être utilisé dans la fabrication des batteries à haute tension d'accumulateurs électriques d'énergie pour des besoins du transport et du secteur de l'énergie. L'essence de l'invention consiste en ce que le sous-ensemble d'équilibrage de chaque accumulateur se compose de deux convertisseurs CC/CC séparés spécialisés : le convertisseur de faible puissance à marche retour (5) fonctionnant en mode de limitation de la puissance pour transmettre l'énergie depuis l'accumulateur dans la ligne d'échange de l'énergie à courant continu et le convertisseur puissant de tension à marche directe avec le coefficient sévère de transmission de la tension (6) (transformation) pour transférer l'énergie à partir de la ligne dans l'accumulateur. Le résultat technique de l'invention consiste en ce que grâce à l'utilisation du convertisseur à marche directe le plus puissant il est possible de diriger le courant important de maintien dans le faible accumulateur depuis la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu. Dans cette ligne, l'énergie est amenée à partir d'un grand nombre d'accumulateurs «donateurs» à l'aide des convertisseurs à marche retour moins puissants, ce que permet au cours du temps limité de décharge de compenser non seulement les fuites, mais aussi le déficit de charge dans plusieurs accumulateurs « les plus mauvais ».

Description

DISPOSITIF D'ÉGALISATION POUR LE SYSTEME HIÉRARCHISÉ DE COMMANDE DES BATTERIES D'ACCUMULATEURS ÉLECTRIQUES D'ÉNERGIE AVEC LA LIGNE ISOLÉE D'ÉCHANGE DE L'ÉNERGIE À s COURANT CONTINU ET AVEC DES BLOCS DE COMMANDE DES ACCUMULATEURS L'invention proposée se rapporte au domaine de l'électrotechnique et il peut être utilisé dans la fabrication des batteries à haute tension d'accumulateurs 10 électriques d'énergie pour des besoins du transport et du secteur de l'énergie. Le problème d'assurer la durée de vie prolongée des batteries d'accumulateurs à haute tension et à haute capacité énergétique, composées d'un grand nombre d'accumulateurs, couplés en série, est un problème d'actualité, puisque même les faibles différences dans les caractéristiques des accumulateurs 15 individuels, ayant lieu au groupage des batteries, peuvent conduire en service au déséquilibre important du degré de charge des accumulateurs individuels. Les conséquences de ceci sont : abaissement du niveau de la capacité fournie par les batteries dans la charge ; surcharge et sur-décharge des éléments individuels avec l'inversion possible de leur polarité ; perte d'étanchéité et d'autres événements 20 irréversibles et indésirables ce qui conduit en définitive à la réduction de la durée de vie des batteries. Une des solutions de ce problème consiste à égaliser le déséquilibre entre les éléments individuels de la batterie (accumulateurs électriques d'énergie) par voie de shuntage sélectif des éléments individuels de la batterie à l'aide des résistances dans le système de commande des batteries avec 25 l'équilibrage passif [brevet de FR No.2324263 publié le 27.01.2008]. Toutefois, cette solution technique est énergétiquement inefficace, car elle aboutit aux pertes inutiles d'énergie et aussi provoque la surchauffe indésirable de la batterie, puisque le circuit électrique d'égalisation est localisé généralement dans le boîtier de la batterie.

On connaît le système hiérarchisé de commande de la batterie d'accumulateurs électriques d'énergie qui est alimenté à partir de la batterie elle-même [article «Particularités de constitution de l'appareillage de contrôle et de protection des batteries d'accumulateurs Lithium -ion de haute tension pour les s systèmes d'alimentation électrique des engins spatiaux » - Comptes rendus de NPP « VNIIEM », 2011, v.123, No.4, pp. 29-34; auteurs : M.F. Ganzbourg, A.I. Grouzdev, V.I. Trofimenko («AVEKS » S.A.)]. A son niveau inférieur de commande le système connu comporte des modules des accumulateurs électriques d'énergie avec des capteurs de 10 température, blocs d'affectation des numéros d'identification des accumulateurs et des modules et avec des indicateurs de leur état. En outre, ces modules contiennent des dispositifs d'égalisation, commutation, contrôle et de commande, qui par le canal de communication série sont liés au module de mesure du courant et au contrôleur du canal série au niveau médian de commande, ce module, par le canal 15 de communication série, étant connecté au bloc de commande de la batterie du niveau supérieur de commande qui est raccordé au chargeur de bord. Le dispositif d'égalisation active au niveau inférieur de commande est construit à la base du schéma de transformateur, qui redistribue l'énergie à l'intérieur de la batterie entre les accumulateurs du module [brevet de FR pour modèle d'utilité No.37884, publié 20 le 10.05.2004]. Toutefois, le système hiérarchisé connu de commande de la batterie d'accumulateurs électriques d'énergie présente l' imperfection principale suivante : complexité de réalisation de la méthode active d'égalisation à l'aide du schéma de transformateur proposé dans celui-ci en rapport à la batterie de haute tension avec 25 un grand nombre d'accumulateurs connectés en série (jusqu'à 160pcs), destinée à l'utilisation sur les moyens de transport, car le transformateur dans le prototype doit avoir sur le seul noyau des enroulements principaux suivant le nombre des accumulateurs. En réalité avec ce transformateur, on arrive à couvrir dans le module seulement 8-10 accumulateurs au plus, donc, de ce fait le problème d'égalisation inter-modulaire demeure non résolu. Selon l'ensemble des indices essentiels semblables, le système le plus proche de ce modèle est le système hiérarchisé de commande des batteries s d'accumulateurs électriques d'énergie. Dans le système en question chacun des accumulateurs électriques d'énergie, couplés en série, comporte au niveau inférieur de commande un bloc de commande de l'accumulateur unitaire. Ce bloc est alimenté à partir de l'accumulateur et au niveau médian de commande, via le canal de communication intra-modulaire, séparé galvaniquement, en série, il est lié au io bloc correspondant de commande du module des accumulateurs électriques. Ce bloc est alimenté à partir du module et au niveau supérieur de commande, par le canal de communication inter-modulaire, séparé galvaniquement, en série, il est connecté au bloc de commande des batteries, alimenté à partir de la batterie [brevet de FR pour certificat d'utilité No.123251, publié le 20.12.2012]. Le bloc de 15 commande d'un accumulateur du système connu, accepté en tant que prototype, se compose du dispositif de contrôle et de commande à la base du microcontrôleur et du dispositif actif d'égalisation à la base du schéma de transformateur. Ce dispositif d'égalisation est réalisé en tant que dispositif de transfert bidirectionnel d'énergie depuis l'accumulateur isolé de la batterie dans la ligne d'accumulation à 20 courant continu, passante pour la batterie, et inversement - suivant le principe de fonctionnement du convertisseur de tension à marche retour. Le système connu à trois niveaux de commande de la batterie des accumulateurs électriques d'énergie avec le schéma actif d'égalisation et la ligne d'accumulation couvre tout nombre d'accumulateurs et permet de redistribuer 25 l'énergie entre eux, indépendamment de leur positionnement. Néanmoins, dans le dispositif connu d'égalisation à convertisseurs bidirectionnels à marche retour pour le système hiérarchisé de commande des batteries d'accumulateurs électriques d'énergie avec l'utilisation de la ligne d'accumulation en tant que ligne électrique d'échange de l'énergie à courant continu, l'imperfection consiste dans la limitation de la puissance reçue de la ligne à cause de l'inefficacité du convertisseur à marche retour pour transmettre la puissance élevée. La faible puissance transmise limite l'utilisation du système seulement par la s compensation du déséquilibre des accumulateurs de la batterie à cause de phénomènes d'autodécharge et ne permet pas de compenser la dispersion de la capacité des accumulateurs en laissant la caractéristique de décharge de la batterie correspondant à la caractéristique de l'accumulateur le plus mauvais. Les enjeux de l'invention sont la création du dispositif d'égalisation pour le 10 système hiérarchisé de commande de la batterie d'accumulateurs électriques d'énergie avec la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu. Le dispositif en question doit permettre d'utiliser le potentiel énergétique de la batterie tout en évitant la situation la plus défavorable lorsque le fonctionnement à la charge est arrêté à cause de la décharge de l'accumulateur à plus faible capacité. 15 Afin de répondre aux buts assignés on propose le dispositif d'égalisation pour chaque accumulateur du système hiérarchisé de commande de la batterie d'accumulateurs électriques d'énergie avec la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu et avec les blocs de commande des accumulateurs. Le dispositif en question est alimenté à partir de la batterie et il comprend le convertisseur 20 élévateur de tension CC/CC à marche retour. Le convertisseur en question, suivant l'entrée est connecté à l'accumulateur correspondant via le microcontrôleur de contrôle et de commande du bloc de commande de l'accumulateur. Suivant la sortie ce convertisseur est connecté à la ligne d'échange de l'énergie à courant continu et suivant l'entrée de commande il est branché à la première sortie de 25 commande du microcontrôleur de contrôle et de commande du bloc de commande de l'accumulateur du système hiérarchisé de commande de la batterie. La nouveauté du dispositif d'égalisation proposé consiste en ce qu'il comprend le convertisseur abaisseur de tension CC/CC non-réglable à marche directe avec la caractéristique sévère entrée-sortie. Suivant l'entrée, ce convertisseur est connecté à la ligne d'échange de l'énergie à courant continu et suivant la sortie - à l'accumulateur correspondant via le microcontrôleur de contrôle et de commande et suivant l'entrée - à la deuxième sortie de commande du microcontrôleur de contrôle et de commande du bloc de commande de s l'accumulateur du système hiérarchisé de commande de la batterie. La présente invention a donc pour objet un dispositif d'égalisation pour un système hiérarchisé de commande d'une batterie d'accumulateurs électriques d'énergie avec une ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu et avec les blocs de commande des accumulateurs, ledit dispositif d'égalisation étant alimenté io à partir de la batterie et comprenant un convertisseur élévateur de tension CC/CC à marche retour, de telle sorte que, suivant l'entrée, ledit convertisseur est connecté à l'accumulateur correspondant de la batterie par l'intermédiaire d'un microcontrôleur de contrôle et de commande du bloc de commande de l'accumulateur et, suivant la sortie, ledit convertisseur est couplé à la ligne isolée 15 d'échange de l'énergie à courant continu, et suivant l'entrée de commande, ledit convertisseur est connecté à la première sortie de commande du microcontrôleur de contrôle et de commande du bloc de commande de l'accumulateur, la sortie de l'interface série dudit bloc étant liée au canal de communication série du système hiérarchisé de commande de la batterie, caractérisé en ce que le dispositif 20 d'égalisation comprend un convertisseur abaisseur de tension CC/CC non-réglable à marche directe avec la caractéristique sévère entrée-sortie, de telle sorte que, suivant l'entrée, ledit convertisseur est couplé à la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu et, suivant la sortie, par l'intermédiaire du microcontrôleur de contrôle et de commande du bloc de commande de 25 l'accumulateur, ledit convertisseur est connecté à l'accumulateur correspondant de la batterie et suivant l'entrée de commande, ledit convertisseur est connecté à la deuxième sortie de commande du microcontrôleur de contrôle et de commande du bloc de commande de l'accumulateur du système hiérarchisé de commande de la batterie.

Le résultat technique de l'invention consiste en ce que grâce à l'utilisation du convertisseur à marche directe le plus puissant il est possible de diriger le courant important de maintien dans le faible accumulateur depuis la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu. Dans cette ligne l'énergie peut être s amenée à partir d'un grand nombre d'accumulateurs « donateurs » à l'aide des convertisseurs à marche retour moins puissants, ce qui permet de compenser le déficit de charge dans plusieurs accumulateurs « les plus mauvais » au cours du temps limité de décharge. La figure représente le schéma bloc fonctionnel du dispositif d'égalisation io selon l'invention. Le dispositif d'égalisation selon l'inventionl pour le système hiérarchisé de commande de la batterie d'accumulateurs électriques d'énergie 2 avec la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu 3 et les blocs de commande des accumulateurs 4 comprend le convertisseur élévateur de tension CC/CC à marche 15 retour 5 et le convertisseur abaisseur de tension CC/CC non-réglable à marche directe 6. Suivant l'entrée le convertisseur de tension CC/CC à marche retour 5, via le microcontrôleur de contrôle et de commande 7 du bloc de commande de l'accumulateur 4 du système hiérarchisé de commande de la batterie, est connecté à l'accumulateur correspondant 2 et à la sortie du convertisseur de tension à 20 marche directe 6, dont l'entrée est couplée à la ligne d'échange de l'énergie à courant continu 3, connectée à la sortie du convertisseur de tension CC/CC à marche retour 5. L'entrée de commande de ce convertisseur est reliée à la première sortie de commande du microcontrôleur de contrôle et de commande 7 du bloc de commande de l'accumulateur 4 du système hiérarchisé de commande de la 25 batterie. La deuxième sortie de commande du microcontrôleur de contrôle et de commande 7 est connectée à l'entrée de commande du convertisseur de tension à marche directe 6 et la sortie de l'interface série est liée au canal de communication série 8 du système hiérarchisé de commande de la batterie.

Le dispositif d'égalisation selon l'invention pour le système hiérarchisé de commande de la batterie d'accumulateurs électriques d'énergie avec la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu et les blocs de commande des accumulateurs fonctionne comme suit. s Pendant la charge de la batterie à partir du chargeur, le courant de charge passe à travers tous les accumulateurs électriques d'énergie 2 de la batterie, connectés en série, en les chargeant jusqu'à la valeur de tension contrôlée par les microcontrôleurs de contrôle et de commande. A l'acquisition de cette valeur sur tout accumulateur unitaire 2 jusqu'à la valeur maximale prédéterminée, retenue en 10 tant que valeurs de consigne dans la mémoire du microcontrôleur du bloc de commande de la batterie (n'est pas représentée sur la figure) du niveau supérieur de commande. Celui le dernier coupe le circuit de charge de la batterie à l'aide du commutateur (n'est pas représenté sur la figure), se trouvant dans le système hiérarchisé de commande de la batterie. Par le canal de communication série 8 et le 15 dispositif approprié de contrôle et de commande 7, il met en marche les convertisseurs de tension CC/CC à marche retour 5 correspondant aux accumulateurs 2 chargés plus vite que les autres accumulateurs en transportant par les convertisseurs à marche directe appropriés 6 leur énergie aux autres accumulateurs sous-chargés 2. Après quoi, le chargeur de la batterie est branché de 20 nouveau. Donc, on voit se réaliser l'égalisation sélective avec la redistribution de l'énergie entre les accumulateurs 2 de la batterie avec l'emmagasinage des données du processus de l'équilibrage de charge. La procédure d'équilibrage de la batterie pendant sa charge permet d'atteindre la charge maximale dans chaque accumulateur 2 vers la fin de la charge. A la décharge l'obtention de toute l'énergie 25 de la batterie est limitée en premier lieu par le moment de décharge de l'accumulateur à plus petite capacité qui est connu dans le système hiérarchisé de commande de la batterie du fait de l'accumulation de données statistiques. La prévention de la décharge prématurée de plusieurs accumulateurs 2 à plus petite capacité par voie d'addition de la charge du courant d'équilibrage représente l'efficacité la plus importante pour obtenir le gain de capacité utile de la batterie. Le maintien de ces accumulateurs peut être fait pendant la décharge, mais durant cette décharge de courte durée le courant de «maintien» important est s requis. L'énergie nécessaire au courant de maintien spécifié peut être distribuée au grand nombre de «bons» et «moyens» accumulateurs, qui sont aussi connus pour le système hiérarchisé de commande de la batterie grâce à l'accumulation de données statistiques En constituant le système d'équilibrage avec la ligne unifiant d'échange de io l'énergie à courant continu, la tâche d'égaliser la charge est résolue par la combinaison dans les sous-ensembles d'équilibrage 1 des blocs de commande des accumulateurs 4 de deux convertisseurs spécialisés : le convertisseur à marche retour en régime de courant (avec puissance fixe) 5 pour transmettre l'énergie dans la ligne d'échange de l'énergie 3 et le convertisseur puissant à marche directe 15 CC/CC 6 pour transférer l'énergie de la ligne d'échange de l'énergie 3 vers l'accumulateur 2. Grâce à la caractéristique « douce » de charge des convertisseurs à marche retour 5 (transmettant l'énergie dans la ligne d'échange de l'énergie et fonctionnant en régime de courant), le convertisseur puissant non-réglable à marche directe 6 avec le coefficient sévère de conversion suivant la tension, établit 20 dans la ligne d'échange de l'énergie 3 une tension égale à la tension sur l'accumulateur 2, multipliée par son coefficient de conversion. Puisque pour maintenir l'accumulateur il est possible de brancher environ jusqu'à 80 % d'accumulateurs avec la charge excédentaire et inutilisable à transmettre l'énergie dans la ligne à courant continu 3, on peut établir la relation de puissances CC/CC 25 des convertisseurs 5 et 6 de 1:5 à 1:30. En comparaison avec le système, utilisant les sous-ensembles d'équilibrage à la base des convertisseurs symétriques bidirectionnels à marche retour, le dispositif d'égalisation proposé 1 permet d'atteindre la puissance élevée de transmission et le courant important d'équilibrage grâce à l'obtention de l'énergie requise à partir du grand nombre d'accumulateurs et à l'utilisation de l'accumulateur le plus efficace à marche directe, par exemple, du type résonnant ou quasi-résonnant, pour lequel les modules suivants peuvent être choisis : IB050E120T32N-00 4:1:Up to 300W Output ou IB050E96T48N1-00 1:5 500W Output de la "Société Vicor s Intermediate Buc Converter Module". Liste des chiffres de référence utilisés dans la Figure : 1 - dispositif d'égalisation ; 2 - accumulateur électrique d'énergie ; io 3 - ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu ; 4 - bloc de commande de l'accumulateur ; - convertisseur élévateur de tension CC/CC à marche retour ; 6 - convertisseur abaisseur de tension CC/CC non-réglable à marche directe avec caractéristique sévère entrée-sortie ; 15 7 - microcontrôleur de contrôle et commande ; 8 - canal de communication série du système hiérarchisé de commande de la batterie

Claims

REVENDICATIONS1- Dispositif d'égalisation (1) pour un système hiérarchisé de commande d'une batterie d'accumulateurs électriques d'énergie (2) avec une ligne isolée s d'échange de l'énergie à courant continu (3) et avec les blocs de commande des accumulateurs (4), ledit dispositif d'égalisation (1) étant alimenté à partir de la batterie et comprenant un convertisseur élévateur de tension CC/CC à marche retour (5), de telle sorte que, suivant l'entrée, ledit convertisseur (5) est connecté à l'accumulateur (2) correspondant de la 10 batterie par l'intermédiaire d'un microcontrôleur de contrôle et de commande (7) du bloc de commande de l'accumulateur (4) et, suivant la sortie, ledit convertisseur (5) est couplé à la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu (3), et suivant l'entrée de commande, ledit convertisseur (5) est connecté à la première sortie de commande du 15 microcontrôleur de contrôle et de commande (7) du bloc de commande de l'accumulateur (4), la sortie de l'interface série dudit bloc étant liée au canal de communication série (8) du système hiérarchisé de commande de la batterie, caractérisé en ce que le dispositif d'égalisation (1) comprend un convertisseur abaisseur de tension CC/CC non-réglable à marche directe 20 avec la caractéristique sévère entrée-sortie (6), de telle sorte que, suivant l'entrée, ledit convertisseur (6) est couplé à la ligne isolée d'échange de l'énergie à courant continu (3) et, suivant la sortie, par l'intermédiaire du microcontrôleur de contrôle et de commande (7) du bloc de commande de l'accumulateur (4), ledit convertisseur (6) est connecté à l'accumulateur 25 correspondant de la batterie et suivant l'entrée de commande, ledit convertisseur (6) est connecté à la deuxième sortie de commande du microcontrôleur de contrôle et de commande (7) du bloc de commande de l'accumulateur (4) du système hiérarchisé de commande de la batterie.