FR3120277A1

FR3120277A1 - Dispositif de stockage et de génération concomitante d’au moins une tension électrique, et procédé de gestion associé

Info

Publication number: FR3120277A1
Application number: FR2101929A
Authority: FR
Inventors: Valmir ADELINE
Original assignee: Otonohm
Current assignee: Mov'ntec Fr; Valmir Adeline Fr
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: US20240136831A1; EP4298707A1; AU2022225664A1; FR3120277B1; US20240235219A9; WO2022180346A1; CA3209927A1

Abstract

L’invention concerne un dispositif (100) de stockage d’une énergie électrique, comprenant une pluralité de cellules élémentaires commutées comprises à l’intérieur d’un pack (110) de stockage, un bloc maitre (120) et un bloc (130) d’alimentation alimentant le pack de stockage et le bloc maître avec une tension continue. Dans un tel dispositif de stockage, le pack de stockage est subdivisé en une pluralité de bloc (115) de stockage, chaque bloc de stockage comportant une pluralité de cellules commutées (105) et un sous-bloc logique de commande (160) de chaque cellule commutée dudit bloc de stockage. En outre chaque bloc de stockage comprend également au moins un sous-bloc de connexion (150) à un bus (140), chaque sous-bloc de connexion comportant un interrupteur électronique comprenant deux positions, une position dite connectée dans laquelle le bloc de stockage fournit une tension au bus et une position dite de court-circuit dans laquelle le bloc de stockage associé est court-circuité. figure pour l’abrégé : figure 1

Description

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

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine de l’invention est celui de l’électronique.

Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de stockage et de génération concomitante d’au moins une tension électrique, et un procédé de gestion associé.

L’invention trouve notamment des applications pour alimenter avec une tension électrique, de type alternatif ou continu, n’importe quel type d’équipement électrique, dans des domaines d’application variées, telles que l’électronique grand public, les transports – dont l’automobile, le ferroviaire et l’aéronautique – ou tout autre domaine alimenté par un courant électrique.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Il est connu de l’art antérieur des techniques de batteries dites commutées permettant de fournir une tension de forme quelconque, et plus particulièrement de type continu ou de type alternatif à une fréquence donnée, à partir d’une tension continue stockée, par exemple sous une forme électrochimique, dans une pluralité de cellules élémentaires qui sont des entités capables de stoker et de restituer de l’énergie électrique, construites autour d’une ou plusieurs technologies.

De telles techniques antérieures mettent en œuvre une stratégie de commutation particulière permettant de générer un unique signal de courant électrique ayant la forme appropriée en tension, voire en fréquence, en combinant par addition, par soustraction et/ou par inversion différents courants électriques provenant des cellules élémentaires.

L’inconvénient majeur des techniques actuelles, outre le fait qu’elles génèrent qu’un unique courant électrique, défini par sa tension, de manière simultanée, est leur manque de fiabilité dans la qualité de la tension générée, notamment lors de la défaillance d’une cellule ou d’une partie des cellules. Lorsqu’une telle défaillance intervient, la performance des batteries commutées actuelles se dégrade, entrainant généralement un arrêt de la fourniture de courant en sortie de la batterie commutée.

Les techniques actuelles sont ainsi peu propices à une utilisation industrielle où la fiabilité de l’énergie fournie est primordiale.

Enfin, un autre inconvénient majeur des techniques existantes est qu’elles ne sont généralement pas optimisées en termes de leur consommation énergétique intrinsèque car l’ensemble des contrôleurs des cellules individuelles composant la batterie sont alimentés, même lorsque la tension de sortie choisie nécessite le fonctionnement que d’une seule partie des cellules parmi l’ensemble des cellules individuelles composant la batterie commutée. Cette consommation excessive entraîne une alimentation annexe conséquente ou une baisse de l’autonomie des batteries commutées notamment lorsqu’elles s’auto-alimentent en courant.

Aucun des systèmes actuels ne permet de répondre simultanément à tous les besoins requis, à savoir de proposer une technique de batterie commutée qui offre la possibilité de générer de multiples courants de manière simultanée avec une consommation énergétique optimisée, tout en étant aisément industrialisable, et en ayant une gestion et une maintenance aisée en cas de défaillance d’une partie des cellules de la batterie commutée.

La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique cités ci-dessus.

À cet effet, l’invention vise, selon un premier aspect, un dispositif de stockage d’une énergie électrique, comprenant une pluralité de cellules élémentaires commutées comprises à l’intérieur d’un pack de stockage, un bloc maitre et un bloc d’alimentation alimentant le pack de stockage et le bloc maître avec un courant continu.

Un tel dispositif de stockage, couramment appelée sous le terme de batterie commutée, permet de fournir un courant électrique de forme quelconque avec une tension comprise dans une plage prédéterminée, par exemple entre 0 et 220 V.

Une cellule élémentaire est dite commutée lorsqu’elle est associée avec au moins un commutateur permettant de modifier la connexion de la cellule élémentaire à un circuit électronique, et par conséquent la tension fournie par la cellule élémentaire audit circuit électronique.

Il convient de souligner qu’une cellule élémentaire commutée peut être quelconque combinant une ou plusieurs cellules élémentaires avec un ou plusieurs commutateurs. Le positionnement dans la cellule élémentaire commutée de la ou des cellule(s) élémentaire(s) et du ou des commutateur(s) peut être également être quelconque, soit en série ou en parallèle, dans la mesure où la gestion des commutateurs permet de contrôler la tension aux bornes de la cellule élémentaire commutée.

Par la suite, on entendra par cellule élémentaire commutée, voire cellule commutée, l’ensemble cellule(s) élémentaire(s) et commutateur(s) associé(s).

Préférentiellement, la cellule élémentaire commutée correspond à une cellule élémentaire connectée en série avec un premier commutateur, la cellule élémentaire et le premier commutateur commandable pouvant être court-circuités par un deuxième commutateur placé en parallèle.

Les commutateurs de la cellule élémentaire sont généralement de type commandables électroniquement. De tels commutateurs sont par exemple des transistors, plus particulièrement des transistors à effet de champ, également appelé sous l’acronyme angle FET («Field Effect Transistor»), voire des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde, également appelé sous l’acronyme anglais MOSFET («Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor»), ou de tout autre type connu de l’homme du métier.

Selon l’invention, le pack de stockage est subdivisé en une pluralité de bloc de stockage, chaque bloc de stockage comportant une pluralité de cellules élémentaires commutées et un sous-bloc logique de commande de chaque cellule élémentaire commutée dudit bloc de stockage.

En outre, chaque bloc de stockage comprend également au moins un sous-bloc de connexion à un bus, chaque sous-bloc de connexion comportant un interrupteur électronique comprenant deux positions, une position dite connectée dans laquelle le bloc de stockage fournit un courant au bus et une position dite de court-circuit dans laquelle le bloc de stockage associé est court-circuité.

Ainsi, il est possible de gérer indépendamment chaque bloc de stockage en ayant la possibilité de les connecter et les déconnecter du bus en fonction de leur état de charge et de leur performance, notamment en termes de rendement.

En d’autres termes, par l’intermédiaire d’un sous-bloc de connexion, il est possible de gérer la connexion ou la déconnexion d’un bloc de stockage du pack de stockage par rapport à un bus en fonction notamment d’une consigne générale de tension et de fréquence du courant électrique à générer par le dispositif électronique de stockage d’énergie électrique. La gestion des connexions est également fonction de l’état de charge des cellules élémentaires du bloc de stockage, voire d’une analyse de la tension fournie par le bloc de stockage par rapport à une tension escomptée, calculée en fonction de la consigne générale.

Grâce à la subdivision en blocs et à la présence d’un sous-bloc de connexion, un bloc de stockage jugé défaillant dans la fourniture de courant électrique, défini par sa tension, au bus peut ainsi être mis hors circuit afin d’éviter une dégradation complète du fonctionnement de la batterie commutée.

En multipliant les sous-blocs de connexion et par conséquent les bus, il est possible de générer simultanément plusieurs types de tension avec le même pack de stockage. Il est également possible de gérer un chargement d’une partie du pack de stockage concomitamment à la génération d’un courant par une autre partie du pack de stockage. L’architecture électronique objet de la présente invention offre ainsi de multiples avantages techniques non prévues par les architectures de l’art antérieur.

Il est ainsi possible par exemple de générer sur un bus un courant alternatif avec une tension de 220 V à la fréquence de 50 Hz et sur un autre bus un courant continu avec une tension de 48 V. En parallèle, un troisième bus peut être utilisé pour charger des cellules élémentaires d’un bloc de stockage non utilisé pour la génération des tensions sur les deux premiers bus.

Il convient également de souligner que le bloc d’alimentation du dispositif de stockage d’énergie électrique est avantageusement distinct du ou des bloc(s) de stockage, l’énergie stockée dans le pack de stockage servant uniquement pour la génération du ou des courant(s) fourni(s) par le dispositif électronique de stockage et de génération d’un courant.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’interrupteur électronique d’au moins un sous-bloc de connexion d’un bloc de connexion à un bus est de type galvaniquement isolé.

Ainsi, il est possible de connecter un bloc de stockage à un bus de manière sécurisée, la tension au niveau dudit bus en sortie du pack de stockage pouvant être importante.

Préférentiellement, l’interrupteur électronique est composé d’au moins un transistor qui peut être de type à effet de champ (FET), voire à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET), ou de tout autre type connu de l’homme du métier.

Un tel transistor est préférentiellement de type galvaniquement isolé.

Il convient de souligner qu’un transistor comprend généralement trois bornes, l’une généralement appelée grille ou base, contrôlant le courant circulant entre les deux autres bornes, appelées généralement drain et source, ou collecteur et récepteur.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’interrupteur électronique comprend deux transistors connectés en série, de manière inversée.

Ainsi, la circulation du courant à travers l’interrupteur électronique peut être effectuée dans les deux sens.

Deux transistors sont connectés de manière inversée par exemple lorsque les sources, ou les récepteurs, des deux transistors sont branchées en commun.

Il convient de par ailleurs de souligner que les bornes grilles ou bases sont généralement branchées en commun sur un composant électronique permettant de commander l’état des transistors composant l’interrupteur électronique.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de stockage comprend un optocoupleur configuré pour commander l’état de l’interrupteur électronique.

Préférentiellement, un sous-bloc de connexion comprend un optocoupleur configuré pour commander l’état de l’interrupteur électronique.

Préférentiellement, l’optocoupleur comprend une diode électroluminescente en regard d’un récepteur photovoltaïque.

Ainsi, l’optocoupleur peut fonctionner sans consommation énergétique, ce qui permet d’optimiser la consommation énergétique du dispositif de stockage.

Avantageusement, le récepteur photovoltaïque est composé d’au moins une diode, préférentiellement trois diodes, dite(s) photovoltaïque(s), configurée(s) pour générer une tension lorsqu’elles sont éclairées par la diode électroluminescente.

Dans des modes de réalisations particuliers de l’invention, l’optocoupleur comprend également un circuit permettant de décharger le récepteur photovoltaïque.

Ainsi, il est possible de minimiser la déperdition énergétique, par chaleur, au niveau de l’interrupteur électronique, notamment lorsque l’interrupteur électronique passe à un état de court-circuit.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, au moins un sous-bloc de connexion à un bus d’au moins un bloc de stockage comprend également un pont en H configuré pour inverser la tension en sortie du bloc de stockage correspondant, le pont en H comprenant quatre éléments commutables.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, au moins un bloc de stockage comprend également un circuit logique commandant l’état de l’interrupteur électronique d’au moins un sous-bloc de connexion à partir de l’analyse d’informations caractérisant le pont en H, et/ou l’état de charge du bloc de stockage.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, les éléments de commutation du pont en H sont des transistors et les informations analysées par le bloc logique comprennent une grille de tension desdits transistors du pont en H.

Plus particulièrement, les transistors du pont en H peuvent être des transistors à effet de champ, voire des transistors à effet de champ à grill métal oxyde, ou tout autre type connu de l’homme du métier.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de stockage comprend une pluralité de bus, chaque bus étant connecté en sortie d’un sous-bloc de connexion distinct de chaque bloc de stockage.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, chaque bloc de stockage comprend également :

un circuit de commande de tout ou partie des commutateurs associés aux cellules élémentaires ;
un convertisseur DC/DC alimentant le circuit de commande à partir de la tension fournie par le bloc d’alimentation.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le bloc maitre est configuré pour contrôler les blocs de stockage via au moins l’un des éléments suivants :

un bus de commande reliant le bloc maitre et chaque bloc de stockage ;
un générateur d’une consigne de tension et/ou de fréquence du courant à produire pour chaque bloc de stockage, le circuit de stockage de chaque bloc de stockage concerné commandant tout ou partie des commutateurs associés aux cellules élémentaires en fonction de la consigne reçue par ledit bloc de stockage ;
un générateur de signaux permettant de commander l’état d’au moins un interrupteur commandable afin de court-circuiter au moins un bloc de stockage ;
un dispositif d’analyse de la puissance fournie par le convertisseur DC/DC de chaque bloc de stockage et du rendement associé, par l’intermédiaire de signaux PWM ;
un dispositif de commande de la tension en sortie du bloc d’alimentation.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le bloc d’alimentation comprend :

un module de stockage d’énergie permettant de fournir de l’énergie lors de la mise en veille du dispositif de stockage ;
un circuit d’alimentation connecté en sortie du pack de stockage.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le bloc d’alimentation comprend un module de conversion de la tension en entrée du bloc d’alimentation lorsque la tension fourni est de type alternatif, ledit module de conversion comprenant un pont redresseur et un condensateur.

Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de stockage d’énergie électrique comprend également un circuit d’alimentation reliant un bloc de stockage au bloc maitre afin de fournir une tension audit bloc maitre.

Préférentiellement, le circuit d’alimentation comprend une isolation galvanique.

Il convient de souligner que l’isolation galvanique est nécessaire uniquement si le bloc de stockage utilisé pour alimenter le bloc maitre ne partage pas la masse avec le bloc maitre.

L’invention vise également, selon un deuxième aspect, un procédé de gestion du dispositif de stockage selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, ledit procédé de gestion comprenant des étapes de :

détermination d’une consigne de tension pour chaque bloc de stockage à partir d’une consigne générale de tension et de fréquence ;
modification de l’état d’au moins un sous-bloc de connexion d’un bloc de stockage en fonction de la consigne de tension déterminée précédemment.

Il convient de souligner que la consigne générale de tension et de fréquence permet d’obtenir un courant ayant une tension et une fréquence données. La valeur de la tension est comprise par exemple entre 0 et 400 V. La valeur de la fréquence est comprise quant à elle par exemple entre 0 (courant continu) et 100 Hz. Généralement, la consigne générale pour la génération d’une tension correspond à des valeurs standards de tension de courant électrique alternatif (120 ou 230 V, 50 ou 60 Hz) ou de tension de courant électrique continu (par exemple 12 ou 48 V).

Par ailleurs, un convertisseur peut être avantageusement ajouté en sortie pour fournir une tension continue de 5 V à partir d’une tension plus élevée.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre de l’invention, le procédé de gestion comprend également une étape d’analyse de la tension fournie par un bloc de stockage à un bus, ladite analyse comprenant des sous-étapes de :

mesure de la tension fournie par ledit bloc de stockage audit bus ;
comparaison de la tension mesurée par rapport à la tension escomptée par la consigne de tension associée audit bloc de stockage ;
identification dudit bloc de stockage défaillant lorsque la différence entre la tension mesurée et la tension escomptée pour ledit bloc de stockage est en valeur absolue supérieure à une valeur seuil prédéterminée ;
si ledit bloc de stockage est identifié comme défaillant, court-circuitage dudit bloc de stockage par la commande de l’interrupteur électronique du sous-bloc de connexion audit bus.

Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, la détermination de la consigne de tension pour chaque bloc de stockage tient compte de l’état de charge de chaque bloc de stockage.

Enfin, l’invention vise selon un troisième aspect un composant électronique stockant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de gestion selon l’un quelconque des modes de mise en œuvre précédents.

Un tel composant électronique est généralement inclus dans un dispositif électronique de stockage et de génération d’un courant selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Le composant peut être par exemple un microcontrôleur, un circuit logique programmable, notamment de type FPGA (acronyme du terme anglais «Field-programmable gate array») ou tout autre composant électronique connu de l’homme du métier.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier des dispositifs et des procédés objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

[Fig 1] est un schéma électronique d’un exemple de mode de réalisation du dispositif de stockage d’énergie électrique selon l’invention ;
[Fig 2] est un schéma électronique détaillé d’une partie d’un bloc de stockage du dispositif de stockage d’énergie électrique de la figure 1 ;
[Fig 3] est un exemple de mode de réalisation d’un sous-bloc de connexion du bloc de stockage de la figure 2 ;
[Fig 4] est un autre schéma électronique du dispositif de stockage d’énergie électrique de la figure 1 ;
[Fig 5] est un schéma synoptique d’un exemple de mise en œuvre d’un procédé de gestion du dispositif de stockage d’énergie électrique de la figure 1.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION

La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.

On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.

Exemple d’un mode de réalisation particulier

La est un schéma électronique du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique selon l’invention.

Le dispositif 100 de stockage d’énergie électrique comprend une pluralité de cellules élémentaires commutées 105 formant un pack 110 de stockage, un bloc maitre 120 pilotant la génération d’une tension par les cellules élémentaires du pack 110 de stockage et un bloc 130 d’alimentation avantageusement galvaniquement isolé.

Une cellule élémentaire stocke de l’énergie électrique, par exemple sous forme électrochimique par un phénomène d’oxydo-réduction. Une technologie classique de cellule élémentaire est basée sur des échanges réversibles d’ions lithium entre deux électrodes.

On entend par cellule élémentaire commutée une cellule élémentaire stockant associée à au moins un commutateur permettant de piloter le chargement / déchargement de la cellule élémentaire. Comme illustré dans l’encart de la , la cellule élémentaire commutée 105 comprend préférentiellement deux commutateurs, un premier 106 connecté en série de la cellule élémentaire 108 et un deuxième 107 connecté en parallèle du premier commutateur 106 et de la cellule élémentaire 108.

Il convient de souligner que la cellule élémentaire commutée 105 présentée dans le présent exemple non limitatif de l’invention peut être généralisée par l’homme du métier à tout type d’architecture comprenant au moins une cellule élémentaire et au moins un commutateur, placés indépendamment en série et/ou en parallèle, dans la mesure où le ou le(s) commutateur(s) permettent de contrôler la tension aux bornes de la cellule élémentaire commutée.

Le dispositif électronique 100 est ici configuré avec quatre bus 140 en sortie du pack 110 de stockage permettant de générer simultanément jusqu’à quatre tensions distinctes, continue ou alternative. Un des bus 140 peut également être utilisé en parallèle pour charger tout ou partie des cellules élémentaires 108 du pack 110 de stockage.

Les cellules élémentaires commutées 105 sont avantageusement réparties dans le présent exemple non limitatif de l’invention entre trois blocs 115 de stockage du pack 110 de stockage et peuvent fournir une tension à au moins un bus 140 par l’intermédiaire d’au moins un des quatre sous-blocs 150 de connexion compris dans le bloc 115 de stockage. Les cellules commutées 105 d’un bloc 115 de stockage sont plus précisément comprises dans un sous-bloc 116 de stockage du bloc 115 correspondant. Dans le présent exemple non limitatif de l’invention, chaque bloc 115 de stockage comprend quatre cellules commutées 105.

Il convient de souligner que le nombre de blocs 115 de stockage et de sous-blocs 150 de connexion est quelconque, fixé en fonction de l’architecture électronique souhaitée. L’homme du métier de l’électronique pourra sans difficultés généraliser le présent exemple de mode de réalisation à un dispositif électronique comportant une pluralité de blocs de stockage, chaque bloc comportant au moins un sous-bloc de connexion à un bus.

Par ailleurs, les blocs 115 de stockage sont identiques dans le présent exemple non limitatif de l’invention mais l’homme du métier pourra sans difficulté généraliser le présent exemple à des blocs 115 de stockage comprenant un nombre de cellules commutées quelconques.

Chaque sous-bloc 150 de connexion permet de connecter ou déconnecter le bloc de stockage 115 correspondant à un bus 140 en fonction d’une consigne déterminée par le bloc maitre 120 à partir d’une consigne générale de tension et de fréquence du courant à générer en sortie du dispositif 100 de stockage.

Les cellules commutées 105 sont comprises à l’intérieur d’un sous-bloc 116 de connexion qui est piloté par un sous-bloc 160 de commande, relié au bloc maitre 120 par l’intermédiaire d’un bus 165 de commande.

Chaque bloc 115 de stockage comprend également un convertisseur DC/DC de tension continue permettant de convertir l’alimentation fournie par le bloc 130 d’alimentation par l’intermédiaire d’un bus 170 d’alimentation, et d’alimenter le sous-bloc 160 de commande afin de piloter les commutateurs 106, 107 des cellules commutées 105 et les sous-blocs 150 de connexion.

La illustre de manière plus détaillée le schéma électronique du sous-bloc 116 de stockage et des sous-blocs 150 de connexion d’un bloc 115 de stockage du dispositif électronique 100.

Le sous-bloc 116 de stockage comprend sur cette quatre cellules élémentaires commutées 105 connectées en série. Il convient de souligner que l’architecture du sous-bloc 116 de stockage peut être quelconque, combinant des cellules élémentaires commutées en série et/ou en parallèle.

Le sous-bloc 116 de stockage est connecté sur la à des sous-blocs 150 de connexion permettant de gérer la connexion ou le court-circuitage du sous-bloc 116 par rapport à au moins un bus 140.

A cet effet, chaque sous-bloc 150 de connexion comprend un interrupteur 210 permettant de connecter le bus 140 correspondant aux bornes 220 du sous-bloc 116 de stockage.

L’interrupteur 210 est préférentiellement de type galvaniquement isolé afin de permettre la connexion et la déconnexion au bus 140 de manière sécurisée. A cet effet, l’interrupteur électronique 210 peut être par exemple composé d’au moins un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, également connu sous l’acronyme MOSFET. En outre, dans la mesure où l’interrupteur 210 est galvaniquement isolé, il est possible de déconnecter complètement un bloc 115 de stockage qui a alors une consommation d’énergie électrique nulle. L’alimentation du convertisseur DC/DC du bloc 115 de stockage correspondant peut alors être arrêté dans un souci de gestion de l’énergie électrique.

Afin de contrôler la polarité de la tension fournie par le sous-bloc 116 de stockage aux bornes de l’interrupteur 210, le bloc 115 de stockage comprend également un pont en H formé par quatre éléments commutables 230.

Lorsque le bloc 115 de stockage est connecté à un bus 140, l’interrupteur 210 du sous-bloc 150 de connexion correspondant est ouvert, la tension aux bornes dudit interrupteur 210 étant égale à la tension aux bornes 220 éventuellement inversée par le pont en H.

Inversement, lorsque le bloc 115 de stockage est déconnecté dudit bus 140, l’interrupteur 210 est dans un état fermé permettant de court-circuiter le bloc 115 de stockage qui ne fournit alors aucune tension au bus 140. Avantageusement, les éléments commutables 230 du pont en H sont dans un état ouvert afin de déconnecter le bloc 115 de stockage du bus 140 et d’éviter un court-circuit entre les bornes 220, notamment lorsque le bloc 115 de stockage est connecté simultanément à un autre bus 140.

La illustre un exemple de mode de réalisation avantageux d’un sous-bloc 150 de connexion dans lequel l’interrupteur électronique 210 comprend deux transistors MOSFET 350, préférentiellement commandés par un optocoupleur 310.

L’optocoupleur 310 peut être avantageusement du type statique – type couramment connu sous le terme anglais «Solid State Relay» – comprenant une diode électroluminescente 311, couramment appelée sous l’acronyme LED du terme anglais «Light Emitting Diode»), en regard d’un récepteur photovoltaïque 312, permettant ainsi de s’affranchir d’une alimentation secondaire pour le fonctionnement de l’optocoupleur 310. Un tel optocoupleur 310 permet de fournir une tension basée sur la puissance de la LED pour commander les deux transistors MOSFET de l’interrupteur 210. Il est ainsi possible d’optimiser la consommation électrique du sous-bloc de connexion 150. Dans le présent exemple non limitatif de l’invention, le récepteur photovoltaïque 312 comprend trois diodes photovoltaïques 313 aptes à générer une tension électrique fonction de l’intensité lumineuse émise par la LED et reçue par la diode photovoltaïque 313.

Alternativement, les deux transistors MOSFET 350 de l’interrupteur 210 peuvent être commandés par le bloc logique 320 à partir des informations fournies par les tensions de grilles des transistors MOSFET composant dans le présent exemple non limitatif de l’invention les éléments commutables 230 du pont en H. D’autres informations, comme par exemple l’alimentation en sortie du convertisseur DC/DC du bloc 115 de stockage, peuvent être prises en compte alternativement ou en complément des tensions de grille du pont en H pour commander l’interrupteur 210.

Préférentiellement, les deux transistors MOSFET 350 de l’interrupteur 210 partagent leurs sources afin de pouvoir effectuer plus efficacement le court-circuitage du bloc 115 de stockage connecté au bus 140, en permettant au courant de circuler avantageusement dans les deux sens. Il convient en effet de souligner qu’un transistor MOSFET 350 permet de bloquer la circulation d’un courant dans le sens du drain vers la source en fonction de la tension appliquée à la grille du transistor MOSFET 350 mais reste passant pour la circulation du courant dans l’autre sens, c’est-à-dire de la source vers le drain, à travers une diode équivalente 355 qui a été illustrée par soucis de clarté, en parallèle du transistor MOSFET 350 sur la .

Il convient de souligner que ce schéma électronique peut être adapté à d’autres types de transistors, en particulier à des transistors aptes à bloquer la circulation du courant dans les deux sens.

L’optocoupleur 310 peut également comprendre un circuit 315 en parallèle du récepteur photovoltaïque 312 afin de décharger le récepteur photovoltaïque 312 notamment lors d’un changement d’état de l’interrupteur 210, ouvert ou fermé.

Comme illustré sur la , le bloc maitre 120 est configuré pour contrôler les blocs 115 de stockage du pack 110 en communiquant des instructions via le bus de commande 165 reliant le bloc maitre 120 à chaque bloc 115 de stockage.

A cet effet, le bloc maitre 120 comprend un générateur 410 d’une consigne de tension, de fréquence, voire de déphasage pour un bloc 115 de stockage. La consigne est transmise au bloc 115 de stockage qui traite la consigne par l’intermédiaire du sous-bloc logique 160. La consigne est traduite par le sous-bloc logique 160 en une planification de commande des commutateurs 106, 107 des cellules commutées 105 afin de générer un courant selon une tension et une fréquence donnée, voire avec un déphasage par rapport à un temps prédéterminé.

La consigne peut également se traduire par une commande d’au moins un sous-bloc 150 de connexion afin de fournir le courant défini par une tension à au moins un bus 140. Cette commande peut être effectuée par l’intermédiaire du sous-bloc logique 160 du bloc 115 de stockage ou par l’intermédiaire d’un générateur 420 de signaux compris dans le bloc maitre 120. Ce générateur 420 de signaux transmet des signaux dont la tension permet de commander directement les interrupteurs électroniques 210, chaque signal généré étant relié par exemple à la diode 311 de chaque optocoupleur 310.

Le bloc maitre 120 peut également comprendre un dispositif 430 d’analyse de la puissance fournie par le convertisseur DC/DC de chaque bloc 115 de stockage et du rendement du convertisseur DC/DC correspondant, par l’intermédiaire de signaux PWM (acronyme anglais de «Pulse Width Modulation») dont les largeurs d’impulsions sont modulées. L’analyse de la tension fournie par le convertisseur DC/DC permet par exemple d’optimiser le rendement du convertisseur DC/DC en adaptant la consigne transmise à un bloc 115 de stockage. A cet effet, le rapport cyclique des signaux PWM ou la fréquence du signal PWM peut être analysé(e). Le rapport cyclique permet notamment de calibrer la puissance en sortie et le rendement du convertisseur DC/DC. Tandis que la fréquence du signal PWM permet par exemple d’optimiser le rendement du convertisseur DC/DC en fonction de la puissance en sortie du convertisseur DC/DC.

Un dispositif 440 de commande de la tension en sortie du bloc d’alimentation 130, par exemple de type microcontrôleur, peut également être compris dans le bloc maitre 120 afin par exemple d’adapter la tension sur le bus 170 aux besoins des blocs 115 de stockage.

Par ailleurs, le bloc d’alimentation 130 peut avantageusement comprendre un module 450 de stockage d’énergie fournissant de l’énergie au bloc maitre 120 lors de la mise en veille du dispositif 100 de stockage. Ce module 450 de stockage, qui peut être une pile ou une batterie, est indépendant des cellules élémentaires 108 afin notamment de limiter la consommation électrique induite par la commande des commutateurs 106, 107 lors de la mise en veille du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique. Le dispositif 100 de stockage peut ainsi être optimisé en termes de consommation énergétique.

Le bloc d’alimentation 130 peut également comprendre un circuit 460 d’alimentation connecté à un bus 140 en sortie du pack 110 de stockage afin d’auto-alimenter le dispositif 100 de stockage dans une phase de fonctionnement, c’est-à-dire hors mise en veille.

Avantageusement, le circuit 460 d’alimentation peut comprendre un module de conversion 470 permettant de redresser un courant alternatif fourni par le bus 140. Le module de conversion 470 comprend généralement un pont redresseur et un condensateur.

De manière préférentielle, le premier bloc 115₁de stockage dont une borne est connectée à une masse du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique, c’est-à-dire le bloc 115 de stockage ayant la tension la plus faible dans le pack 110 de stockage, peut être avantageusement utilisé pour alimenter le bloc maitre 120 à la place du bloc 130 d’alimentation qui ne sera alors utilisé que lors du démarrage du dispositif 100 de stockage d’énergie électrique.

Il est également possible d’alimenter le bloc maitre 120 par n’importe quel autre bloc 115 de stockage à condition d’ajouter une isolation galvanique dans la connexion entre le bloc 115 de stockage choisi et le bloc maitre 120 à cause de la différence de tension du bloc 115 de stockage choisi qui ne partage pas la même masse que le bloc maitre 120.

La illustre sous la forme d’un schéma synoptique un exemple de mise en œuvre d’un procédé 500 de gestion du dispositif 100 de stockage selon l’invention.

Le procédé 500 de gestion comprend une première étape 510 de détermination d’une consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage à partir d’au moins une consigne générale de tension et de fréquence. La ou les consigne(s) générale(s) détermine(nt) le type de tension, à savoir alternatif ou continu, voire la fréquence éventuelle de la tension à générer sur un bus ou des tensions à générer simultanément sur des bus 140 différents par le dispositif 100 de stockage. Dans le cas d’une pluralité de bus 140, la consigne de tension peut également comprendre avantageusement un numéro de bus 140 associé au courant à générer par le bloc 115 de stockage. Une consigne de déphasage par rapport à une horloge du dispositif électronique 100 de stockage peut également être utilisée afin de synchroniser la génération du courant et/ou de la tension alternative par différents blocs 115 de stockage pour un même bus 140.

A partir de la consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage, l’état d’au moins un sous-bloc 150 de connexion d’un bloc 115 de stockage est modifié au cours d’une deuxième étape 520, notamment en changeant l’état de l’interrupteur 210 et/ou des éléments commutables 230 du pont en H, afin de connecter/déconnecter le bloc 115 de stockage par rapport au bus 140 correspondant et/ou de modifier la polarité de la tension générée par les cellules commutées 105 du bloc 115 de stockage.

Il convient de souligner que la consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage se traduit également par une planification de l’état des commutateurs de chaque cellule commutées 105 du bloc 115 de stockage afin de générer la tension escomptée par la consigne.

Avantageusement, la détermination de la consigne de tension pour chaque bloc 115 de stockage tient compte de l’état de charge des cellules élémentaires 108 de chaque bloc 115 de stockage, voire de la température des cellules élémentaires 108. La technologie utilisée pour les cellules 108 d’un bloc 115 de stockage peut également être pris en compte dans la détermination de la consigne pour le bloc 115 de stockage, certaines technologies pouvant être plus adaptées à la puissance demandée, aux variations de tension et de courant, voire à la température. Il est ainsi possible par exemple de sélectionner des blocs 115 de stockage comprenant des cellules élémentaires 108 adaptées aux fortes tensions liées notamment au démarrage d’une charge connectée au dispositif 100 de stockage.

Il convient également de souligner que la consigne de tension peut également correspondre à un rechargement des cellules élémentaires 108 d’un bloc 115 de stockage à partir d’un bus 140 dédié pour l’occasion pour alimenter le bloc 115 de stockage correspondant.

Grâce à l’architecture électronique du dispositif 100 de stockage, notamment par la présence d’une pluralité de bus 140 et de sous-blocs 150 de connexion, il est ainsi possible de charger et/ou de décharger un ou plusieurs bloc(s) 115 de stockage de manière indépendante et concomitante.

Le procédé 500 de gestion peut également comprendre une étape 530 d’analyse de la tension fournie par un bloc 115 de stockage à un bus 140.

Au cours de cette étape 530 d’analyse, la tension fournie par le bloc 115 de stockage au bus 140 est mesurée au cours d’une première sous-étape 531.

La tension mesurée est ensuite comparée à la tension escomptée par la consigne de tension associée au bloc 115 de stockage pour le bus 140 correspondant au cours d’une deuxième sous-étape 532.

Lorsque la différence entre la tension mesurée et la tension escomptée pour le bloc 115 de stockage est supérieure en valeur absolue à une valeur prédéterminée, le bloc 115 de stockage est identifié comme défaillant au cours d’une troisième sous-étape 533.

Alors, le bloc 115 de stockage, considéré comme défaillant, est court-circuité par la commande de l’interrupteur électronique 210 du sous-bloc 150 de connexion au bus 140 correspondant au cours d’une quatrième sous-étape 534.

Les instructions pour la mise en œuvre du procédé 500 de gestion sont avantageusement implémentées dans un composant électronique du dispositif 100 de stockage, tel qu’un circuit intégré ou un circuit logique programmable. Alternativement, les instructions pour la mise en œuvre du procédé 500 de gestion peuvent être stockées à l’intérieur d’une mémoire informatique en vue d’être traitées par un processeur compris dans le dispositif 100 de stockage.

Le dispositif 100 de stockage peut se présenter sous la forme d’une mallette dont le nombre de connexion en sortie est au moins égal au nombre de bus 140, afin d’être aisément porté par un individu qui peut déplacer le dispositif 100 de stockage en différents endroits en fonction des besoins d’alimentation électrique.

Grâce à l’architecture présentée ici, le dispositif 100 de stockage se révèle être une batterie de type commutée, très modulable. En effet, la ou les tension(s) générée(s) peuvent être aisément choisi(s) en fonction des besoins, par exemple grâce à un sélecteur présenté par le dispositif 100 de stockage.

Claims

Dispositif (100) de stockage d’une énergie électrique, comprenant une pluralité de cellules élémentaires commutées comprises à l’intérieur d’un pack (110) de stockage, un bloc maitre (120) et un bloc (130) d’alimentation alimentant le pack de stockage et le bloc maître avec une tension continue, ledit dispositif de stockage étant caractérisé en ce que le pack de stockage est subdivisé en une pluralité de bloc (115) de stockage, chaque bloc de stockage comportant une pluralité de cellules commutées (105) et un sous-bloc logique (160) de commande de chaque cellule commutée dudit bloc de stockage, et en ce que chaque bloc de stockage comprend également au moins un sous-bloc de connexion (150) à un bus (140), chaque sous-bloc de connexion comportant un interrupteur électronique (210) comprenant deux positions, une position dite connectée dans laquelle le bloc de stockage fournit une tension au bus et une position dite de court-circuit dans laquelle le bloc de stockage associé est court-circuité.
Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’interrupteur électronique est de type galvaniquement isolé.
Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’interrupteur électronique est composé d’au moins un transistor (350) à effet de champ à grille métal-oxyde.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un optocoupleur (310) configuré pour commander l’état de l’interrupteur électronique.
Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’optocoupleur comprend une diode électroluminescente (311) en regard d’un récepteur photovoltaïque (312).
Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel l’optocoupleur comprend également un circuit (315) permettant de décharger le récepteur photovoltaïque.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un sous-bloc de connexion à un bus d’au moins un bloc de stockage comprend également un pont en H configuré pour inverser la tension en sortie du bloc de stockage correspondant, le pont en H comprenant quatre éléments commutables (230).
Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel au moins un bloc de stockage comprend également un circuit logique (320) commandant l’état de l’interrupteur électronique d’au moins un sous-bloc de connexion à partir de l’analyse d’informations caractérisant le pont en H, et/ou l’état de charge du bloc de stockage.
Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel les éléments de commutation du pont en H sont des transistors et les informations analysées par le bloc logique comprennent une grille de tension desdits transistors du pont en H.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de bus, chaque bus étant connecté en sortie d’un sous-bloc de connexion distinct de chaque bloc de stockage.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque bloc de stockage comprend également un convertisseur DC/DC alimentant le circuit de commande à partir de la tension fournie par le bloc d’alimentation.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc maitre est configuré pour contrôler les blocs de stockage via au moins l’un des éléments suivants :
un bus de commande (165) reliant le bloc maitre et chaque bloc de stockage ;

un générateur (410) d’une consigne de tension et/ou de fréquence du courant à produire pour chaque bloc de stockage, le circuit de stockage de chaque bloc de stockage concerné commandant tout ou partie des commutateurs associés aux cellules élémentaires en fonction de la consigne reçue par ledit bloc de stockage ;

un générateur (420) de signaux permettant de commander l’état d’au moins un interrupteur commandable afin de modifier l’état de connexion à au moins un bus d’au moins un bloc de stockage ;

un dispositif (430) d’analyse de la puissance fournie par le convertisseur DC/DC de chaque bloc de stockage et du rendement dudit convertisseur DC/DC, par l’intermédiaire de signaux PWM ;

un dispositif (440) de commande de la tension en sortie du bloc d’alimentation.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc d’alimentation comprend :
un module (450) de stockage d’énergie permettant de fournir de l’énergie au bloc maitre lors de la mise en veille du dispositif de stockage ;

un circuit (460) d’alimentation connecté en sortie du pack de stockage.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc d’alimentation comprend un module de conversion du courant en entrée du bloc d’alimentation lorsque le courant fourni est de type alternatif, ledit module de conversion comprenant un pont redresseur et un condensateur.
Dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant également un circuit d’alimentation reliant un bloc de stockage au bloc maitre afin de fournir une tension audit bloc maitre.
Dispositif de stockage selon la revendication précédente, dans lequel le circuit d’alimentation comprend une isolation galvanique.
Procédé de gestion du dispositif de stockage selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit procédé de gestion comprenant des étapes de :
détermination d’une consigne de tension pour chaque bloc de stockage à partir d’au moins une consigne générale de tension et de fréquence ;

modification de l’état d’au moins un sous-bloc de connexion d’un bloc de stockage en fonction de la consigne de tension déterminée précédemment.
Procédé de gestion selon la revendication précédente, comprenant également une étape d’analyse de la tension fournie par un bloc de stockage à un bus, ladite étape d’analyse comprenant des sous-étapes de :
mesure de la tension fournie par ledit bloc de stockage audit bus ;

comparaison de la tension mesurée par rapport à la tension escomptée par la consigne de courant associée audit bloc de stockage pour ledit bus ;

identification dudit bloc de stockage défaillant lorsque la différence entre la tension mesurée et la tension escomptée pour ledit bloc de stockage est en valeur absolue supérieure à une valeur seuil prédéterminée ;

si ledit bloc de stockage est identifié comme défaillant, court-circuitage dudit bloc de stockage par la commande de l’interrupteur électronique du sous-bloc de connexion audit bus.
Procédé de gestion selon l’une quelconque des revendications 17 à 18, dans lequel la détermination de la consigne de tension pour chaque bloc de stockage tient compte de l’état de charge de chaque bloc de stockage.
Composant électronique stockant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de gestion selon l’une quelconque des revendications 17 à 19.