FR3129789A1 - Series-connected supercapacitor voltage balancing device - Google Patents
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Abstract
Dispositif d’équilibrage de tension de supercondensateurs mis en série L’invention concerne un dispositif (10) d’équilibrage de tension comprenant une pluralité d’étages (11) connectés en série, chaque étage comprenant : un supercondensateur (12) ;une première branche de circuit (20) mise en parallèle du supercondensateur, la première branche de circuit (20) comportant une première résistance (21) mise en série avec au moins une diode (22) dans le sens passant. Figure pour l’abrégé : Fig. 5A voltage balancing device (10) for serially connected supercapacitors A voltage balancing device (10) comprising a plurality of stages (11) connected in series, each stage comprising: a supercapacitor (12);a first circuit branch (20) placed in parallel with the supercapacitor, the first circuit branch (20) comprising a first resistor (21) placed in series with at least one diode (22) in the forward direction. Figure for abstract: Fig. 5
Description
La présente invention concerne le domaine de l’équilibrage de tension d’une pluralité de supercondensateurs mis en série.The present invention relates to the field of voltage balancing of a plurality of series-connected supercapacitors.
L’invention concerne également les dispositifs de stockage d’énergie électrique de secours, et plus particulièrement les dispositifs de stockage d’énergie électrique d’ultime secours à base de supercondensateurs.The invention also relates to emergency electrical energy storage devices, and more particularly to ultimate emergency electrical energy storage devices based on supercapacitors.
Les dispositifs de stockage d’énergie électrique de secours sont maintenus sous tension et restent en attente en cas d’urgence. Ils doivent être disponibles et prêts à fonctionner lorsque le secours est nécessaire.Emergency electrical energy storage devices are kept powered and remain on standby in the event of an emergency. They must be available and ready to operate when help is needed.
Les dispositifs de stockage d’énergie d’ultime secours peuvent par exemple alimenter les démarreurs de groupes diesels de secours, les moteurs des éoliennes ce qui permet de mettre les pales en drapeau en cas de disparition du réseau et de freiner puis de bloquer la rotation, ou encore les pompes de refroidissement des réacteurs de centrales nucléaires ou installations industrielles où l’évacuation de la chaleur générée ou stockée est critique.Ultimate emergency energy storage devices can, for example, supply the starters of emergency diesel generators, the motors of wind turbines, which makes it possible to feather the blades in the event of loss of the network and to brake and then block the rotation. , or the cooling pumps of the reactors of nuclear power plants or industrial installations where the evacuation of the heat generated or stored is critical.
Une des particularités des dispositifs de stockage d’énergie à base de supercondensateurs pour le secours consiste à faire faire aux supercondensateurs très peu de cycles de charge/décharge au cours de leur vie, comparativement aux valeurs d’un à deux millions de cycles que ces composants peuvent réaliser. Une autre des particularités de ces dispositifs tient en ce que leur état principal est un état d’attente sous tension, et ils doivent pouvoir fournir une puissance élevée lors d’une sollicitation pour le secours en énergie électrique.One of the particularities of energy storage devices based on supercapacitors for back-up consists in having the supercapacitors make very few charge/discharge cycles during their life, compared to the values of one to two million cycles that these components can achieve. Another particularity of these devices is that their main state is a standby state under voltage, and they must be able to supply high power during a request for emergency electrical energy.
Les supercondensateurs sont des composants de stockage d’énergie électrique ayant des énergies massiques relativement faibles, typiquement de l’ordre de quelques watts heure par kilogramme, inférieures d’au moins un facteur dix à celles caractéristiques des batteries, mais pouvant délivrer de fortes puissances. Leurs puissances massiques sont de l’ordre de quelques kilowatts heure par kilogramme.Supercapacitors are electrical energy storage components having relatively low specific energies, typically of the order of a few watt hours per kilogram, lower by at least a factor of ten than those characteristic of batteries, but capable of delivering high powers. . Their specific powers are of the order of a few kilowatt hours per kilogram.
Les supercondensateurs présentent aussi l’avantage d’avoir une plage de températures de fonctionnement plus étendue que les batteries, en particulier pour les températures négatives.Supercapacitors also have the advantage of having a wider operating temperature range than batteries, especially for negative temperatures.
Le stockage de l’énergie dans les supercondensateurs s’effectue sous forme électrostatique à l’interface entre une électrode de graphite de très grande surface et un électrolyte. La tension maximale est limitée, typiquement à 2,7 V, pour ne pas dégrader l’électrolyte par électrolyse.Energy storage in supercapacitors takes place in electrostatic form at the interface between a very large surface area graphite electrode and an electrolyte. The maximum voltage is limited, typically to 2.7 V, so as not to degrade the electrolyte by electrolysis.
Pour obtenir de plus hautes tensions, les supercondensateurs sont mis en série. Les supercondensateurs en série doivent être tous de même capacité et chargés sous des tensions identiques.To obtain higher voltages, the supercapacitors are connected in series. The supercapacitors in series must all be of the same capacity and charged under identical voltages.
Par conséquent, les supercondensateurs mis en série doivent avoir une faible dispersion en valeur de capacité vis-à-vis de leur tolérance de fabrication.Consequently, the supercapacitors placed in series must have a low dispersion in capacitance value with respect to their manufacturing tolerance.
En outre, il est nécessaire d’assurer l’équilibrage en tension de la mise en série pour que les supercondensateurs soient tous chargés à une même tension.In addition, it is necessary to ensure the voltage balancing of the series connection so that the supercapacitors are all charged at the same voltage.
Lorsqu’une pluralité de supercondensateurs est mise en série, les supercondensateurs sont parcourus par un même courant qui les charge et les décharge. Ce courant n’est pas la cause de déséquilibres en tension. Mais la dispersion des courants de fuite des supercondensateurs peut causer des déséquilibres en tension au sein de la pluralité de supercondensateurs en série.When a plurality of supercapacitors are placed in series, the supercapacitors are traversed by the same current which charges and discharges them. This current is not the cause of voltage imbalances. But the dispersion of supercapacitor leakage currents can cause voltage imbalances among the plurality of supercapacitors in series.
Si un supercondensateur a un courant de fuite inférieur à celui des autres supercondensateurs avec qui il est en série, la tension va augmenter à ses bornes. A l’inverse, si un supercondensateur a un courant de fuite supérieur à celui des autres supercondensateurs, la tension va chuter à ses bornes.If a supercapacitor has a lower leakage current than the other supercapacitors with which it is in series, the voltage will increase across it. Conversely, if a supercapacitor has a higher leakage current than other supercapacitors, the voltage will drop across it.
Dans de nombreuses applications, les supercondensateurs assurent l’alimentation de fonctions de sécurité pour lesquels les critères de fiabilité et de disponibilité sont extrêmement importants. L’électronique associée aux supercondensateurs pour assurer la fonction d’équilibrage en tension doit donc être très fiable et/ou très disponible.In many applications, supercapacitors provide power to safety functions for which reliability and availability criteria are extremely important. The electronics associated with the supercapacitors to ensure the voltage balancing function must therefore be very reliable and/or very available.
La fiabilité est généralement assurée par des fonctions simples mettant peu de composants en œuvre.Reliability is generally ensured by simple functions involving few components.
Une disponibilité élevée est généralement assurée par de la redondance. La fiabilité est alors diminuée en raison du nombre de composants utilisés, plus important du fait de la redondance. En revanche, la fonction à remplir continue à être opérationnelle en cas de défaillance sur une partie de l’électronique, puisque d’autres parties sont susceptibles d’assurer la fonction en redondance. Le niveau de disponibilité peut être très élevé : toutes les parties électroniques en redondance doivent être défaillantes simultanément pour que la fonction ne puisse plus être remplie.High availability is generally ensured by redundancy. The reliability is then reduced due to the number of components used, which is greater due to the redundancy. On the other hand, the function to be performed continues to be operational in the event of a failure in one part of the electronics, since other parts are likely to ensure the function in redundancy. The level of availability can be very high: all the redundant electronic parts must fail simultaneously so that the function can no longer be fulfilled.
Une solution simple et fiable connue de l’état de l’art pour assurer l’équilibrage en tension d’une mise en série de supercondensateurs consiste à mettre des résistances de valeurs identiques en parallèle sur chacun des supercondensateurs. Ces résistances sont parcourues par des courants supérieurs d’un facteur 10 ou 20 au courant de fuite maximum des supercondensateurs.A simple and reliable solution known from the state of the art to ensure the voltage balancing of a series connection of supercapacitors consists in putting resistors of identical values in parallel on each of the supercapacitors. These resistors are traversed by currents greater by a factor of 10 or 20 than the maximum leakage current of supercapacitors.
Cette solution est représentée à la
La présence d’une résistance en parallèle parcourue par un courant beaucoup plus élevé que le courant de fuite va fortement limiter la variation de tension due à la différence de courant de fuite. C’est en effet la résistance qui va être traversée principalement par la différence de courant de fuite et qui aura donc à ses bornes une augmentation ou une diminution de tension égale à sa valeur multipliée par la différence de courant de fuite.The presence of a resistor in parallel through which a current much higher than the leakage current flows will greatly limit the variation in voltage due to the difference in leakage current. It is in fact the resistor which will be traversed mainly by the difference in leakage current and which will therefore have at its terminals an increase or decrease in voltage equal to its value multiplied by the difference in leakage current.
Cette solution résistive est très fiable car le taux de défaillance des résistances est faible. Cependant, elle entraîne une perte d’énergie en continu qui doit être compensée par une alimentation électrique, et un échauffement dû à la dissipation thermique de cette énergie.This resistive solution is very reliable because the resistor failure rate is low. However, it causes a continuous loss of energy which must be compensated by a power supply, and a heating due to the thermal dissipation of this energy.
Dans le cas d’un dispositif de secours, il est donc nécessaire de fournir en permanence l’énergie dissipée par les résistances et d’évacuer la chaleur générée par celles-ci.In the case of a backup device, it is therefore necessary to permanently supply the energy dissipated by the resistors and to evacuate the heat generated by them.
D’autres dispositifs d’équilibrage en tension existent, par exemple basés sur des circuits électroniques qui comparent la tension d’un supercondensateur à celle de l’un de ses voisins dans la mise en série et égalisent les tensions.Other voltage balancing devices exist, for example based on electronic circuits which compare the voltage of a supercapacitor to that of one of its neighbors in the series connection and equalize the voltages.
Une autre solution connue consiste à utiliser un convertisseur d’électronique de puissance pour échanger de l’énergie entre un supercondensateur et l’un de ses voisins dans la mise en série si les tensions de ces deux supercondensateurs ne sont pas égales.Another known solution consists of using a power electronics converter to exchange energy between a supercapacitor and one of its neighbors in the series connection if the voltages of these two supercapacitors are not equal.
De nombreuses variantes de ces circuits électroniques existent, mais elles présentent l’inconvénient d’un risque de défaillance augmenté du fait du nombre de composants utilisés. En outre, les conséquences d’une défaillance sont plus graves que celles amenées par la défaillance d’une résistance. Il est vrai que la valeur d’une résistance peut évoluer ou que le film conducteur peut se couper : la résistance se comporte alors comme un circuit ouvert. En revanche, le risque de mise en court-circuit est très faible, voire nul.Many variants of these electronic circuits exist, but they have the disadvantage of an increased risk of failure due to the number of components used. In addition, the consequences of a failure are more serious than those brought about by the failure of a resistor. It is true that the value of a resistor can change or that the conductive film can be cut: the resistor then behaves like an open circuit. On the other hand, the risk of short-circuiting is very low, if not zero.
Pour des électroniques d’équilibrage plus complexes, le risque de court-circuit provoqué par la défaillance d’un composant est significativement plus élevé. Cela peut provoquer un court-circuit du supercondensateur concerné. Ainsi, outre la défaillance de la mise en série de supercondensateurs, ce défaut peut provoquer un départ de feu électrique.For more complex balancing electronics, the risk of short circuit caused by component failure is significantly higher. This can cause the affected supercapacitor to short circuit. Thus, in addition to the failure of the series connection of supercapacitors, this defect can cause an electrical fire outbreak.
En résumé, l’équilibrage des tensions des supercondensateurs mis en série par des résistances de valeurs identiques placées en parallèle de chaque supercondensateur offre une très bonne fiabilité, avec des modes de défaillance qui ne sont pas critiques. En comparaison, les solutions électroniques plus complexes sont d’une fiabilité moindre et peuvent être assujetties à des modes de défaillance dangereux pour le dispositif de stockage.In summary, the balancing of the voltages of the supercapacitors placed in series by resistors of identical values placed in parallel with each supercapacitor offers very good reliability, with failure modes which are not critical. In comparison, more complex electronic solutions are less reliable and may be subject to failure modes that are dangerous to the storage device.
L’équilibrage en tension est un besoin existant également dans le domaine des accumulateurs électrochimiques, et en particulier des accumulateurs électrochimiques Lithium-ion. Toutefois, le besoin d’équilibrage des accumulateurs est très différent de celui supercondensateurs.Voltage balancing is also an existing need in the field of electrochemical accumulators, and in particular lithium-ion electrochemical accumulators. However, the need for balancing of accumulators is very different from that of supercapacitors.
Du fait des très faibles courants d’autodécharge des accumulateurs Lithium-ion par rapport à l’énergie stockée, il n’est pas nécessaire d’alimenter et de maintenir sous tension des accumulateurs Lithium-ion pour compenser les courants d’autodécharge. Des accumulateurs Lithium-ion de bonne qualité peuvent conserver leur énergie électrique pendant plusieurs années.Due to the very low self-discharge currents of lithium-ion accumulators compared to the stored energy, it is not necessary to supply and maintain the voltage of lithium-ion accumulators to compensate for self-discharge currents. Good quality lithium-ion batteries can retain their electrical energy for several years.
Lors d’une phase de recharge, l’équilibrage en tension consiste à limiter la tension maximale des accumulateurs à un seuil choisi et à amener tous les accumulateurs à ce seuil.During a charging phase, voltage balancing consists of limiting the maximum voltage of the accumulators to a chosen threshold and bringing all the accumulators to this threshold.
Classiquement, l’équilibrage de tension des accumulateurs Lithium-ion utilise des circuits électroniques complexes. Par exemple, la solution la plus répandue consiste à mesurer la tension de chacun des accumulateurs Lithium-ion mis en série, arrêter la charge lorsqu’un des accumulateurs atteint le seuil maximum en tension choisi, décharger les accumulateurs de plus haute tension jusqu’à atteindre la tension des accumulateurs de plus basse tension par fermeture de transistors pour permettre le passage d’un courant de décharge au travers d’une résistance de décharge. La recharge reprend alors jusqu’à ce que tous les accumulateurs Lithium-ion atteignent le seuil en tension choisi. Tous les accumulateurs en série sont alors équilibrés en tension à la valeur de seuil choisie.Conventionally, the voltage balancing of lithium-ion batteries uses complex electronic circuits. For example, the most common solution consists in measuring the voltage of each of the Lithium-ion accumulators placed in series, stopping the charge when one of the accumulators reaches the maximum voltage threshold chosen, discharging the accumulators with the highest voltage up to reach the voltage of the lowest voltage accumulators by closing transistors to allow the passage of a discharge current through a discharge resistor. Charging then resumes until all the Lithium-ion batteries reach the chosen voltage threshold. All the accumulators in series are then voltage balanced at the chosen threshold value.
L’équilibrage en tension des accumulateurs Lithium-ion tel que décrit nécessite une électronique de gestion complexe, dont la fiabilité est limitée du fait du nombre de fonctions électroniques à réaliser. D’autre part, l’équilibrage en tension réalisé, qui atteint une limite en tension aux bornes de chaque accumulateur, n’est pas adapté aux supercondensateurs mis en série.The voltage balancing of Lithium-ion accumulators as described requires complex management electronics, the reliability of which is limited due to the number of electronic functions to be performed. On the other hand, the voltage balancing achieved, which reaches a voltage limit at the terminals of each accumulator, is not suitable for supercapacitors connected in series.
En effet, il n’est pas seulement nécessaire de limiter la tension maximale aux bornes des supercondensateurs. Il faut également que les tensions aux bornes de chacun des supercondensateurs soient identiques quel que soit le niveau d’énergie et quel que soit le niveau de tension global aux bornes de la mise en série, pour optimiser la restitution d’énergie. Il est en outre nécessaire qu’en cas de décharge complète, les supercondensateurs soient seulement déchargés jusqu’à zéro volt et non inversés en tension, c’est-à-dire chargés en inverse avec apparition d’une tension négative à leurs bornes.Indeed, it is not only necessary to limit the maximum voltage at the terminals of the supercapacitors. It is also necessary that the voltages at the terminals of each of the supercapacitors are identical whatever the energy level and whatever the overall voltage level at the terminals of the series connection, to optimize the energy restitution. It is also necessary that in the event of complete discharge, the supercapacitors are only discharged to zero volts and not inverted in voltage, that is to say charged in reverse with the appearance of a negative voltage at their terminals.
Pour réaliser l’équilibrage de tension de supercondensateurs en série avec une électronique simple et fiable et dissipant une puissance réduite par rapport à la solution avec une résistance en parallèle à chaque supercondensateur, il est connu de placer en parallèle de chaque supercondensateur de la mise en série une branche constituée d’une résistance en série avec une diode Zener dont la tension d’écrêtage est inférieure à la tension maximale des supercondensateurs.To carry out the voltage balancing of supercapacitors in series with simple and reliable electronics and dissipating a reduced power compared to the solution with a resistance in parallel to each supercapacitor, it is known to place in parallel each supercapacitor of the setting in series a branch consisting of a resistor in series with a Zener diode whose clipping voltage is lower than the maximum voltage of the supercapacitors.
Cette solution est décrite dans la demande de brevet JP2004222438A et illustrée à la
Les diodes Zener sont des composants qui permettent un écrêtage en tension. Leur fonctionnement est basé sur deux phénomènes physiques différents selon leur niveau de tension.Zener diodes are components that allow voltage clipping. Their operation is based on two different physical phenomena depending on their voltage level.
Au-delà de 6 volts, les diodes dites « diodes Zener » utilisent en réalité le phénomène physique de l’avalanche, qui permet un écrêtage en tension très franc avec peu de courant de fuite en-dessous du seuil de tension, et peu d’élévation de tension en fonction du courant au-dessus du seuil de tension. Ceci s’observe par des caractéristiques de droites verticales dans les figures 3 et 4.Beyond 6 volts, the diodes called "Zener diodes" actually use the physical phenomenon of the avalanche, which allows a very clear voltage clipping with little leakage current below the voltage threshold, and little d voltage rise as a function of the current above the voltage threshold. This is observed by the characteristics of vertical lines in Figures 3 and 4.
La
La
On observe donc une variation de tension limitée pour plusieurs ordres de grandeur de variation du courant.A limited voltage variation is therefore observed for several orders of magnitude of current variation.
En-dessous de 6 V, les diodes Zener fonctionnent par effet Zener. Sous le seuil de tension de la diode Zener, il existe déjà un courant de fuite notable. Par exemple, pour une diode Zener de seuil de tension 1,8 V mesuré au courant de test de 50 µA, le courant de fuite maximum spécifié par le constructeur est de 7,5 µA pour une tension de 1 V seulement, éloignée du seuil de tension. Au-delà du seuil de tension spécifié, la tension croît fortement au fur et à mesure de l’augmentation de l’intensité du courant. La tension est mal écrêtée. Une résistance apparente de valeur élevée et variable, car dépendante du courant, existe. Cette résistance apparente n’est pas spécifiée ni en valeur, ni en évolution en fonction de la température. Sur la courbe du composant de plus faible tension, on observe que la tension croît de 0,5 V de 0,1 mA à 1 mA, puis de nouveau de 0,5V de 1 mA à 10 mA. Dans la première plage, la résistance apparente est de l’ordre de 500 ohms et de 50 ohms dans la seconde.Below 6 V, Zener diodes operate by Zener effect. Below the Zener diode voltage threshold, there is already a noticeable leakage current. For example, for a Zener diode with a voltage threshold of 1.8 V measured at a test current of 50 µA, the maximum leakage current specified by the manufacturer is 7.5 µA for a voltage of only 1 V, far from the threshold Of voltage. Beyond the specified voltage threshold, the voltage rises sharply as the current intensity increases. The voltage is poorly clipped. An apparent resistance of high and variable value, because dependent on the current, exists. This apparent resistance is not specified neither in value, nor in evolution according to the temperature. On the curve of the lower voltage component, we observe that the voltage increases by 0.5 V from 0.1 mA to 1 mA, then again by 0.5 V from 1 mA to 10 mA. In the first range, the apparent resistance is of the order of 500 ohms, and 50 ohms in the second.
Une diode « dite Zener » de seuil de tension supérieur à 6 V fonctionne en régime d’avalanche et constitue un écrêteur en tension efficace et de faible résistance interne. L’ajout d’une résistance en série permet de donner une pente de la tension en fonction du courant parfaitement maitrisée et précise définie par la valeur de la résistance.A “Zener” diode with a voltage threshold greater than 6 V operates in avalanche mode and constitutes an effective voltage limiter with low internal resistance. The addition of a resistor in series makes it possible to give a slope of the voltage according to the perfectly controlled and precise current defined by the value of the resistor.
Une diode Zener de seuil de tension inférieur à 6 V fonctionnant par effet Zener ne constitue pas un écrêteur en tension efficace et de faible résistance interne. L’ajout d’une résistance en série ne permet pas de maîtriser la pente de la tension en fonction du courant du fait de la résistance apparente de la diode Zener qui dépend fortement du courant et n’est spécifiée ni en valeur ni en variation en fonction de la température.A Zener diode with a voltage threshold lower than 6 V operating by Zener effect does not constitute an effective voltage limiter and low internal resistance. Adding a resistor in series does not make it possible to control the slope of the voltage as a function of the current due to the apparent resistance of the Zener diode which strongly depends on the current and is not specified either in value or in variation in function of temperature.
Pour l’application d’équilibrage de tension de supercondensateurs mis en série, le seuil de tension nécessaire correspond généralement à une diode Zener fonctionnant par effet Zener, c’est-à-dire inférieur à 6 V.For the voltage balancing application of series-connected supercapacitors, the necessary voltage threshold generally corresponds to a Zener diode operating by Zener effect, i.e. less than 6 V.
L’utilisation d’une diode Zener telle que décrite par la demande JP2004222438A présente l’avantage de dissiper une puissance inférieure à la solution résistive tout en ayant la même résistance apparente. Autrement dit, un écart de courant de fuite d’un supercondensateur par rapport aux autres supercondensateurs donnera lieu à la même variation de tension que pour la solution résistive mais dissipera une puissance inférieure. Par exemple, si l’écrêtage en tension de la diode Zener correspond aux deux tiers de la tension de fonctionnement des supercondensateurs, la résistance sera soumise au tiers de cette tension et sera traversée par un courant égal au tiers de celui de la solution résistive. La puissance dissipée sera ainsi divisée par trois.The use of a Zener diode as described by application JP2004222438A has the advantage of dissipating less power than the resistive solution while having the same apparent resistance. In other words, a leakage current deviation of a supercapacitor compared to other supercapacitors will give rise to the same voltage variation as for the resistive solution but will dissipate less power. For example, if the voltage clipping of the Zener diode corresponds to two thirds of the operating voltage of the supercapacitors, the resistor will be subjected to one third of this voltage and will be crossed by a current equal to one third of that of the resistive solution. The dissipated power will thus be divided by three.
Cependant, cette solution présente des inconvénients majeurs.However, this solution has major drawbacks.
Tout d’abord, la diode Zener est utilisée dans son sens bloqué, et écrête donc en tension à une valeur qui dépend de l’épaisseur de ses couches. La valeur de tension seuil est alors très sensible à la tolérance de fabrication des épaisseurs de jonction de la diode. Les performances en précision du seuil de tension sont limitées par la tolérance de fabrication des diodes Zener, qui est typiquement de l’ordre de 5%. Par exemple, avec une tolérance de +/- 5%, une diode Zener de 1,8 V, telle que la diode de référence MMSZ49781 du fabricant ON Semiconductor, possède une variation du seuil de tension possible de 180 mV, ce qui est prohibitif pour l’application visée par l’invention.First of all, the Zener diode is used in its blocked direction, and therefore clips in voltage at a value which depends on the thickness of its layers. The threshold voltage value is then very sensitive to the manufacturing tolerance of the junction thicknesses of the diode. The precision performance of the voltage threshold is limited by the manufacturing tolerance of Zener diodes, which is typically around 5%. For example, with a tolerance of +/- 5%, a 1.8 V Zener diode, such as the reference diode MMSZ49781 from the manufacturer ON Semiconductor, has a possible voltage threshold variation of 180 mV, which is prohibitive for the application targeted by the invention.
De plus, lorsque la tension aux bornes des supercondensateurs est inférieure à la tension de la diode Zener, l’équilibrage en tension ne fonctionne pas.Also, when the voltage across the supercapacitors is lower than the Zener diode voltage, voltage balancing does not work.
Enfin, l’écrêtage en tension est de qualité insuffisante pour les faibles tensions, inférieures à 6 V.Finally, voltage clipping is of insufficient quality for low voltages, below 6 V.
Les diodes Zener peuvent être triées pour minimiser la dispersion de leurs seuils de tension, mais cela se fait au prix d’un coût accru par l’opération de tri et par la non-utilisation des composants qui ne respectent pas la tolérance choisie.Zener diodes can be sorted to minimize the dispersion of their voltage thresholds, but this comes at the cost of increased cost by the sorting operation and by not using components that do not meet the chosen tolerance.
Il est envisageable de remplacer les diodes Zener par des composants appelés diodes Zener programmables ou références de tension ajustables.It is possible to replace Zener diodes with components called programmable Zener diodes or adjustable voltage references.
Les diodes Zener programmables sont des circuits intégrés analogiques qui s’alimentent par les bornes et comparent la tension aux bornes divisé par un pont de résistance externe à une référence de tension de précision de type référence de bande interdite. Une référence répandue de diode Zener programmable est le composant connu sous la dénomination TL431. Son seuil interne est de 2,5 V.Programmable Zener diodes are analog integrated circuits that draw power from the terminals and compare the voltage across the terminals divided by an external resistor bridge to a precision band-gap type voltage reference. A popular programmable Zener diode reference is the component known as TL431. Its internal threshold is 2.5 V.
Toutefois, une diode Zener programmable, bien que plus précise, est moins fiable qu’une diode Zener car elle est constituée d’un circuit intégré regroupant plusieurs fonctions : référence de tension de type référence de bande interdite, amplificateur opérationnel monté en comparateur de tension, transistors amplificateurs de courant. Une diode Zener programmable a donc une probabilité de défaillance plus élevée qu’une diode Zener, une résistance ou une diode à jonction.However, a programmable Zener diode, although more precise, is less reliable than a Zener diode because it consists of an integrated circuit grouping together several functions: voltage reference of the forbidden band reference type, operational amplifier mounted as a voltage comparator , current amplifier transistors. A programmable zener diode therefore has a higher probability of failure than a zener diode, a resistor or a junction diode.
Il existe donc un besoin pour une solution d’équilibrage en tension d’une pluralité de supercondensateurs mis en série, qui remédie aux inconvénients de l’art antérieur, notamment en minimisant la puissance perdue et la chaleur générée, tout en assurant un niveau de fiabilité élevé.There is therefore a need for a voltage balancing solution for a plurality of series-connected supercapacitors, which overcomes the drawbacks of the prior art, in particular by minimizing the power lost and the heat generated, while ensuring a level of high reliability.
Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.The object of the invention is to meet this need at least in part.
Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif d’équilibrage de tension, comprenant une pluralité d’étages connectés en série, chaque étage comprenant :To do this, the invention relates to a voltage balancing device, comprising a plurality of stages connected in series, each stage comprising:
- un supercondensateur ;a supercapacitor;
- une première branche de circuit mise en parallèle du supercondensateur, la première branche de circuit comportant une première résistance mise en série avec au moins une diode dans le sens passant.a first circuit branch placed in parallel with the supercapacitor, the first circuit branch comprising a first resistor placed in series with at least one diode in the forward direction.
Par « diode dans le sens passant » ou « sens direct », on entend dans le cadre de l’invention que l’anode de la diode (ou de la mise en série de plusieurs diodes) est reliée au pôle positif du supercondensateur et la cathode de la diode (ou de la mise en série de plusieurs diodes) est reliée au pôle négatif du supercondensateur.By "diode in the forward direction" or "forward direction", it is meant in the context of the invention that the anode of the diode (or of the series connection of several diodes) is connected to the positive pole of the supercapacitor and the cathode of the diode (or the series connection of several diodes) is connected to the negative pole of the supercapacitor.
L’invention consiste donc essentiellement à réaliser la fonction d’équilibrage en tension au moyen d’une résistance mise en série avec une ou plusieurs diodes en sens passant dans une branche de circuit parallèle à chaque supercondensateur.The invention therefore essentially consists in carrying out the voltage balancing function by means of a resistor placed in series with one or more diodes in the forward direction in a circuit branch parallel to each supercapacitor.
Lorsque la tension aux bornes du supercondensateur est supérieure au seuil de tension de la(des) diode(s) en sens passant, cette dernière devient passante et un courant peut circuler dans la première branche de circuit. Cela permet de réaliser l’équilibrage de tension pour les tensions supérieures au seuil de la (des) diode(s).When the voltage across the terminals of the supercapacitor is greater than the voltage threshold of the diode(s) in the forward direction, the latter becomes conductive and a current can flow in the first circuit branch. This allows voltage balancing to be achieved for voltages above the threshold of the diode(s).
Les diodes dans le sens passant, ou sens direct, ne sont pas une solution connue pour réaliser des écrêteurs car la tension à leur borne dépend directement du courant. Le modèle idéal de la diode est donné par l’équation de Shockley :Diodes in the conducting direction, or forward direction, are not a known solution for making clippers because the voltage at their terminal depends directly on the current. The ideal model of the diode is given by the Shockley equation:
U est la tension aux bornes de la diode, k est la constante de Boltzmann, q est la charge de l’électron, T est la température, Utest la tension thermique égale à kT/q, Isest le courant de saturation de la diode.U is the voltage across the diode, k is the Boltzmann constant, q is the charge of the electron, T is the temperature, U t is the thermal voltage equal to kT/q, I s is the saturation current of the diode.
On voit ainsi qu’une diode en sens direct a une tension qui croît selon le logarithme du courant et n’est donc pas indépendante du courant.We thus see that a diode in the forward direction has a voltage which increases according to the logarithm of the current and is therefore not independent of the current.
Bien qu’une diode dans le sens direct ne soit pas un écrêteur de tension performant du fait de la dépendance de la tension au courant, son utilisation dans l’application est possible grâce à la résistance mise en série dont la valeur est très supérieure à la résistance apparente de la diode pour le courant d’écrêtage.Although a diode in the forward direction is not a powerful voltage limiter due to the dependence of the voltage on the current, its use in the application is possible thanks to the resistor put in series whose value is much higher than the apparent resistance of the diode for the clipping current.
La précision de la tension seuil de l’écrêtage est alors améliorée par rapport à la solution selon l’état de l’art mettant en œuvre une diode Zener, et la puissance perdue est fortement diminuée par rapport à la solution de l’état de l’art consistant à mettre une résistance en parallèle à chaque supercondensateur.The precision of the clipping threshold voltage is then improved compared to the solution according to the state of the art implementing a Zener diode, and the power lost is greatly reduced compared to the solution of the state of the art of putting a resistor in parallel with each supercapacitor.
L’invention permet donc d’assurer de bonnes performances en équilibrage de tension tout en minimisant la puissance perdue.The invention therefore makes it possible to ensure good performance in voltage balancing while minimizing the power lost.
Selon un mode de réalisation avantageux, la première branche du circuit comporte trois diodes dans le sens passant.According to an advantageous embodiment, the first branch of the circuit comprises three diodes in the forward direction.
De préférence, l’au moins une diode est choisie de sorte qu’un mode de défaillance de la diode est le court-circuit.Preferably, the at least one diode is chosen such that a failure mode of the diode is short circuit.
Autrement dit, on préfère utiliser une technologie de diodes qui minimise le risque de défaillance en circuit ouvert. En effet, un mode de défaillance de type court-circuit n’est pas critique pour le fonctionnement du dispositif. Cela entraîne une baisse de la tension aux bornes du supercondensateur, qui stockera alors moins d’énergie, impactant la quantité d’énergie pouvant être délivrée par un dispositif de stockage d’énergie comportant le dispositif d’équilibrage de tension. Le dispositif de stockage d’énergie sera toutefois fonctionnel. Au contraire, en cas de mode de défaillance d’une diode en circuit ouvert, la tension va augmenter fortement aux bornes du supercondensateur car le courant ne peut plus circuler dans la première branche. Ce courant va surcharger le supercondensateur et provoquer l’électrolyse de l’électrolyte, causant une dégradation rapide du supercondensateur. La défaillance du supercondensateur va provoquer la défaillance globale de la mise en série de supercondensateurs, qui ne pourra plus assurer une fonction de secours.In other words, it is preferred to use diode technology which minimizes the risk of open circuit failure. Indeed, a short-circuit type failure mode is not critical for the operation of the device. This causes the voltage across the supercapacitor to drop, which will then store less energy, impacting the amount of energy that can be delivered by an energy storage device including the voltage balancing device. The energy storage device will however be functional. On the contrary, in the event of failure mode of an open circuit diode, the voltage will increase sharply at the terminals of the supercapacitor because the current can no longer flow in the first branch. This current will overload the supercapacitor and cause electrolysis of the electrolyte, causing rapid degradation of the supercapacitor. The failure of the supercapacitor will cause the global failure of the series connection of supercapacitors, which will no longer be able to provide a backup function.
Avantageusement, l’au moins une diode est une diode à jonction, de préférence une diode silicium à jonction.Advantageously, the at least one diode is a junction diode, preferably a silicon junction diode.
Dans un mode de réalisation particulier, l’au moins une diode est mise en parallèle avec au moins une autre diode.In a particular embodiment, the at least one diode is placed in parallel with at least one other diode.
Ainsi, en cas de défaillance de type circuit ouvert de l’une des diodes, un courant pourra toujours circuler dans la première branche de circuit par une diode mise en parallèle avec la diode défaillante.Thus, in the event of an open circuit type failure of one of the diodes, a current can always flow in the first circuit branch via a diode placed in parallel with the faulty diode.
Selon une caractéristique avantageuse, la première résistance a une valeur comprise entre le cinquième et le cinquantième, de préférence entre le dixième et le vingtième, d’une tension de service du supercondensateur divisée par un courant de fuite maximum prédéterminé du supercondensateur.According to an advantageous characteristic, the first resistance has a value comprised between the fifth and the fiftieth, preferably between the tenth and the twentieth, of an operating voltage of the supercapacitor divided by a predetermined maximum leakage current of the supercapacitor.
Selon un mode de réalisation préféré, chaque étage comporte en outre, en parallèle du supercondensateur et de la première branche de circuit, une deuxième branche de circuit comportant une deuxième résistance.According to a preferred embodiment, each stage further comprises, in parallel with the supercapacitor and the first circuit branch, a second circuit branch comprising a second resistor.
La deuxième résistance permet avantageusement de réaliser un équilibrage en tension pour des courants de fuite faibles, lorsque la tension aux bornes du supercondensateur est inférieure à la tension de seuil de la mise en série de diodes en sens passant.The second resistor advantageously makes it possible to achieve voltage balancing for low leakage currents, when the voltage at the terminals of the supercapacitor is lower than the threshold voltage of the series connection of diodes in the forward direction.
De préférence, la deuxième résistance a une valeur comprise entre 5 et 20 fois la valeur de la première résistance.Preferably, the second resistor has a value between 5 and 20 times the value of the first resistor.
L’invention concerne également sur un dispositif de stockage d’énergie électrique de secours comportant un dispositif d’équilibrage de tension selon l’invention.The invention also relates to an emergency electrical energy storage device comprising a voltage balancing device according to the invention.
D’autre avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will emerge better on reading the detailed description, given by way of illustration and not limitation, with reference to the following figures.
Claims (9)
- un supercondensateur (12) ;
- une première branche de circuit (20) mise en parallèle du supercondensateur, la première branche de circuit (20) comportant une première résistance (21) mise en série avec au moins une diode (22) dans le sens passant.
- a supercapacitor (12);
- a first circuit branch (20) placed in parallel with the supercapacitor, the first circuit branch (20) comprising a first resistor (21) placed in series with at least one diode (22) in the forward direction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2112576A FR3129789A1 (en) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | Series-connected supercapacitor voltage balancing device |
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|---|---|---|---|
| FR2112576A FR3129789A1 (en) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | Series-connected supercapacitor voltage balancing device |
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR3129789A1 true FR3129789A1 (en) | 2023-06-02 |
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ID=80447383
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| FR2112576A Pending FR3129789A1 (en) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | Series-connected supercapacitor voltage balancing device |
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| FR (1) | FR3129789A1 (en) |
Citations (5)
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2021
- 2021-11-26 FR FR2112576A patent/FR3129789A1/en active Pending
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