WO2012101375A2 - Dispositif et procede d'equilibrage de l'etat de charge d'une source d'energie a stockage electrochimique composee de plusieurs cellules de stockage d'energie - Google Patents

Dispositif et procede d'equilibrage de l'etat de charge d'une source d'energie a stockage electrochimique composee de plusieurs cellules de stockage d'energie Download PDF

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WO2012101375A2
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cells
storage
capacity
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Nicolas SALVAT
Guillaume Cherouvrier
Agnieszka NOURY
Frederic PAILHOUX
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Peugeot Citroen Automobiles Sa
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22—Balancing the charge of battery modules
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a device, a method for balancing the state of charge of an electrochemical storage energy source composed of a plurality of electrochemical storage cells comprising a plurality of energy storage cells. energy storage cells and a motor vehicle incorporating such a device.
  • This invention relates to all electrochemical storage energy sources composed of several cells connected in series. It applies, in particular to the balancing cells of a battery or super-capacitors of a vehicle, including hybrid or electric type of automobile.
  • An accumulator battery is a set of electrical accumulators connected to each other so as to create a DC generator of the desired capacity and voltage. These accumulators are also called battery cells or cells.
  • the repeated charging and discharging of the battery can cause variations in the respective voltages between each element of the battery, depending on the state of charge of each cell.
  • some of the unit cells may end up in a state of charge or excessive discharge.
  • the imbalance between the voltage levels of the cells causes the premature aging of the cells, the degradation of the energy performance of the module and a risk of opening the cells if the voltage is high.
  • passive balancing systems consisting of dissipation resistors or Zener diodes.
  • the energy is dissipated in resistors mounted in parallel cells of the battery.
  • Document US2004056639 presents a device and a method for controlling the charge level of battery cells in series, connected with a matrix of switches making it possible to discharge the overcapacity of the most charged cell to a single capacity which then reinjects this capacity towards the least loaded cell.
  • the present invention aims to remedy these disadvantages.
  • the present invention provides a device for balancing the state of charge of an electrochemical storage energy source composed of several energy storage cells comprising:
  • each of said balancing means being mounted by connection means in parallel with a storage cell
  • the device according to the invention uses balancing means mounted in parallel on each cell of a battery assembly, able to receive the excess energies of the storage cells. These "balancing means" are also mounted to, in a second step, return the energy they have temporarily stored in the storage cells of the battery that store the least energy.
  • the device according to the invention thus has a two-step operation.
  • the device according to the invention solves the problem of voltage variations of the cells of a battery while recycling the energy causing the imbalance in energy balancing means.
  • a major advantage of the balancing device according to the invention is to recover this energy that would be lost with a passive balancing system, without using a complex matrix to switch the energy from one cell to another, which allows a simplified implementation.
  • the device according to the invention therefore advantageously provides an evolutionary balancing system. As a result, it saves time when developing a battery on several motor vehicles.
  • the device for balancing the state of charge of an electrochemical storage energy source which is the subject of the invention comprises a converter.
  • the advantage of using a converter is that it makes it possible to adapt the voltage level of the energy storage units.
  • the balancing means are energy storage units having a capacity that is smaller than the capacity of the storage cells. According to particular characteristics, the energy storage units have a capacity less than or equal to 10% of the capacity of the storage cells.
  • the balancing means comprise chokes.
  • This embodiment with chokes as balancing means is particularly advantageous because it does not require the use of a converter.
  • the chokes have a capacity less than or equal to 1% of the capacity of the storage cells.
  • connection means comprise diodes.
  • the device that is the subject of the invention is controlled by the battery control device.
  • the battery control device also named "BMS"
  • the present invention provides a method for balancing the state of charge of an electrochemical storage energy source composed of several cells, comprising at least one cycle comprising:
  • the present invention is directed to a motor vehicle comprising a device for balancing the state of charge of an electrochemical storage energy source that is the subject of the invention.
  • FIG. 1 represents, schematically, an electrical circuit embodying the method that is the subject of the present invention, in a particular embodiment of the device that is the subject of the present invention,
  • FIG. 2 represents, in the form of a logic diagram, the steps implemented in a particular embodiment of the method that is the subject of the present invention
  • FIG. 3 represents, schematically, the distribution of the energy in the cells of the battery pack before balancing
  • FIG. 4 schematically represents a part of the electronic circuit in the discharge phase of the cells having excess energy
  • FIG. 5 represents, schematically, the energy distribution in the cells being balanced and in the storage cells
  • FIG. 6 represents, schematically, the electrical circuit implementing the method that is the subject of the present invention, in the step of redistributing energy in the cells,
  • FIG. 7 represents, schematically, the balanced cells
  • FIG. 8 represents, schematically, an electrical circuit implementing the method that is the subject of the present invention, in another embodiment of the device that is the subject of the present invention, comprising inductors,
  • FIG. 9 schematically represents an electrical circuit embodying the method that is the subject of the present invention, in one embodiment with chokes on two cells
  • FIGS. 10a to 10f show the operation of the method which is the subject of the invention in an embodiment with chokes on two cells of the device which is the subject of the invention:
  • FIG. 10a shows the level of current in the inductor during time ;
  • figs. 10b to d show the state of opening or closing of the various switches of the electronic circuit;
  • fig. 10e shows the energy level in one of the cells of the circuit and
  • FIG. 10f shows the energy level in the second cell of the circuit, and
  • FIG. 1 1 shows schematically an electrical circuit implementing the method object of the present invention, in one embodiment with inductors and diodes on two cells.
  • the present invention relates to all electrochemical storage sources composed of several cells 100 connected in series such as batteries and supercapacitors.
  • battery thus covers all these sources of electrical energy intended to supply electrical energy to an electric machine, in particular to set a motor vehicle in motion.
  • a unit 10 of energy storage is connected in parallel with each cell 100.
  • These energy storage units 1 10 may be, for example, a lithium battery, a capacitor, a super-capacitor, a choke, or an inertial wheel. We can therefore use a wide range of storage types such as balancing means. They function as "buffers" of excess energies in cells 100.
  • a self also called “coil”, “solenoid”, or “self-inductance” is a common component in electrical engineering and electronics.
  • a choke is constituted by a winding or winding of a conductive wire possibly around a core of ferromagnetic material.
  • the storage units 1 10 may, depending on their type, require or not to adapt the voltage and the operating phases of the device. In addition, depending on the nature of the balancing means it may be necessary during the serialization thereof to disconnect some. For example, if one uses small lithium cells, one can refrain from unloading them completely.
  • the capacity of these storage units is small compared to that of cells 100 of the battery pack, and may vary depending on their nature.
  • each energy storage unit may have a capacity less than or equal to 10% of the storage capacity. a cell 100.
  • the storage units 1 10 are chokes, bulky but able to operate at high frequencies, it is possible to work with smaller capacities, depending on the size, with a ratio of less than or equal to 1% of the capacity of the cells 100. drums. The size of these capacitors will therefore also impose the switching frequency of the switches controlling the device.
  • Each storage unit 1 10 is connected in parallel with a storage cell 100 by means of contactors 105.
  • a second set of contactors 106 connects the storage units 1 10 in series, thus allowing their energy to be reinjected into the cells 100 of energy storage.
  • These contactors 105 and 106 may be, for example, transistors
  • the method of balancing the state of charge of a motor vehicle battery composed of several cells comprises at least one cycle comprising:
  • the process according to the invention has a two-stage operation.
  • a first step 205 the cells 301, 303, 304 and 305 whose charge level is higher than that of the most unloaded cell 302, are discharged in their energy storage unit 31 1, 313, 314 and 315. respective, thanks to the parallel assembly of these units 31 1 to 315 of energy storage with respect to the cells 301 to 305.
  • FIG. 4 diagrammatically illustrates a part of the electronic circuit of FIG. 1, in this step 205 of discharging the excess energy of a cell 100 into its respective storage unit 1 via the connectors 105.
  • This operation makes it possible to balance the voltages of the cells 301 to 305 of the battery pack. However, energy remains in their energy storage units 31 to 315 connected in parallel, as shown in FIG. 5.
  • a second step 255 the energy stored in the energy storage units 31 1 to 315 is reinjected into the cells 301 to 305 of the battery by means of series mounting of these storage units 31 1 to 315. This step is illustrated by the figure 6.
  • This energy converter 1 1 5 is of DC-DC type, that is to say direct current-direct current.
  • the method and active balancing device objects of the invention advantageously save energy that would, with passive balancing, been dissipated in heat which is essential when we know that the energy on board in the batteries is very limited.
  • FIGS. 8 to 10 Another embodiment of the device according to the invention which uses inductors 81 1 as balancing means is illustrated in FIGS. 8 to 10.
  • Energy storage is done by passing a current ( 2 ).
  • the self 81 1 does not allow current discontinuity, it maintains the current regardless of the voltage at its terminals (dt y
  • FIG. 9 schematizes an example of an electronic circuit incorporating a device that is the subject of the invention in an implementation using chokes 91 1 and 91 2 on a battery pack composed of two cells 91 0 and 920.
  • the selfs 91 1 and 91 2 are current sources, they must be connected in parallel during the charging phase of the battery. During the recharging phase of the cells storing the least energy, all the chokes are in parallel with each other and not with the cells.
  • the polarity inversion is performed on the one hand by means of the wiring and on the other hand by means of switches 901, 902 and 903.
  • two switches 901 make it possible to discharge the cell 910.
  • two other switches 903 make it possible to discharge the cell 920, whereas the third switch 903 located at the top 900 of the circuit is not used in this case. example.
  • two switches 902 allow the redistribution of the energy stored temporarily in the balancing means 91 1 and 912 in the cells 910, 920.
  • the opening and closing of the various switches 901, 902, 903 are controlled by a clock periodically.
  • the switching times are determined by the dimensioning of the different components.
  • the wire 931 exiting the chokes is always traversed by a current flowing from the top 900 of the circuit downwards.
  • This current comes from the other side of the inductors 91 1, 912 of the positive terminals of the cells 910, 920 during the charging phase of the inductors 91 1, 912.
  • This wire 931 loops up 900 of the battery, on its terminal positive during the second phase, that is to say when the switches 902 are closed. There is thus a polarity inversion on the cells 910, 920, the currents leaving during the first phase and entering during the second phase by the positive terminals.
  • Figure 10 illustrates the mode of operation of the device object of the invention in this embodiment.
  • Figure 10a is a graph of the current level in the self 91 1 as a function of time.
  • Figures 10b, 10c and 10d show the state of opening 0 and closing 1 respectively switches 901, 902 and 903 over time.
  • switches 903 are always open. Switches 901 are open when switches 902 are closed and vice versa over time.
  • the graph of Fig. 10e shows the state of charge of cell 910 over time and the graph of Fig. 10f shows the state of charge of cell 920 over time.
  • the energy level in the cell 910 reaches the overload level 16 while the energy level in the cell 920 is at a sub-load level 18.
  • the current level in the chokes 91 1 and 912 is zero.
  • the switches 901 are in the closed state while the switches 902 and 903 are in the open state.
  • Balancing is usually triggered by the Battery Control System (BMS), which measures voltages and detects imbalances.
  • BMS Battery Control System
  • the BMS triggers the balancing process when the imbalances are considered too important and when the battery is in an operating phase allowing balancing. Indeed, one can refuse to balance in case of too strong solicitation of the battery.
  • the BMS triggers the balancing device object of the invention for a given time in case of intermittent monitoring or up to a voltage threshold that will reach all cells in case of continuous monitoring.
  • the triggering of the balancing process closes the switches 902.
  • the absence of balancing is therefore characterized by the opening of all the switches.
  • the BMS can manage the chokes 91 1, 912 to be loaded and therefore designate the switches 901, 902, 903 to be closed during the first step 205.
  • the BMS can alternatively delegate this task to another specific circuit, in this case. its role is only to trigger and stop the balancing process.
  • the cell 910 discharges a portion of the energy that it has stored in excess in the self 91 1 which stores it gradually.
  • 915 diodes help prevent power returns
  • a step 255 the closing of the switches 901 and the opening of the switches 902 in the circuit causes the reinjection of the current accumulated in the self 91, 912 in the cells 910 and 920.
  • FIG. 1 In another embodiment of the invention illustrated by FIG. 1
  • the switches 902 can be conveniently replaced by diodes 1 1 1 1, 1 1 12, whose anode is upward 900 for the diode 1 1 1 1 from the left, downwards for the diode 1 1 12 right.
  • the diode 1 1 12 is complementary because the current goes up in the branch on the right while it goes down in the branch of left.
  • the opening of the switches 901 will cause in the presence of current in the coils the conduction of these two diodes 1 1 1 1, 1 1 12.
  • the device and the method according to the invention thus make it possible to solve the problem of voltage variations of the cells 100 of a battery while recycling the energy causing the imbalance in energy balancing means 1 10.

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Abstract

La présente invention vise un dispositif d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules (100) de stockage d'énergie comprenant : a. des moyens (1 10) d'équilibrage des variations d'énergies desdites cellules (100) de stockage permettant un stockage provisoire de l'énergie, chacun desdits moyens (1 10) d'équilibrage ayant son équivalent en cellule (100) étant monté par des moyens (105) de connexion en parallèle d'une cellule (100) de stockage, et b. des moyens (106) de connexion conjointe d'au moins deux des moyens d'équilibrage (1 10) en série permettant de restituer de l'énergie desdits moyens d'équilibrage (1 10) à des cellules (100) de stockage d'énergie stockant le moins d'énergie. La présente invention vise également un procédé d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules (100).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE D'EQUILIBRAGE DE L'ETAT DE CHARGE
D'UNE SOURCE D'ENERGIE A STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE COMPOSEE DE PLUSIEURS CELLULES DE STOCKAGE D'ENERGIE La présente invention concerne un dispositif, un procédé d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules de stockage d'énergie et un véhicule automobile incorporant un tel dispositif.
Cette invention concerne toutes les sources d'énergie à stockage électrochimiques composées de plusieurs cellules connectées en série. Elle s'applique, en particulier à l'équilibrage de cellules d'une batterie d'accumulateurs ou de super-condensateurs d'un véhicule, notamment automobile de type hybride ou électrique.
Une batterie d'accumulateurs, généralement appelée une batterie, est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur de courant continu de la capacité et de la tension désirée. Ces accumulateurs sont également appelés éléments de la batterie ou cellules.
C'est dans ces cellules qu'ont lieu les réactions électrochimiques réversibles qui permettent de produire du courant (batterie en décharge) ou de stocker l'énergie (batterie en charge).
Cependant, les charges et décharges répétées de la batterie peuvent causer des variations des tensions respectives entre chaque élément de la batterie, en fonction de l'état de charge de chaque cellule. Dans le cas ou les charges et décharges de la batterie continuent à être répétées tandis que le problème des variations des tensions n'est pas résolu, certaines des cellules unitaires peuvent se retrouver dans un état de charge ou de décharge excessive.
Le déséquilibre entre les niveaux de tension des cellules entraine le vieillissement prématuré des cellules, la dégradation des performances énergétiques du module et un risque d'ouverture des cellules si la tension est élevée.
Pour palier à ces problèmes, un système d'équilibrage des tensions est nécessaire afin de pouvoir exploiter pleinement les capacités de stockage des éléments de la batterie. De plus ce système permet d'éviter les surtensions aux bornes des éléments.
Deux types de circuit d'équilibrage sont connus.
D'une part, des systèmes d'équilibrage passifs, constitués de résistances de dissipation ou de diodes Zéner. Dans ce type de système, l'énergie est dissipée dans des résistances montées en parallèles des cellules de la batterie.
Cette solution de l'équilibrage passif des cellules de batterie est généralement utilisée. Cependant, un inconvénient majeur de ces systèmes d'équilibrages passifs est qu'ils causent des pertes d'énergie. De plus, ils génèrent un échauffement ce qui entraîne un besoin de refroidissement du circuit et limite la vitesse de l'équilibrage des tensions.
D'autre part, il existe des systèmes d'équilibrage actifs de la charge de cellules de batteries réinjectant les surcapacités. Ces systèmes sont réalisés avec des convertisseurs statiques dans un circuit électronique de puissance. Dans ce système l'énergie est transférée par aiguillage.
Le document US2004056639 présente un dispositif et un procédé pour contrôler le niveau de charge de cellules de batterie en série, reliées avec une matrice d'interrupteurs permettant de décharger la surcapacité de la cellule la plus chargée vers une unique capacité qui ensuite réinjecte cette capacité vers la cellule la moins chargée.
Cependant l'inconvénient de ce dispositif, comme celui des solutions d'équilibrage actif connues en général, est sa difficulté de mise en œuvre. En effet, les équilibrages actifs par transfert d'énergie par aiguillage nécessitent des architectures complexes, difficiles à mettre en œuvre, qui limitent les capacités d'évolutions du système.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules de stockage d'énergie comprenant :
a. des moyens d'équilibrage des variations d'énergies desdites cellules de stockage permettant un stockage provisoire de l'énergie, chacun desdits moyens d'équilibrage étant monté par des moyens de connexion en parallèle d'une cellule de stockage, et
b. des moyens de connexion conjointe d'au moins deux des moyens d'équilibrage à des cellules de stockage d'énergie stockant le moins d'énergie.
En d'autres termes, le dispositif selon l'invention utilise des moyens d'équilibrage montés en parallèle sur chaque cellule d'un ensemble de batterie, aptes à recevoir les énergies excédentaires des cellules de stockage. Ces "moyens d'équilibrage" sont également montés pour, dans un deuxième temps, renvoyer l'énergie qu'ils ont provisoirement emmagasinée dans les cellules de stockage de la batterie qui stockent le moins d'énergie. Le dispositif selon l'invention a ainsi un fonctionnement en deux temps.
Grâce à ces dispositions, le dispositif selon l'invention permet de résoudre le problème des variations de tension des cellules d'une batterie tout en recyclant l'énergie causant le déséquilibre dans des moyens d'équilibrage d'énergie.
Ainsi, un avantage majeur du dispositif d'équilibrage selon l'invention est de permettre de récupérer cette énergie qui serait perdue avec un système d'équilibrage passif, sans utiliser de matrice complexe pour aiguiller l'énergie d'une cellule à une autre, ce qui permet une mise en œuvre simplifiée.
Cette simplicité d'architecture permet d'ajouter librement des cellules. Le dispositif selon l'invention fournit donc de manière avantageuse un système d'équilibrage évolutif. De ce fait, il permet de gagner du temps lors du développement d'une batterie sur plusieurs véhicules automobiles.
Selon des caractéristiques particulières, le dispositif d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique objet de l'invention comprend un convertisseur.
L'avantage de l'utilisation d'un convertisseur est qu'il permet d'adapter le niveau de tension des unités de stockage d'énergie.
Selon un mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, les moyens d'équilibrage sont des unités de stockage d'énergie ayant une capacité plus faible que la capacité des cellules de stockage. Selon des caractéristiques particulières, les unités de stockage d'énergie ont une capacité inférieure ou égale à 10% de la capacité des cellules de stockage.
Selon un autre mode de réalisation du dispositif objet de l'invention, les moyens d'équilibrage comportent des selfs.
Ce mode de réalisation avec des selfs comme moyens d'équilibrage est particulièrement avantageux car il ne nécessite pas l'utilisation d'un convertisseur.
Selon des caractéristiques particulières, les selfs ont une capacité inférieure ou égale à 1 % de la capacité des cellules de stockage.
Selon des caractéristiques particulières, les moyens de connexion comportent des diodes.
Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de l'invention est commandé par le dispositif de contrôle de la batterie.
Le dispositif de contrôle de la batterie, également nommé « BMS »
(Battery Management System), déclenche le processus d'équilibrage lorsque les déséquilibres sont considérés comme étant trop importants et lorsque la batterie est dans une phase de fonctionnement permettant l'équilibrage.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules, comportant au moins un cycle comprenant :
- une étape de décharge des cellules ayant une énergie excédentaire par rapport à la cellule ayant le plus faible niveau d'énergie, dans les moyens d'équilibrage montés en parallèles des cellules, et
- une étape de distribution de l'énergie par les moyens d'équilibrage dans les cellules en cours d'équilibrage, au moins deux desdits moyens d'équilibrage étant montés par des moyens de connexion conjointe à des cellules de stockage d'énergie stockant le moins d'énergie lors de l'étape de distribution d'énergie.
Selon un troisième aspect, la présente invention vise un véhicule automobile comprenant un dispositif d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique objet de l'invention. Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé et de ce véhicule étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
D'autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures dans lesquelles:
- la Figure 1 représente, schématiquement, un circuit électrique mettant en œuvre le procédé objet de la présente invention, dans un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
- la Figure 2 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes mises en œuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention,
- la Figure 3 représente, schématiquement la distribution de l'énergie dans les cellules du pack de batterie avant l'équilibrage,
- la Figure 4 représente, schématiquement une partie du circuit électronique dans la phase de décharge des cellules ayant une énergie excédentaire,
- la Figure 5 représente, schématiquement la distribution d'énergie dans les cellules en cours d'équilibrage et dans les cellules de stockage,
- la Figure 6 représente, schématiquement le circuit électrique mettant en œuvre le procédé objet de la présente invention, dans l'étape de redistribution d'énergie dans les cellules,
- la Figure 7 représente, schématiquement les cellules équilibrées,
- la Figure 8 représente, schématiquement, un circuit électrique mettant en œuvre le procédé objet de la présente invention, dans un autre mode de réalisation du dispositif objet de la présente invention, comportant des selfs,
- la Figure 9 représente, schématiquement un circuit électrique mettant en œuvre le procédé objet de la présente invention, dans un mode de réalisation avec selfs sur deux cellules, - les Figures 10a à 10f représentent, le fonctionnement du procédé objet de l'invention dans un mode de réalisation avec selfs sur deux cellules du dispositif objet de l'invention : la fig.10 a montre le niveau de courant dans la self au cours du temps ; les fig. 10b à d montrent l'état d'ouverture ou de fermeture des différents interrupteurs du circuit électronique ; la fig. 10e montre le niveau d'énergie dans une des cellules du circuit et la fig. 10f montre le niveau d'énergie dans la deuxième cellule du circuit, et
- La figure 1 1 représente, schématiquement un circuit électrique mettant en œuvre le procédé objet de la présente invention, dans un mode de réalisation avec selfs et diodes sur deux cellules.
On note que les figures ne sont pas à l'échelle.
D'une manière générale, la présente invention concerne toutes les sources de stockage électrochimiques composées de plusieurs cellules 100 connectées en série telles que les batteries et les super-condensateurs.
On note que dans la suite de la description, le terme de « batterie » recouvre donc toutes ces sources d'énergie électrique destinées à fournir de l'énergie électrique à une machine électrique, notamment pour mettre en mouvement un véhicule automobile.
Dans la suite de la description, on considère principalement, à titre d'exemple non limitatif, un véhicule automobile équipé d'une batterie constituée de cellules 100 mises en série.
Dans le mode de réalisation représenté, on illustre une connexion conjointe en série des moyens d'équilibrage lors de la recharge des cellules stockant le moins d'énergie. Cependant, comme indiqué en ce qui concerne les selfs en regard de la figure 9, la connexion conjointe peut être réalisée en parallèle lors de cette recharge.
Dans ce mode de réalisation de l'invention illustré par le circuit électronique de la figure 1 , une unité 1 10 de stockage d'énergie est montée en parallèle de chaque cellule 100.
Ces unités 1 10 de stockage d'énergie peuvent être, par exemple, une pile lithium, une capacité, une super-capacité, une self, ou encore une roue inertielle. On peut donc utiliser un large éventail de types de stockeurs comme moyen d'équilibrage. Ils fonctionnent comme des "tampons" des énergies en excès dans les cellules 100.
On rappelle ici qu'une self, aussi appelée « bobine », « solénoïde », ou « auto-inductance » est un composant courant en électrotechnique et électronique. Une self est constituée d'un bobinage ou enroulement d'un fil conducteur éventuellement autour d'un noyau en matériau ferromagnétique.
Les unités 1 10 de stockage peuvent, en fonction de leur type, nécessiter ou non d'adapter la tension et les phases de fonctionnement du dispositif. De plus, selon la nature des moyens d'équilibrage il peut être nécessaire au cours de la mise en série de ceux-ci d'en déconnecter certains. Par exemple, si on utilise de petites cellules au lithium, on peut s'interdire de les décharger totalement.
La capacité de ces unités de stockage est faible devant celle des cellules 100 de l'ensemble de batterie, et elle peut varier en fonction de leur nature.
Pour les dispositifs les plus énergétiques et les plus lents, notamment lorsque les unités 1 10 de stockage sont d'autres cellules électrochimique plus petites, chaque unité de stockage d'énergie peut avoir une capacité inférieure ou égale à 10% de la capacité d'une cellule 100.
Lorsque les unités 1 10 de stockages sont des selfs, encombrantes mais pouvant fonctionner à hautes fréquences, on peut travailler avec des capacités plus petites, en fonction de l'encombrement, avec un ratio inférieur ou égal à 1 % de la capacité des cellules 100 de la batterie. La taille de ces capacités imposera donc également la fréquence de commutation des interrupteurs commandant le dispositif.
Chaque unité 1 10 de stockage est montée en parallèle d'une cellule 100 de stockage grâce à des contacteurs 105.
Un second jeu de contacteurs 106 relie les unités 1 10 de stockage en série, permettant ainsi de réinjecter leur énergie dans les cellules 100 de stockage d'énergie.
Ces contacteurs 105 et 106 peuvent être par exemple des transistors
MOS. Comme illustré en figure 2, le procédé d'équilibrage de l'état de charge d'une batterie de véhicule automobile composée de plusieurs cellules, comporte au moins un cycle comprenant :
- une étape 205 de décharge des cellules 100 ayant une énergie excédentaire par rapport à la cellule 100 ayant le plus faible niveau d'énergie, dans les moyens 1 10 d'équilibrage, et
- une étape 255 de distribution de l'énergie par les moyens 1 10 d'équilibrage dans les cellules 100 en cours d'équilibrage.
Dans la suite de la description, on considère un pack batterie de cinq cellules 301 à 305 en série dont deux cellules 302 et 303 présentent un déséquilibre énergétique comme le montre de manière schématique la figure 3.
Le procédé selon l'invention a un fonctionnement en deux temps.
Dans une première étape 205, les cellules 301 , 303, 304 et 305 dont le niveau de charge est supérieur à celui de la cellule 302 la plus déchargée, se déchargent dans leur unité 31 1 , 313, 314 et 315 de stockage d'énergie respective, grâce au montage en parallèle de ces unités 31 1 à 315 de stockage d'énergie par rapport aux cellules 301 à 305.
La figure 4 illustre schématiquement une partie du circuit électronique de la figure 1 , dans cette étape 205 de décharge de l'énergie excédentaire d'une cellule 100 dans son unité 1 10 de stockage respective via les connecteurs 105.
Cette opération permet d'équilibrer les tensions des cellules 301 à 305 du pack de batterie. Cependant, il reste de l'énergie dans leurs stockeurs 31 1 à 315 d'énergie montés en parallèle, comme le montre la figure 5.
Dans une deuxième étape 255, l'énergie emmagasinée dans les stockeurs 31 1 à 315 d'énergie est réinjectée dans les cellules 301 à 305 de la batterie grâce au montage en série de ces stockeurs 31 1 à 315. Cette étape est illustrée par la figure 6.
Selon les différents cas de déséquilibre des tensions dans les cellules 301 à 305 au départ, un ou plusieurs cycles constitués de ces étapes 205 et 255 successives sont nécessaires afin que la batterie soit équilibrée (figure 7). Suivant le type de stockeur 1 1 0 utilisé, un convertisseur 1 1 5 d'énergie peut être nécessaire pour adapter le niveau de tension de ces unités 1 1 0 de stockage d'énergie en série
Ce convertisseur 1 1 5 d'énergie est de type DC-DC, c'est-à-dire courant continu-courant continu.
Le procédé et le dispositif d'équilibrage actif objets de l'invention, permettent avantageusement d'économiser de l'énergie qui aurait, avec un équilibrage passif, été dissipée en chaleur ce qui est primordial lorsque l'on sait que l'énergie embarquée dans les batteries est très limitée.
Le développement des véhicules électriques impose d'embarquer un maximum d'énergie, l'autonomie étant leur principale faiblesse. L'utilisation d'un dispositif selon l'invention permet de ne plus dissiper l'énergie liée au déséquilibre des cellules 1 00.
Un autre mode de réalisation du dispositif objet de l'invention qui utilise des selfs 81 1 en tant que moyens d'équilibrage, est illustré par les figures 8 à 1 0.
E = -LI2
Le stockage d'énergie se fait par passage d'un courant ( 2 ). La self 81 1 ne permettant pas de discontinuité de courant, celle-ci maintient le courant quelle que soit la tension à ses bornes ( dt y
II faut donc travailler en hautes fréquences pour ne pas aller au delà de la saturation de la self 81 1 . Le stockage en courant impose d'inverser la polarité lors de la mise en série des selfs car le courant ne peut pas changer de sens.
La figure 9 schématise un exemple de circuit électronique incorporant un dispositif objet de l'invention dans une mise en œuvre utilisant des selfs 91 1 et 91 2 sur un pack de batterie composé de deux cellules 91 0 et 920.
On note que les selfs 91 1 et 91 2 étant des sources de courant, elles doivent être montées en parallèle lors de la phase de recharge de la batterie. Pendant la phase de recharge des cellules stockant le moins d'énergie, toutes les selfs sont en parallèle entre elles et non avec les cellules. L'inversion de polarité est réalisée d'une part au moyen du câblage et d'autre part au moyen d'interrupteurs 901 , 902 et 903.
Tout d'abord, deux interrupteurs 901 , permettent de décharger la cellule 910. Ensuite, deux autres interrupteurs 903 permettent de décharger la cellule 920, tandis que le troisième interrupteur 903, situé en haut 900 du circuit, n'est pas utilisé dans cet exemple. Enfin, deux interrupteurs 902 permettent la redistribution de l'énergie, stockée provisoirement dans les moyens d'équilibrage 91 1 et 912, dans les cellules 910, 920.
L'ouverture et la fermeture des différents interrupteurs 901 , 902, 903 sont commandées par une horloge de manière périodique. Les temps de commutation sont déterminés par le dimensionnement des différents composants.
Sur la figure 9, le fil 931 sortant des selfs est toujours parcouru par un courant circulant du haut 900 du circuit vers le bas. Ce courant provient de l'autre côté des selfs 91 1 , 912 des bornes positives des cellules 910, 920 lors de la phase de charge des selfs 91 1 , 912. Ce fil 931 reboucle vers le haut 900 de la batterie, sur sa borne positive lors de la deuxième phase, c'est-à-dire lorsque les interrupteurs 902 sont fermés. On a donc une inversion de polarité sur les cellules 910, 920, les courants sortant pendant la première phase et entrant pendant la seconde phase par les bornes positives.
Une diode 915 montée en série sur chaque self 91 1 , 912 permet d'empêcher les retours de courant. En effet, le courant doit toujours circuler dans le même sens, comme le montre la figure 6 par exemple où le courant circule de la droite vers la gauche.
On note qu'un convertisseur 1 15 n'est pas nécessaire dans ce mode de réalisation de l'invention car les selfs 910 et 920 sont aptes à adapter elles- mêmes leur niveau de tension comme le montre la figure 10.
La figure 10 illustre le mode de fonctionnement du dispositif objet de l'invention dans ce mode de mise en œuvre.
La figure 10a est un graphique du niveau de courant dans la self 91 1 en fonction du temps. Les figures 10b, 10c et 10d montrent l'état d'ouverture 0 et de fermeture 1 respectivement des interrupteurs 901 , 902 et 903 au cours du temps.
On note que les interrupteurs 903 sont toujours ouverts. Les interrupteurs 901 sont ouverts lorsque les interrupteurs 902 sont fermés et inversement au cours du temps.
Le graphique de la figure 10e représente l'état de charge de la cellule 910 au cours du temps et le graphique de la figure 10f représente l'état de charge de la cellule 920 au cours du temps.
A l'instant de départ, le niveau d'énergie dans la cellule 910 atteint le niveau de surcharge 16 tandis que le niveau d'énergie dans la cellule 920 est à un niveau de sous charge 18. Le niveau de courant dans les selfs 91 1 et 912 est nul. Les interrupteurs 901 sont à l'état fermé tandis que les interrupteurs 902 et 903 sont à l'état ouvert.
Ces paramètres entraînent le déclenchement du procédé d'équilibrage actif des énergies des cellules 910 et 920 objet de l'invention.
L'équilibrage se déclenche généralement via le dispositif de contrôle de la batterie nommé « BMS » (Battery Management System) qui mesure les tensions et détecte les déséquilibres. Ainsi, le BMS déclenche le processus d'équilibrage lorsque les déséquilibres sont considérés comme étant trop importants et lorsque la batterie est dans une phase de fonctionnement permettant l'équilibrage. En effet, on peut se refuser à équilibrer en cas de sollicitation trop forte de la batterie. Le BMS déclenche le dispositif d'équilibrage objet de l'invention pour un temps donné en cas de surveillance intermittente ou jusqu'à un seuil de tension que devront atteindre toutes les cellules en cas de surveillance continue.
Le déclenchement du processus d'équilibrage ferme les interrupteurs 902. L'absence d'équilibrage est donc caractérisée par l'ouverture de tous les interrupteurs.
Le BMS peut gérer les selfs 91 1 , 912 à charger et donc désigner les interrupteurs 901 , 902, 903 à fermer lors de la première étape 205. Le BMS peut alternativement déléguer cette tâche à un autre circuit spécifique, dans ce cas son rôle consiste uniquement à déclencher et arrêter le processus d'équilibrage.
Ainsi, dans une étape 205, la cellule 910 décharge une partie de l'énergie qu'elle a emmagasinée en excès dans la self 91 1 qui la stocke progressivement. Les diodes 915 permettent d'empêcher les retours de courant
Ensuite dans une étape 255, la fermeture des interrupteurs 901 et l'ouverture des interrupteurs 902 dans le circuit entraînent la réinjection du courant accumulé dans la self 91 1 , 912 dans les cellules 910 et 920.
Le niveau d'énergie dans les deux cellules 910 et 920 a été modifié et s'est rapproché du niveau d'équilibre 17. Cependant un déséquilibre entre les niveaux d'énergie de ces deux cellules 910, 920 demeure, bien qu'il soit moindre que le déséquilibre présent au départ.
Par conséquent un nouveau cycle est réalisé par la succession à nouveau des étapes 205 et 255 et ce jusqu'à obtenir l'équilibrage complet des niveaux d'énergie dans les cellules 910 et 920.
En d'autres termes, en pratique, il est répété autant de cycles du procédé d'équilibrage objet de l'invention que nécessaire pour obtenir l'équilibrage complet des niveaux d'énergie dans les cellules 100 de la batterie.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention illustré par la figure
1 1 , Les interrupteurs 902 peuvent être remplacés de manière pratique par des diodes 1 1 1 1 , 1 1 12, dont l'anode est vers le haut 900 pour la diode 1 1 1 1 de gauche, vers le bas pour la diode 1 1 12 de droite. La diode 1 1 12 est complémentaire car le courant remonte dans la branche de droite alors qu'il descend dans la branche de gauche. L'ouverture des interrupteurs 901 provoquera en présence de courant dans les bobines la mise en conduction de ces deux diodes 1 1 1 1 ,1 1 12.
Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent ainsi de résoudre le problème des variations de tension des cellules 100 d'une batterie tout en recyclant l'énergie causant le déséquilibre dans des moyens d'équilibrage 1 10 d'énergie.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules (100, 301 , 302,
303, 304, 305, 910, 920) de stockage d'énergie caractérisé en ce qu'il comprend :
a. des moyens d'équilibrage (1 10, 31 1 , 312, 313, 314, 315, 91 1 , 912) des variations d'énergies desdites cellules (100, 301 , 302, 303, 304, 305, 910, 920) de stockage permettant un stockage provisoire de l'énergie, chacun desdits moyens d'équilibrage (1 10, 31 1 , 312, 313, 314, 315, 91 1 , 912) étant monté par des moyens (105, 106, 901 , 902, 903) de connexion en parallèle d'une cellule (100, 301 , 302, 303, 304, 305, 910, 920) de stockage, et
b. des moyens (105, 106, 901 , 902, 903) de connexion conjointe d'au moins deux des moyens d'équilibrage (1 10, 31 1 , 312, 313, 314, 315, 91 1 , 912) en série permettant de restituer de l'énergie desdits moyens d'équilibrage (1 10, 31 1 , 312, 313, 314, 315, 91 1 , 912) à des cellules (100, 301 , 302, 303, 304, 305, 910, 920) de stockage d'énergie stockant le moins d'énergie.
2. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur (1 15).
3. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que les moyens (1 10, 31 1 , 312, 313, 314, 315) d'équilibrage sont des unités de stockage d'énergie ayant une capacité plus faible que la capacité des cellules (100, 301 , 302, 303, 304, 305) de stockage.
4. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens (1 10, 31 1 , 312, 313, 314, 315) d'équilibrage sont des unités de stockage d'énergie ayant une capacité inférieure ou égale à 10% de la capacité des cellules (100, 301 , 302, 303, 304, 305) de stockage.
5. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les moyens d'équilibrage (91 1 , 912) comportent des selfs.
6. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens d'équilibrage sont des selfs (91 1 , 912) ayant une capacité inférieure ou égale à 1 % de la capacité des cellules (910, 920) de stockage.
7. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les moyens de connexion comportent des diodes (915, 1 1 1 1 , 1 1 12).
8. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est commandé par le dispositif de contrôle de la batterie.
9. Procédé d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules (100, 301 , 302, 303, 304, 305, 910, 920) caractérisé en ce qu'il comporte au moins un cycle comprenant :
- une étape (205) de décharge des cellules (301 , 303, 304, 305) ayant une énergie excédentaire par rapport à la cellule (312) ayant le plus faible niveau d'énergie, dans des moyens (31 1 , 313, 314, 315) d'équilibrage montés en parallèle des cellules, et
- une étape (255) de distribution de l'énergie par les moyens (31 1 , 313, 314, 305) d'équilibrage dans les cellules (31 1 , 312, 313, 314, 315) en cours d'équilibrage, au moins deux desdits moyens (31 1 , 313, 314, 305) d'équilibrage étant montés en série par des moyens (105, 106, 901 , 902, 903) de connexion conjointe, permettant de restituer de l'énergie desdits moyens d'équilibrage à des cellules (301 , 303, 304, 305) de stockage d'énergie stockant le moins d'énergie lors de l'étape de distribution d'énergie.
10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'équilibrage de l'état de charge d'une source d'énergie à stockage électrochimique composée de plusieurs cellules (100, 301 , 302, 303, 304, 305, 910, 920) selon l'une des revendications 1 à 8.
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