FR3101488A1

FR3101488A1 - Unité de conversion électrique pour module de stockage d’énergie électrique

Info

Publication number: FR3101488A1
Application number: FR1910876A
Authority: FR
Inventors: Marco RANIERI
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2039-10-01
Also published as: FR3101488B1

Abstract

L’invention concerne une unité de conversion électrique (CONV_i) destinée à être connectée aux deux bornes d'un module de stockage d'énergie électrique (MOD_i) pour convertir une première tension (Vmod_i) fournie entre ses deux bornes par ledit module de stockage en une deuxième tension (Vaux_i) destinée à l'alimentation d'un réseau auxiliaire, ladite unité de conversion comportant : Un convertisseur (DC/DC_i) de tension de type DC/DC comportant une entrée analogique de commande, Un circuit de de pilotage analogique (CTRL_i) du convertisseur de tension de type DC/DC, comprenant une entrée analogique destinée à recevoir un signal analogique d'entrée représentatif de ladite première tension, un bloc de détermination d'un signal analogique de pilotage (Vctrl_i) à partir dudit signal analogique d'entrée et une sortie analogique de pilotage connectée à ladite entrée analogique de commande du convertisseur de tension et sur laquelle est appliqué ledit signal analogique de pilotage. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2

Description

Unité de conversion électrique pour module de stockage d’énergie électrique

Domaine technique de l'invention

La présente invention se rapporte à une unité de conversion destinée à être connectée aux deux bornes d'un module de stockage d'énergie électrique. L'invention concerne également un système de commande comprenant plusieurs unités de conversion, connectées chacune aux bornes d'un module de stockage d'énergie électrique distinct.

Etat de la technique

La traction d'un véhicule électrique ou hybride est permise par l'emploi de plusieurs batteries ou modules de stockage d'énergie électrique, rassemblées dans un pack-batterie. Chaque module comporte généralement plusieurs cellules électrochimiques. Pour alimenter le réseau de bord du véhicule, c'est-à-dire par exemple les phares, les vitres, l’ABS au freinage, l’aide à la direction, mais aussi des fonctions bien plus basiques telles que l’ouverture/fermeture centralisée par télécommande, on utilise en général une batterie standard de 12V ou 24V au plomb, qui est rechargée par le pack-batterie à travers un convertisseur de type DC/DC. La présence de cette batterie supplémentaire au plomb est justifiée par le besoin d’avoir une tension de 12V même quand le véhicule n’est pas allumé et par le besoin d’avoir une source de 12V indépendante qui ne décharge pas la batterie de traction. Pour des raisons de sécurité notamment, certaines fonctions alimentées par la tension de 12V fournie par cette batterie doivent :

Etre disponibles même en cas de panne grave du pack-batterie employé pour la traction du véhicule (=plus de tension aux bornes du pack-batterie) ;
Etre disponibles même en cas de rupture de communication entre les différents circuits de commande du pack-batterie ;
Ne pas vider le pack-batterie de traction si le véhicule est à l’arrêt pendant longtemps (des semaines ou des mois) ;
Etre disponibles même quand le véhicule est à l’arrêt (contact coupé) ;

Récemment, il a été proposé de supprimer cette batterie au plomb supplémentaire et d'utiliser directement les batteries de traction pour l'alimentation du réseau de bord. Pour chaque module d'un pack-batterie, un convertisseur est destiné à convertir la tension du module en une tension de 12V disponible pour l'alimentation du réseau de bord. Les convertisseurs associés à chaque module peuvent être pilotés conformément à l’état de charge de leur module, en réalisant en même temps une opération d’équilibrage (les modules les plus chargés fourniront plus de courant au réseau de bord 12V). Cette solution est notamment décrite dans les demandes de brevetFR2972581A1 etFR2982090A1.

Cependant, si cette architecture présente l'avantage de s'affranchir de l'emploi de la batterie supplémentaire au plomb, elle ne permet pas de répondre à toutes les contraintes de fonctionnement évoquées ci-dessus.

En effet, lorsque le véhicule est à l'arrêt (c'est-à-dire contact coupé), les cartes de mesure de la tension aux bornes de chaque module ne sont pas alimentées, donc les niveaux de tension des modules ne sont plus disponibles, et l'unité centrale de commande, chargée d'envoyer les ordres de commande vers les convertisseurs DC/DC des modules, est également éteinte, ce qui ne permet pas de piloter les convertisseurs de manière adaptée.

Il existe donc un besoin de proposer une solution permettant de garantir une alimentation du réseau de bord, même quand le véhicule est à l'arrêt, quelle que soit la durée de cet arrêt.

Par ailleurs, l'équilibrage est réalisé par l'unité centrale ("BMS Master" pour "Battery Management System" maître), qui centralise les informations d'état de charge de chaque module de l'installation. En fonction de ces états de charge, l'unité centrale va sélectionner les modules à activer pour l'alimentation du réseau auxiliaire 12V. La demande de brevetFR2982090A1 décrit notamment l'emploi d'un module de commande chargé de déterminer la charge résiduelle de chacun des modules et d'appliquer une consigne de tension plus élevée au convertisseur qui est connecté au module le plus chargé.

Cette dernière solution s'avère cependant insatisfaisante pour les raisons suivantes :

Elle nécessite toujours l'intervention d'une unité centrale (le module de commande dans la demande de brevetFR2982090A1), cette unité centrale devant être alimentée ;
Elle nécessite que l'unité centrale détermine de manière autonome l'état de charge de chaque module ou peut nécessiter l'emploi d'un bus de communication et d'un protocole de communication entre l'unité centrale et chaque convertisseur, afin de connaître l'état de charge de chaque module ;

Le but de l'invention est de proposer une solution permettant de s'affranchir de l'usage de la batterie au plomb (de 12V) pour l'alimentation d'un réseau auxiliaire et de palier les inconvénients de l'état de la technique, c'est-à-dire de :

Limiter ou éviter l'emploi de l'unité centrale pour commander les convertisseurs nécessaires à l'alimentation du réseau auxiliaire ;
D'éviter l'exécution de calculs des états de charge au niveau de l'unité centrale ;
D'éviter la mise en place d'un bus de communication ;

Ce but est atteint par une unité de conversion électrique destinée à être connectée aux deux bornes d'un module de stockage d'énergie électrique pour convertir une première tension fournie entre ses deux bornes par ledit module de stockage en une deuxième tension destinée à l'alimentation d'un réseau auxiliaire, ladite unité de conversion étant caractérisée en ce qu'elle comporte :

Un convertisseur de tension de type DC/DC comportant une entrée analogique de commande,
Un circuit de de pilotage analogique du convertisseur de tension de type DC/DC, comprenant une entrée analogique destinée à recevoir un signal analogique d'entrée représentatif de ladite première tension, un bloc de détermination d'un signal analogique de pilotage à partir dudit signal analogique d'entrée et une sortie analogique de pilotage connectée à ladite entrée analogique de commande du convertisseur de tension et sur laquelle est appliqué ledit signal analogique de pilotage,
Ledit convertisseur de tension de type DC/DC étant piloté pour générer ladite deuxième tension à un niveau tenant compte du signal analogique de pilotage reçu en entrée.

Selon une particularité, le circuit de pilotage est configuré pour déterminer le signal analogique de pilotage selon la relation suivante :

Vctrl_i = (A/G) * Vmod_i + (B/G)

Dans laquelle :

Vctrl_i correspond au signal analogique de pilotage exprimé en volt,
Vmod_i correspond à ladite première tension fournie par le module,
G correspond au gain appliqué par le convertisseur de type DC/DC entre le signal analogique de pilotage reçu et la deuxième tension fournie en sortie,
A et B sont des constantes non nulles et déterminées à partir des tensions maximales et minimales que peut fournir le module et des tensions acceptables par le réseau auxiliaire.

Selon une autre particularité, le circuit de pilotage analogique comporte un premier circuit suiveur de tension recevant le signal analogique d'entrée, un amplificateur d'isolement chargé de transférer le signal analogique d'entrée à travers une barrière d'isolement, un pont diviseur résistif connecté à la sortie de l'amplificateur d'isolement et un deuxième circuit suiveur de tension connecté audit pont diviseur résistif, ledit pont diviseur résistif et ledit deuxième circuit suiveur de tension étant configurés pour générer ledit signal analogique de pilotage en appliquant un gain.

Selon une autre particularité, le circuit de pilotage comporte un dispositif de commande dudit amplificateur d'isolement.

Selon une autre particularité, l’unité de conversion comporte un dispositif de détection de sous-tension destiné à être connecté aux bornes du module et comportant une unité de comparaison configurée pour comparer ladite première tension fournie par le module avec une valeur seuil et une unité de pilotage connectée à ladite unité de comparaison et au convertisseur de type DC/DC et configurée pour déconnecter ledit convertisseur par rapport au module lorsque ladite première tension devient inférieure à ladite valeur seuil.

Selon une autre particularité, l'unité de pilotage du dispositif de détection de sous-tension comporte un ensemble composé d'un premier transistor et d'un deuxième transistor connectés en cascade, ledit premier transistor étant connecté sur la sortie de ladite unité de comparaison.

Selon une autre particularité, l’unité de conversion comporte un circuit de commande dudit convertisseur de type DC/DC connecté en cascade dudit premier transistor.

Selon une autre particularité, le dispositif de détection de sous-tension comporte un pont diviseur à deux résistances choisies pour générer ladite valeur seuil de tension.

Selon une autre particularité, l’unité de conversion comporte un circuit de génération dudit signal analogique d'entrée comportant un pont diviseur résistif.

L'invention présente ainsi la particularité d'utiliser un convertisseur DC/DC pilotable en tension par voie analogique, en se basant uniquement sur la tension présente aux bornes du module et de considérer que la tension du module est directement l'image de son état de charge.

L'invention concerne également un système de commande qui comporte n modules de stockage d'énergie électrique destinés chacun à fournir une première tension continue, n étant supérieur ou égal à 2, chaque module comprenant une ou plusieurs cellules, ledit système comportant une unité de conversion de tension distincte connectée à chaque module, chaque unité de conversion étant telle que définie ci-dessus.

Grâce au pilotage analogique permis par l'unité de conversion, le système de conversion permet un équilibrage naturel entre les modules. Le module le moins chargé ne contribue pas ou peu à la fourniture du courant sur le réseau auxiliaire et le module le plus chargé est celui qui va débiter le plus de courant sur le réseau auxiliaire.

De manière connue, l’état de charge (SOC pour "State Of Charge") d'un module de stockage d'énergie électrique est un paramètre dérivé par intégration dans le temps de la mesure de la tension de chaque module et du courant qu’il a fourni pendant une durée déterminée. Dans la gestion des modules, il est donc moins précis de se baser sur la mesure de tension seule aux bornes de chaque module que sur l'état de charge de chaque module.

Dans tous les cas, la variation de l'état de charge en fonction de la tension aux bornes du module suit une courbe monotone, c’est-à-dire que pour une valeur de tension mesurée, il existe une seule valeur d'état de charge.

La figure 7 représente une courbe de décharge d'une cellule de type Litium-Ion. On peut voir que cette courbe de variation tension/SoC est monotone mais qu'elle n'est pas linéaire.

On observe sur cette figure que, tant que la cellule se trouve dans un état de charge compris entre 20 % et 80 %, la tension à ses bornes est pratiquement égale à sa tension nominale (3,75V dans ce cas). Cela signifie que sur cette plage de fonctionnement, la simple mesure de tension, par exemple 3,75 V, ne peut pas donner une indication précise de l'état de charge de la cellule. En revanche, on constate que sur les deux plages de fonctionnement extrêmes, c'est-à-dire au-dessous de 20% et au-dessus de 80%, pour une petite variation de l'état de charge, un écart important de tension se produit. La mesure de tension sur ces deux plages devient donc une indication précise de l'état de charge de la cellule. Or, la nécessité d’équilibrer des modules dans une installation est importante à la fin de la recharge, pour optimiser la capacité du module, et à la fin de la décharge, pour utiliser toute l’énergie stockée. En résumé, le pilotage analogique basé sur la seule mesure de tension aux bornes de chaque module s'avère donc pertinent.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit, faite en regard des dessins annexés dans lesquels :

La figure 1 représente de manière schématique l'architecture d'un système de commande de plusieurs modules accumulateurs électrochimiques pouvant être employés pour l'alimentation électrique d'un véhicule.

La figure 2 illustre de manière schématique l'architecture et le principe de fonctionnement d'une unité de conversion conforme à l'invention.

La figure 3 représente la courbe montrant la tension fournie sur le réseau auxiliaire en fonction de la tension fournie par un module.

La figure 4 représente de manière schématique, un exemple de réalisation d'une unité de conversion du système de commande de l'invention, associée à un module accumulateur.

La figure 5 représente, selon un mode de réalisation particulier, l'architecture du dispositif de détection de sous-tension pouvant être employé dans l'unité de conversion de l'invention.

La figure 6 représente, selon un mode de réalisation particulier, l'architecture du circuit de pilotage employé dans l'unité de conversion de l'invention.

La figure 7 représente la courbe de décharge d'une cellule de type Lithium-Ion.

Description détaillée d'au moins un mode de réalisation

La figure 1 montre un pack-batterie composé de n modules accumulateurs électrochimiques connectés en série et référencés Mod_1, Mod_i, Mod_n.

Dans une série de n modules, chaque module peut être identifié par un rang i. Le module Mod_i de rang i est connecté d'un côté au module de rang i+1 et de l'autre côté au module de rang i-1. On peut noter que la borne négative du module de rang 1 n’est pas connectée à la masse du véhicule, parfois indiquée par le sigle GND, car une isolation galvanique complète existe entre le pack-batterie et la masse du véhicule.

On considérera que l’installation comporte au moins deux modules connectés en série.

Dans la suite de la description, on considère qu'un module accumulateur Mod_i est composé d'une ou plusieurs cellules électrochimiques (non représentées) connectés en série et/ou parallèle. De manière non limitative, pour un véhicule, un pack-batterie peut comporter huit modules en série, chaque module pouvant comporter un nombre quelconque de cellules électrochimiques, par exemple douze cellules.

Chaque module Mi comporte une borne positive sur laquelle il fournit un potentiel électrique non nul (par exemple égal à 48V) et une borne négative.

Pour chaque module Mod_i, le système de commande comporte une unité de conversion de tension CONV_i, destinée à convertir une première tension haute Vmod_i fournie par le module Mod_i en une deuxième tension basse Vaux_i destinée à l'alimentation du réseau auxiliaire AUX (appelé également réseau de bord pour un véhicule).

La figure 2 illustre de manière schématique le principe de fonctionnement d'une unité de conversion CONV_i associée à un seul module accumulateur Mod_i.

L'unité de conversion CONV_i comporte un convertisseur DC/DC_i destiné à convertir la première tension haute Vmod_i fournie par le module Mod_i en entrée en une deuxième tension basse Vaux_i en sortie.

Le convertisseur DC/DC_i comporte classiquement une borne positive et une borne négative pour recevoir la tension Vmod_i du module. Le convertisseur comporte également une entrée PC de commande. Si cette entrée PC de commande est libre et n’est reliée à aucun potentiel ou reliée à une haute impédance, le convertisseur DC/DC_i est actif, c'est-à-dire qu'il fournit la tension basse en sortie. Si l'entrée PC est reliée à la borne négative du convertisseur DC/DC_i, ce dernier est inactif et ne fournit aucune tension en sortie.

Le convertisseur DC/DC_i comporte une borne de sortie X3 sur laquelle est appliquée la tension basse de sortie Vaux_i générée à destination du réseau auxiliaire AUX.

Le convertisseur DC/DC_i comporte également une entrée analogique de commande SC. Le convertisseur est configuré pour fournir une tension de sortie variable sur sa borne de sortie, pilotée de façon linéaire par un signal analogique de pilotage appliqué sur son entrée analogique de commande SC.

L'un des principes de l'invention est de piloter le convertisseur DC/DC_i par un asservissement analogique.

Chaque unité de conversion CONV_i est ainsi configurée pour :

Récupérer en entrée la tension Vmod_i présente aux bornes du module,
Générer un signal analogique de pilotage Vctrl_i tenant compte de la tension Vmod_i présente aux bornes du module ;
Déterminer la tension basse Vaux_i à appliquer sur le réseau auxiliaire en fonction du signal analogique de commande Vctrl_i,
Générer en sortie la tension basse Vaux_i à destination du réseau auxiliaire AUX, par commande de son convertisseur DC/DC_i.

Selon l'invention, l'unité de conversion CONV_i comporte un circuit de pilotage CTRL_i de son convertisseur DC/DCi.

Ce circuit de pilotage CTRL_i comporte une borne d'entrée analogique X1 destinée à recevoir un signal analogique d'entrée représentatif de la tension Vmod_i aux bornes du module. Il comporte également une borne de sortie analogique X2 sur laquelle est appliqué ledit signal analogique de pilotage Vctrl_i généré.

Le circuit de pilotage CTRL_i est chargé de déterminer le signal analogique de pilotage adapté au niveau de tension du module pour que la tension basse de sortie Vaux_i générée en sortie du convertisseur DC/DC_i reste l'image de la tension aux bornes du module.

Ce circuit de pilotage CTRL_i doit en effet être capable d'appliquer un gain adapté au signal analogique prélevé afin de piloter le convertisseur, pour que celui-ci génère une tension sur le réseau auxiliaire qui reste bien l'image de la tension aux bornes du module.

Le circuit de pilotage CTRL_i applique une fonction ayant la forme suivante :

Vctrl_i=F(Vmod_i)

Cette fonction F dépendra notamment de la fonction de transfert du convertisseur DC/DC_i. Cette fonction de transfert correspond en effet à la fonction qui permet d'établir la tension sur la sortie du convertisseur DC/DC_i selon le potentiel appliqué sur son entrée analogique de commande SC. Cette fonction de transfert se déduit directement des spécifications du convertisseur DC/DC_i qui est employé. Cette fonction de transfert a la forme suivante :

Vaux_i=Vctrl_i*G (1)

Dans laquelle :

G est le gain appliqué par le convertisseur et se déduit directement des spécifications du convertisseur ;
Vaux_i et Vctrl_i sont exprimées en Volts ;

Par ailleurs pour déterminer la forme de la fonction F exécutée par le circuit de pilotage, il suffit de prendre en compte l’intervalle dans lequel la tension haute Vmod_i aux bornes d'un module peut être considérée comme acceptable et l’intervalle dans lequel la tension basse Vaux_i peut être considérée comme acceptable pour l'alimentation du réseau auxiliaire (Voir figure 3).

Autrement dit :

Quand Vmod_i=Vmod_min, la tension de sortie Vaux_i=Vaux_min
Quand Vmod_i=Vmod_max, la tension de sortie Vaux_i=Vaux_max
Vaux_i doit rester dans l'intervalle défini par Vaux_min et Vaux_max

Partant de ces données d'entrée, il est possible de déterminer la relation linéaire qui existe entre la tension Vmod_i aux bornes du module et la tension de sortie Vaux_i.

On aura ainsi :

Vaux_i=A*Vmod_i+B (2)

Dans laquelle :

A et B sont des constantes non nulles et qui dépendent bien entendu de l'application et des valeurs de Vmod_min, Vmod_max, Vaux_min et Vaux_max. Un exemple concret sera décrit ci-après ;
Vaux_i et Vmod_i sont exprimées en Volts ;

Partant des deux relations (1) et (2) ci-dessus, on peut en déduire que le circuit de pilotage doit appliquer la fonction F définie par la relation (3) suivante :

Vctrl_i = (A/G) * Vmod_i + (B/G) (3)

De manière plus concrète, en considérant les données d'entrée et spécifications suivantes :

Un module est un ensemble de 12 cellules connectées en série, chaque cellule ayant une tension allant de 2,5V (quand SoC=0%) à 4,25V (quand SoC=100%) – Voir figure 7 ;
Tensions acceptables d’un module : Vmod_min=30V, Vmod_max=51V ;
Tensions acceptables sur le réseau auxiliaire : Vaux_min= 11V et Vaux_max=14V ;
La tension Vaux_i alimentant le réseau auxiliaire doit rester comprise entre 11V et 14V ;
Le convertisseur DC/DC_i fonctionne avec un gain G=9.756 puisque, selon ses spécifications, en appliquant 1.23V sur son entrée analogique de commande SC, le convertisseur DC/DC_i génère une tension de sortie Vaux_i de 12V en sortie ;

Dans la relation (2) ci-dessus, les paramètres A et B peuvent être obtenus par interpolation linéaire à partir de deux paires de points. Sur la figure 3, la droite en pointillés représente la fonction de transfert entre la tension aux bornes du module Vmod_i et la tension Vaux_i fournie en sortie. En trait plein, on a indiqué la zone dans laquelle la tension de sortie Vaux_i doit rester limitée.

Tenant compte des spécifications ci-dessus, la relation (2) ci-dessus peut ainsi s'écrire de la manière suivante :

Vaux_i = 0,1429 * Vmod_i + 6,7143 (4)

On peut par exemple en déduire que le réseau auxiliaire sera effectivement à 12V pour une tension de module égale à 37V.

En prenant en compte cette relation (4), on peut réécrire la relation (3) pour les données d'entrée proposées ci-dessus :

Vctrl_i = (0,1429 / 9,756) * Vmod_i + (6,7143 / 9,756)

Pour une tension Vaux_i sur le réseau auxiliaire qui varie entre 11V et 14V, il faudra appliquer sur l'entrée analogique de commande SC du convertisseur DC/DC_i une tension qui varie de 1,1276V à 1,4352V, pour une variation de tension du module comprise entre 30V et 51V.

Les gains des composants effectivement montés dans l'unité de conversion devront remplir ces exigences. On comprend que l'innovation consiste à diviser la tension Vmod_i présente aux bornes du module d’un facteur suffisant et à appliquer un offset adapté afin d’appliquer la bonne consigne sur l'entrée analogique SC du convertisseur DC/DC_i, le tout sans aucun traitement ni besoin de communication avec une unité centrale externe.

Par ailleurs, on comprend que le système de commande global qui comporte l'ensemble des unités de conversion permet d'assurer un équilibrage naturel entre les modules de l'installation.

Dans le système, tous les convertisseurs DC/DC présents seront actifs et pilotés avec des consignes potentiellement différentes, suivant les tensions respectives de leur module. Ils seront connectés au même réseau auxiliaire. Dans cette architecture, c’est le module le plus chargé, qui fournira donc une tension Vaux_i la plus élevée en sortie et qui fournira donc la plupart du courant. Les autres modules de l'installation ne fourniront pas ou peu de courant, tant que leur tension de sortie Vaux_i ne sera pas au niveau de celle associée au module le plus chargé.

Sans utiliser un microcontrôleur dans le système (unité centrale), ni de moyens de communication (type bus CAN) entre une unité centrale et les différentes unités, les modules vont s’équilibrer entre eux grâce à la modulation de la tension de sortie Vaux_i permise par l'asservissement analogique de leur convertisseur.

La figure 4 donne un exemple de réalisation de l'unité de conversion CONV_i de l'invention. L'unité de conversion CONV_i peut comporter deux bornes d'entrée Y1, Y2 destinées à se connecter aux deux bornes du module Mod_i pour recevoir la tension Vmod_i fournie par le module et une borne de sortie Y3 destinée à se connecter sur le réseau auxiliaire AUX.

Dans le circuit proposé sur cette figure 4, certaines fonctionnalités ont été ajoutées pour rendre la solution plus complète et robuste.

Sur cette figure 4, on a ainsi :

Un bloc B1 de génération d'une tension représentative de la tension Vmod_i aux bornes du module Mod_i.
Un dispositif de détection de sous-tension DV_i, venant s'intercaler entre le module Mi et le convertisseur DC/DC_i.
Le circuit de pilotage CTRL_i.

Le bloc B1 comporte deux bornes A1, A2 connectées respectivement aux deux bornes d'entrée Y1, Y2 de l'unité de conversion pour recevoir la tension du module Vmod_i et une borne de sortie A3 sur laquelle est appliqué un potentiel électrique de sortie, représentatif de la tension Vmod_i aux bornes du module. Ce bloc B1 peut être composé d'un pont diviseur résistif classique.

Le dispositif de détection de sous-tension DV_i, est destiné à éviter de prélever une tension sur le module Mod_i, alors que celui-ci est à un niveau de tension inférieur à une valeur seuil Vth prédéfinie. En-dessous de cette valeur seuil Vth de tension, le module Mod_i pourrait être endommagé de manière irréversible. Lorsque le niveau de tension du module devient inférieur à ladite valeur seuil Vth, le convertisseur DC/DC_i doit être désactivé.

De manière non limitative, en référence à la figure 5, le dispositif de détection de sous-tension DV_i peut comporter :

Une première borne d'entrée Z1 destinée à être connectée sur la borne positive du module Mod_i, via la borne Y1 de l'unité de conversion CONV_i ;
Une deuxième borne d'entrée Z2 destinée à être connectée sur la borne de sortie A3 du bloc B1 ;
Une borne de sortie Z3 connectée sur la borne positive du convertisseur DC/DC_i ;
Une unité de comparaison comprenant au moins un comparateur COMP_i ou un composant du même type tel qu'un amplificateur opérationnel. Ledit comparateur comporte une première entrée destinée à recevoir un potentiel électrique reflétant le niveau de tension du module via la borne Z2, une deuxième entrée destinée à recevoir un potentiel électrique représentatif de ladite valeur seuil Vth et une sortie ;
Une unité de pilotage UP_i destinée à commander la connexion ou la déconnexion du convertisseur DC/DC_i par rapport au module Mi. L'unité de pilotage UP_i comporte une première borne W1 de commande reliée à la sortie du comparateur COMP_i, une deuxième borne W2 reliée à la première borne d'entrée Z1 du dispositif DV_i, une troisième borne W3 reliée à la masse et une borne de sortie W4 reliée à la borne de sortie Z3 du dispositif D_Vi. Selon l'état de la sortie du comparateur, l'unité de pilotage UP_i connecte ou déconnecte la liaison entre sa borne W2 et sa borne de sortie W4. L'unité de pilotage UP_i comporte également un circuit de commande CC_i de la borne PC du convertisseur DC/DC_i ;

Dans le dispositif de détection de sous-tension D_V_i, la tension du module Mod_i est appliquée sur la première entrée par le bloc B1. La valeur seuil Vth est générée par l'intermédiaire d'un pont diviseur à deux résistances R9, R10, qui est connecté entre la borne négative du module (mise à la mase) et un potentiel électrique de référence (par exemple généré à partir d'un dispositif abaisseur de tension LDO2i connecté à la borne positive du module Mod_i et destiné à l'alimentation du comparateur).

L'unité de pilotage UP_i du dispositif de détection de sous-tension peut comporter deux transistors. Le premier transistor T1 peut être de type MOSFET à canal-n et le deuxième transistor T2 peut être de type MOSFET à canal-p. L'unité de pilotage UP_i peut comporter une résistance R11 connectée entre la grille du premier transistor et sa source. Le deuxième transistor T2 a sa grille qui est connectée au drain du premier transistor T1, sa source qui est connectée à la deuxième borne W2 de l'unité de pilotage U_Pi et son drain qui est connecté à la borne de sortie W4 de l'unité de pilotage U_Pi. La source du premier transistor est connectée à la masse. Une résistance R12 est connectée entre la grille du deuxième transistor T2 et sa source.

Le tableau ci-dessous illustre le principe de fonctionnement de ce dispositif de détection de sous-tension :

Tension module Vm	Etat sortie Comparateur COMP_i	Etat T1	Etat T2	Tension sur entrée convertisseur DC/DC
Supérieure ou égale à Vth	Haut	1	1	Vmod_i
Inférieure à Vth	Bas	0	0	0V

Dans le cas où la tension fournie par le module deviendrait trop faible, ce dernier serait donc déconnecté automatiquement du convertisseur DC/DC associé. Seulement une recharge du module Mod_i permettrait la reprise du fonctionnement normal. En outre, le circuit de commande CC_i comporte un transistor à canal 'n', indiqué par T3, connecté en cascade avec le transistor T1. Il permet d'activer ou de désactiver le convertisseur DC/DC_i via sa borne de commande PC.

En référence à la figure 6, le circuit de pilotage CTRL_i comporte pour sa part une borne d'entrée P1 connectée à la borne de sortie du bloc B1 pour récupérer le signal analogique représentatif de la tension Vmod_i présente aux bornes du module Mod_i. Il comporte également une borne de sortie P3 sur laquelle est appliqué le signal analogique de pilotage Vctrl_i. Il comporte également une borne de commande P2 par laquelle il est possible de commander l'activation ou la désactivation de son amplificateur.

De manière non limitative, le circuit de pilotage CTRL_i peut comporter :

Un premier circuit suiveur de tension U1, côté tension haute, qui transmet la tension issue du bloc B1 vers un amplificateur d’isolement.
Un amplificateur d’isolement U2. Cet amplificateur permet d'assurer la transmission d’un niveau de tension au travers d'une barrière d’isolement. Même si alimenté par le même niveau de tension des deux côtés de la barrière, les deux tensions doivent avoir des origines différentes et être isolées entre elles. Dans ce cas, on a ‘12V_loc’ et ‘12V_Power’.
Un transistor T4 MOSFET à canal ‘p’, piloté par le comparateur COMP_i du dispositif de détection de sous-tension DV_i et le transistor MOSFET T1 à canal ‘n’ qui le suit. Ce transistor T4 à canal ‘p’ ouvre l’alimentation de l’amplificateur d’isolement quand le convertisseur DC/DC_i est isolé par dispositif DV_i ce qui permet, dans cette situation, d’éviter à l'amplificateur de consommer du courant.
Un pont diviseur résistif formé de deux résistances R2 et R3 connectées à la sortie de l'amplificateur et un deuxième circuit suiveur de tension U3, en sortie de l'amplificateur d’isolement U2, employés pour obtenir le gain désiré et générer le signal analogique de pilotage Vctrl_i sur l'entrée analogique de commande du convertisseur DC/DC_i.
Plusieurs filtres du premier ordre (R1-C1, R4-C2) ont été placés à des endroits précis. Ils ne sont pas strictement indispensables, mais améliorent la stabilité du système.

De manière non limitative, l'amplificateur d’isolement U2 est une unité ou un dispositif capable de transmettre un signal analogique de tension au travers une barrière d’isolement, en garantissant le plus possible l’intégrité du signal transmis. La réalisation la plus simple de ce type d’unité est basée sur l’utilisation d’un optocoupleur analogique (par exemple, référence HCNR200 de la société Avago). Il s’agit par exemple d’un boîtier intégré contenant une diode électroluminescente qui illumine deux photodiodes, les deux photodiodes fournissant un courant proportionnel à la lumière reçue et émise par la diode.

L'invention présente ainsi de nombreux avantages car elle permet un équilibrage naturel de la charge entre les modules, un maintien de la tension sur le réseau auxiliaire en veille, avec un pilotage simplifié et purement analogique, sans aucune communication numérique (sur un bus de type CAN par exemple), ni aucun réveil périodique, ou autre comportement nécessitant l’utilisation d’une unité de traitement tel qu'un microcontrôleur.

Claims

Unité de conversion électrique (CONV_i) destinée à être connectée aux deux bornes d'un module de stockage d'énergie électrique (MOD_i) pour convertir une première tension (Vmod_i) fournie entre ses deux bornes par ledit module de stockage en une deuxième tension (Vaux_i) destinée à l'alimentation d'un réseau auxiliaire, ladite unité de conversion étant caractérisée en ce qu'elle comporte :
Un convertisseur (DC/DC_i) de tension de type DC/DC comportant une entrée analogique de command

Un circuit de de pilotage analogique (CTRL_i) du convertisseur de tension de type DC/DC, comprenant une entrée analogique destinée à recevoir un signal analogique d'entrée représentatif de ladite première tension, un bloc de détermination d'un signal analogique de pilotage (Vctrl_i) à partir dudit signal analogique d'entrée et une sortie analogique de pilotage connectée à ladite entrée analogique de commande du convertisseur de tension et sur laquelle est appliqué ledit signal analogique de pilotage,

Ledit convertisseur de tension de type DC/DC étant piloté pour générer ladite deuxième tension à un niveau tenant compte du signal analogique de pilotage (Vctrl_i) reçu en entrée.
Unité de conversion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de pilotage est configuré pour déterminer le signal analogique de pilotage selon la relation suivante :
Vctrl_i = (A/G) * Vmod_i + (B/G)
Dans laquelle :
Vctrl_i correspond au signal analogique de pilotage exprimé en volt,

Vmod_i correspond à ladite première tension fournie par le module,

G correspond au gain appliqué par le convertisseur de type DC/DC entre le signal analogique de pilotage reçu et la deuxième tension fournie en sortie,

A et B sont des constantes non nulles et déterminées à partir des tensions (Vmod_min, Vmod_max) maximales et minimales que peut fournir le module et des tensions (Vaux_min, Vaux_max) acceptables par le réseau auxiliaire (AUX).
Unité de conversion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit de pilotage analogique (CTRL_i) comporte un premier circuit suiveur de tension (U1) recevant le signal analogique d'entrée, un amplificateur d'isolement (U2) chargé de transférer le signal analogique d'entrée à travers une barrière d'isolement, un pont diviseur résistif connecté à la sortie de l'amplificateur d'isolement et un deuxième circuit suiveur de tension (U3) connecté audit pont diviseur résistif, ledit pont diviseur résistif et ledit deuxième circuit suiveur de tension (U3) étant configurés pour générer ledit signal analogique de pilotage (Vctrl_i) en appliquant un gain.
Unité de conversion selon la revendication 3, caractérisée en ce que le circuit de pilotage (CTRL_i) comporte un dispositif de commande dudit amplificateur d'isolement (U2).
Unité de conversion selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de détection de sous-tension (DV_i) destiné à être connecté aux bornes du module (Mod_i) et comportant une unité de comparaison (COMP_i) configurée pour comparer ladite première tension (Vmod_i) fournie par le module (Mod_i) avec une valeur seuil (Vth) et une unité de pilotage (UP_i) connectée à ladite unité de comparaison et au convertisseur de type DC/DC et configurée pour déconnecter ledit convertisseur par rapport au module (Mod_i) lorsque ladite première tension devient inférieure à ladite valeur seuil.
Unité de conversion selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'unité de pilotage (UP_i) du dispositif de détection de sous-tension comporte un ensemble composé d'un premier transistor (T1) et d'un deuxième transistor (T2) connectés en cascade, ledit premier transistor étant connecté sur la sortie de ladite unité de comparaison (COMP_i).
Unité de conversion selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de commande (CC_i) dudit convertisseur de type DC/DC connecté en cascade dudit premier transistor (T1).
Unité de conversion selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le dispositif de détection de sous-tension (D_Vi) comporte un pont diviseur à deux résistances (R9, R10) choisies pour générer ladite valeur seuil de tension.
Unité de conversion selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit (B1) de génération dudit signal analogique d'entrée comportant un pont diviseur résistif.
Système de commande de n modules de stockage d'énergie électrique destinés chacun à fournir une première tension continue, n étant supérieur ou égal à 2, chaque module comprenant une ou plusieurs cellules, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte une unité de conversion de tension (CONVi) distincte connectée à chaque module (Mod_i), chaque unité de conversion étant telle que définie dans l'une des revendications 1 à 9.