CA2540824A1 - Systeme d'equilibrage d'un dispositif de stockage d'energie - Google Patents
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Abstract
Dans un dispositif de stockage d'énergie comprenant un réseau série de n éléments de stockage C1, ... Cn, apte à fournir une tension continue à ses bornes, un système d'équilibrage des éléments est prévu comprenant une pluralité de modules Mi,j de transfert de charge, chaque module M,j assurant un transfert de charge bidirectionnel et linéaire au premier ordre entre deux éléments de stockage Ci et Ci dudit réseau. Chaque élément de stockage d'énergie est connecté à p modules, p<= n-1, chacun des p modules appairant ledit élément avec un autre élément du réseau. On réduit ainsi le temps nécessaire au rééquilibrage.
Description
2 PCT/EP2004/052325 SYSTEME D'EQUILIBRAGE D'UN DISPOSITIF DE STOCKAGE
D'ENERGIE
La présente invention concerne un système d'équilibrage d'un dispositif de stockage d'énergie, notamment à base de cellules de batterie rechargeable, telles des cellules électrochimiques ou des supercapacités.
Ces dispositifs de stockage sont couramment utilisés dans les ~ milieux industriels et aéronautique, cômme source d'énergie de secours, lorsque le réseau d'alimentation est défectueux, ou au démarrage. II est très important de maintenir ces dispositifs en état de charge complète, car ils doivent être opérationnels sur demande. Ceci suppose une surveillance de leur charge avec déclenchement de leur recharge le cas échéant, et une 1o recharge après usage.
Ces dispositifs comprennent habituellement une pluralité
d'éléments de stockage identiques connectés en série, par exemple des cellules électrochimiques ou des supercapacités. Le nombre d'éléments dépend de l'application visée : typiquement 24 volts dans le domaine 15 industriel, 28 volts dans le domaine de l'aéronautique et 42 volts dans le domaine de l'automobile. Si on prend des cellules de type lithium-ion (4 volts pour une cellule chargée) et une application aéronautique, un dispositif de stockage d'énergie comprend ainsi typiquement 7 éléments. Un chargeur, comprenant un convertisseur de puissance alimenté par le réseau principal 2o et dont la sortie est régulée en tension et en courant, permet de charger les cellules qui sont connectées en série.
Les éléments de stockage utilisés sont tels que la tension à leur bornes est fonction de l'état de charge. De manière connue, ces éléments de stockage supportent mal les surcharges et/ou les dëcharges trop 25 importantes. Si on prend l'exemple de cellules de batterie rechargeable de type lithium-ion, ces cellules ont des performances énergiques et massiques très intéressantes, mais posent des problèmes de gestion de leur charge au fur et à mesure de leur exploitation. Ceci est gênant pour des applications dans lesquelles une longue durée et une grande fiabilité sont recherchées.
3o Notamment, ces cellules sont très sensibles aux surtensions, ce qui nécessite un contrôle de la tension aux bornes de chaque cellule. Si on prend l'exemple des supercapacités qui sont des capacités obtenues par des empilements de films minces, et qui se caractérisent par une faible tension (de l'ordre du volt à quelques volts), et une valeur de capacité très élevée, de l'ordre de plusieurs farads, la tension aux bornes de chaque capacité peut se décaler par rapport à celle des autres capacités en raison de différence de valeurs et ou de courants de fuite.
Mis en série, les éléments de stockage ne vont donc pas tous se comporter de la même façon : ils peuvent être dans un état de charge initial différent ; certains peuvent avoir des courants de fuite ; d'autres une capacité
de stockage énergétique différente, soit due à une dispersion initiale 1o naturelle entre éléments soit due à un vieillissement. Toutes ces différences de comportement se traduisent par un temps de recharge et des tensions qui varient. Si on gère la recharge du dispositif de stockage en observant la tension à ses bornes, si une cellule se recharge plus vite que les autres, elle va se retrouver en surcharge (tension supérieure à 4 volts pour une cellule 1s au lithium). Inversement, une cellule beaucoup plus lente à se recharger va se retrouver en sous-charge (tension en dessous de 3,5 volts pour une cellule au lithium). Dans les deux cas, ce sont des conditions très défavorables à la fiabilité de ces cellules, et par voie de conséquence, du dispositif de stockage lui-même. En outre, les différences d'état de charges 2o qui peuvent exister initialement vont s'accentuer au fil des cycles de charge/décharge, induisant un mauvais fonctionnement du dispositif, par dégradation prématurée de ses performances.
Pour ces différentes raisons, une gestion rigoureuse d'un tel dispositif de stockage d'énergie pour en améliorer la fiabilité ne peut se baser 2s sur le seul contrôle de la tension disponible aux bornes terminales du dispositif. On utilise ainsi une unité de contrôle de batterie généralement dénommée BMU selon l'acronyme anglais pour "Battery Monitoring Unif', qui agit comme un mécanisme de protection. Cette BMU vérifie que chacun des éléments de stockage ne dépasse pas une tension de seui I critique en so charge et/ou décharge. En outre, elle contrôle l'activation d'un système d'équilibrage des éléments série du dispositif de stockage d'énergie. La fonction d'un tel système d'équilibrage est de maintenir une tension identique sur tous les éléments de stockage. Le principe de base de l'équilibrage consiste en la surveillance par la BMU de toutes les différences de tension 35 entre les éléments série du dispositif de stockage, pour déclencher le
D'ENERGIE
La présente invention concerne un système d'équilibrage d'un dispositif de stockage d'énergie, notamment à base de cellules de batterie rechargeable, telles des cellules électrochimiques ou des supercapacités.
Ces dispositifs de stockage sont couramment utilisés dans les ~ milieux industriels et aéronautique, cômme source d'énergie de secours, lorsque le réseau d'alimentation est défectueux, ou au démarrage. II est très important de maintenir ces dispositifs en état de charge complète, car ils doivent être opérationnels sur demande. Ceci suppose une surveillance de leur charge avec déclenchement de leur recharge le cas échéant, et une 1o recharge après usage.
Ces dispositifs comprennent habituellement une pluralité
d'éléments de stockage identiques connectés en série, par exemple des cellules électrochimiques ou des supercapacités. Le nombre d'éléments dépend de l'application visée : typiquement 24 volts dans le domaine 15 industriel, 28 volts dans le domaine de l'aéronautique et 42 volts dans le domaine de l'automobile. Si on prend des cellules de type lithium-ion (4 volts pour une cellule chargée) et une application aéronautique, un dispositif de stockage d'énergie comprend ainsi typiquement 7 éléments. Un chargeur, comprenant un convertisseur de puissance alimenté par le réseau principal 2o et dont la sortie est régulée en tension et en courant, permet de charger les cellules qui sont connectées en série.
Les éléments de stockage utilisés sont tels que la tension à leur bornes est fonction de l'état de charge. De manière connue, ces éléments de stockage supportent mal les surcharges et/ou les dëcharges trop 25 importantes. Si on prend l'exemple de cellules de batterie rechargeable de type lithium-ion, ces cellules ont des performances énergiques et massiques très intéressantes, mais posent des problèmes de gestion de leur charge au fur et à mesure de leur exploitation. Ceci est gênant pour des applications dans lesquelles une longue durée et une grande fiabilité sont recherchées.
3o Notamment, ces cellules sont très sensibles aux surtensions, ce qui nécessite un contrôle de la tension aux bornes de chaque cellule. Si on prend l'exemple des supercapacités qui sont des capacités obtenues par des empilements de films minces, et qui se caractérisent par une faible tension (de l'ordre du volt à quelques volts), et une valeur de capacité très élevée, de l'ordre de plusieurs farads, la tension aux bornes de chaque capacité peut se décaler par rapport à celle des autres capacités en raison de différence de valeurs et ou de courants de fuite.
Mis en série, les éléments de stockage ne vont donc pas tous se comporter de la même façon : ils peuvent être dans un état de charge initial différent ; certains peuvent avoir des courants de fuite ; d'autres une capacité
de stockage énergétique différente, soit due à une dispersion initiale 1o naturelle entre éléments soit due à un vieillissement. Toutes ces différences de comportement se traduisent par un temps de recharge et des tensions qui varient. Si on gère la recharge du dispositif de stockage en observant la tension à ses bornes, si une cellule se recharge plus vite que les autres, elle va se retrouver en surcharge (tension supérieure à 4 volts pour une cellule 1s au lithium). Inversement, une cellule beaucoup plus lente à se recharger va se retrouver en sous-charge (tension en dessous de 3,5 volts pour une cellule au lithium). Dans les deux cas, ce sont des conditions très défavorables à la fiabilité de ces cellules, et par voie de conséquence, du dispositif de stockage lui-même. En outre, les différences d'état de charges 2o qui peuvent exister initialement vont s'accentuer au fil des cycles de charge/décharge, induisant un mauvais fonctionnement du dispositif, par dégradation prématurée de ses performances.
Pour ces différentes raisons, une gestion rigoureuse d'un tel dispositif de stockage d'énergie pour en améliorer la fiabilité ne peut se baser 2s sur le seul contrôle de la tension disponible aux bornes terminales du dispositif. On utilise ainsi une unité de contrôle de batterie généralement dénommée BMU selon l'acronyme anglais pour "Battery Monitoring Unif', qui agit comme un mécanisme de protection. Cette BMU vérifie que chacun des éléments de stockage ne dépasse pas une tension de seui I critique en so charge et/ou décharge. En outre, elle contrôle l'activation d'un système d'équilibrage des éléments série du dispositif de stockage d'énergie. La fonction d'un tel système d'équilibrage est de maintenir une tension identique sur tous les éléments de stockage. Le principe de base de l'équilibrage consiste en la surveillance par la BMU de toutes les différences de tension 35 entre les éléments série du dispositif de stockage, pour déclencher le
3 système d'équilibrage dès que au moins une de ces différences de tension dépasse une certaine valeur critique. Par exemple, si on dépasse 60 millivolts entre l'élément de stockage le plus chargé et l'élément de stockage le moins chargé, le système d'équilibrage est déclenché. Le système d'équilibrage sera arrêté lorsque la différence de tension repassera à une valeur acceptable, par exemple 30 millivolts. Le principe de base du rééquilibrage est de prélever une quantité d'énergie sur le ou les éléments les plus chargés pour la dissiper ou la transférer sur les éléments qui sont le moins chargés. En aéronautique, un tel système d'équilibrage gagne à
~o pouvoir équilibrer les charges tant en mode de charge qu'en mode d'attente d'utilisation de la réserve d'énergie, ceci afin d'en augmenter la disponibilité.
Un systéme d'équilibrage de l'état de la technique est représenté
sur la figure 1. Dans cet exemple, le dispositif de stockage d'énergie 1 comporte n=6 éléments de stockage en série, C1 à C6. Le système d'équilibrage des tensions consiste à prévoir r~1 modules de transfert de charge bidirectionnelle identiques, chaque module de transfert de charge M;,;+1 étant affecté à deux éléments de stockage d'énergie C; et C;+1 connectés en série : Dans l'exemple on a ainsi un module M1,2 qui appaire les éléments de stockage Ci et C2 pour effectuer le cas échéant un transfert 2o de charge entre ces deux éléments.
Les modules de transfert de charge sont commandés (com) par le système de gestion de charge BMU, quand ce dernier détecte un trop grand écart de tension entre deux éléments de stockage du réseau série. Quand ils sont activés, chaque module de transfert de charge assure un transfert de charge entre les deux éléments de stockage ainsi appairés, en injectant un courant proportionnel à la différence de tension entre les deux éléments de stockage vers l'élément de stockage présentant la tension à ses bornes la plus faible. Un module de transfert de charge M;_1,; associé à la paire d'éléments de stockage C;_1, C;, peut par exemple être réalisé par un circuit 3o électronique de type tripôle à pompe de charge comme illustré sur la figure 2.
Ce circuit comprend trois bornes AB et G. L'élément de stockage G est connecté entre les bornes A et G, et l'élément de stockage C;_i est connecté
entre les bornes G et B, le point G étant ainsi connecté au noeud de connexion entre les deux éléments adjacents G et G_1. Ce circuit tripôle comprend dans cet exemple de réalisation, un condensateur de charge 2 et
~o pouvoir équilibrer les charges tant en mode de charge qu'en mode d'attente d'utilisation de la réserve d'énergie, ceci afin d'en augmenter la disponibilité.
Un systéme d'équilibrage de l'état de la technique est représenté
sur la figure 1. Dans cet exemple, le dispositif de stockage d'énergie 1 comporte n=6 éléments de stockage en série, C1 à C6. Le système d'équilibrage des tensions consiste à prévoir r~1 modules de transfert de charge bidirectionnelle identiques, chaque module de transfert de charge M;,;+1 étant affecté à deux éléments de stockage d'énergie C; et C;+1 connectés en série : Dans l'exemple on a ainsi un module M1,2 qui appaire les éléments de stockage Ci et C2 pour effectuer le cas échéant un transfert 2o de charge entre ces deux éléments.
Les modules de transfert de charge sont commandés (com) par le système de gestion de charge BMU, quand ce dernier détecte un trop grand écart de tension entre deux éléments de stockage du réseau série. Quand ils sont activés, chaque module de transfert de charge assure un transfert de charge entre les deux éléments de stockage ainsi appairés, en injectant un courant proportionnel à la différence de tension entre les deux éléments de stockage vers l'élément de stockage présentant la tension à ses bornes la plus faible. Un module de transfert de charge M;_1,; associé à la paire d'éléments de stockage C;_1, C;, peut par exemple être réalisé par un circuit 3o électronique de type tripôle à pompe de charge comme illustré sur la figure 2.
Ce circuit comprend trois bornes AB et G. L'élément de stockage G est connecté entre les bornes A et G, et l'élément de stockage C;_i est connecté
entre les bornes G et B, le point G étant ainsi connecté au noeud de connexion entre les deux éléments adjacents G et G_1. Ce circuit tripôle comprend dans cet exemple de réalisation, un condensateur de charge 2 et
4 deux paires d'interrupteurs haut et bas (T1, B1 ) (T2, B2), par lesquels le condensateur est alternativement connecté en parallèle sur un élément de stockage, C;, par les bornes A et G, puis sur l'autre C;+1, par les bornes G
et B. La commutation des interrupteurs suit la fréquence horloge du signal de commande com, fourni par la BMU. L'application d'un signal de commande com de type binaire, à la fréquence f, provoque la commutation alternative des deux paires, la première paire (T1, B1 ) sur le niveau haut ("1 ") du signal com et la deuxième paire (T2, B2) sur le niveau bas ("0"}.
Un inconvénient d'un tel système d'équilibrage est que l'excédent 1o d'énergie sur un élément de stockage est transféré sur l'élément de stockage adjacent, et ainsi de suite selon un mode de transfert chaîné, l'arrangement des modules-de transfert de charge correspondant à la structure série des éléments de stockage.
Sur le plan énergétique, ce n'est pas très bon : si le premier 1~ module assure un rendement énergétique de 90%, on perd 10% de module en module.
En outre les modules de transfert de charge sont généralement dimensionnés pour passer une certaine quantité d'énergie correspondant typiquement à celle due à un seul élément déséquilibré dans le réseau. Si 2o deux éléments sont déséquilibrés dans le réseau, le module est ainsi limité
par sa capacité en courant. Aussi, le ~mps d'équilibrage du réseau série sera t-il deux fois plus long.
Un but de l'invention est de proposer un système d'équilibrage optimal de n ëléments série d'un dispositif de stockage d'énergie, ce système 2s d'équilibrage pouvant être activé tant en mode de charge qu'en mode d'utilisation de la réserve d'énergie.
Ce but est atteint par un système d'équilibrage comprenant h modules de transfert de charges bidirectionnel. Selon l'invention, à chaque élément de stockage est associé p modules, chaque module appairant ledit so élëment de stockage à un autre élément de stockage du dispositif de stockage d'énergie.
II en résulte pour chacun des n éléments de stockage du dispositif de stockage d'énergie, un transfert de charge correspondant à un courant proportionnel à la moyenne de tension sur les p éléments associés.
Les .modules de transfert sont plus nombreux, mais sont aussi plus petits, puisque pour chaque élément de stockage du réseau,9le transfert de charge est distribué par p modules.
L'équilibrage du réseau converge aussi plus rapidement.
et B. La commutation des interrupteurs suit la fréquence horloge du signal de commande com, fourni par la BMU. L'application d'un signal de commande com de type binaire, à la fréquence f, provoque la commutation alternative des deux paires, la première paire (T1, B1 ) sur le niveau haut ("1 ") du signal com et la deuxième paire (T2, B2) sur le niveau bas ("0"}.
Un inconvénient d'un tel système d'équilibrage est que l'excédent 1o d'énergie sur un élément de stockage est transféré sur l'élément de stockage adjacent, et ainsi de suite selon un mode de transfert chaîné, l'arrangement des modules-de transfert de charge correspondant à la structure série des éléments de stockage.
Sur le plan énergétique, ce n'est pas très bon : si le premier 1~ module assure un rendement énergétique de 90%, on perd 10% de module en module.
En outre les modules de transfert de charge sont généralement dimensionnés pour passer une certaine quantité d'énergie correspondant typiquement à celle due à un seul élément déséquilibré dans le réseau. Si 2o deux éléments sont déséquilibrés dans le réseau, le module est ainsi limité
par sa capacité en courant. Aussi, le ~mps d'équilibrage du réseau série sera t-il deux fois plus long.
Un but de l'invention est de proposer un système d'équilibrage optimal de n ëléments série d'un dispositif de stockage d'énergie, ce système 2s d'équilibrage pouvant être activé tant en mode de charge qu'en mode d'utilisation de la réserve d'énergie.
Ce but est atteint par un système d'équilibrage comprenant h modules de transfert de charges bidirectionnel. Selon l'invention, à chaque élément de stockage est associé p modules, chaque module appairant ledit so élëment de stockage à un autre élément de stockage du dispositif de stockage d'énergie.
II en résulte pour chacun des n éléments de stockage du dispositif de stockage d'énergie, un transfert de charge correspondant à un courant proportionnel à la moyenne de tension sur les p éléments associés.
Les .modules de transfert sont plus nombreux, mais sont aussi plus petits, puisque pour chaque élément de stockage du réseau,9le transfert de charge est distribué par p modules.
L'équilibrage du réseau converge aussi plus rapidement.
5 Ainsi l'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie comprenant un réseau série de n éléments de stockage apte à fournir une tension continue à ses bornes, et une pluralité de modules de transfert de charge, chaque module assurant un transfert de charge bidirectionnel entre deux éléments de stockage dudit réseau.
1o Selon l'invention, un système d'équilibrage optimal est obtenu en prévoyant que le transfert de charge sur chacun des n éléments du réseau est distribué sur chacun des rr1 autres éléments du réseau série. Ceci est atteint en associant à chacun des n éléments de stockage, n-1 modules de transfert, chaque module étant associé à un parmi les n-1 autres éléments de stockage.
Un tel système nécessite n(n-1 )/2 modules de transfert de charge.
L'invention concerne ainsi un dispositif de stockage d'énergie comprenant un réseau série de n éléments de stockage apte à fournir une tension continue à ses bornes, et une pluralité de modules de transfert de 2o charge, chaque module assurant un transfert de charge bidirectionnel entre deux éléments de stockage dudit réseau, caractérisé en ce que qu'il comprend n(n-1 )/2 modules identiques, chaque élément de stockage étant appairé à chacun des autres n-1 éléments de stockage du réseau par (n-1 ) modules associés.
2s Selon un autre aspect de l'invention, pour le cas où n=2rn, on prévoit avantageusement que le dispositif comprend n-1 modules de type tripôle, distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel qu'au groupe de rang i correspond 2' modules, chacun associé à n/2' éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang so i ~0 étant dimensionnés pour avoir un gain en courant 2' fois plus important que le gain en courant du module du groupe de rang 0.
Selon un autre aspect de l'invention, pour le cas où n=2m-x, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre I de modules de type tripôle, avec n-1-x<I<_ n-1 modules, distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel 35 qu'au groupe de rang i correspond au plus 2' modules, chacun associé à n/2'
1o Selon l'invention, un système d'équilibrage optimal est obtenu en prévoyant que le transfert de charge sur chacun des n éléments du réseau est distribué sur chacun des rr1 autres éléments du réseau série. Ceci est atteint en associant à chacun des n éléments de stockage, n-1 modules de transfert, chaque module étant associé à un parmi les n-1 autres éléments de stockage.
Un tel système nécessite n(n-1 )/2 modules de transfert de charge.
L'invention concerne ainsi un dispositif de stockage d'énergie comprenant un réseau série de n éléments de stockage apte à fournir une tension continue à ses bornes, et une pluralité de modules de transfert de 2o charge, chaque module assurant un transfert de charge bidirectionnel entre deux éléments de stockage dudit réseau, caractérisé en ce que qu'il comprend n(n-1 )/2 modules identiques, chaque élément de stockage étant appairé à chacun des autres n-1 éléments de stockage du réseau par (n-1 ) modules associés.
2s Selon un autre aspect de l'invention, pour le cas où n=2rn, on prévoit avantageusement que le dispositif comprend n-1 modules de type tripôle, distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel qu'au groupe de rang i correspond 2' modules, chacun associé à n/2' éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang so i ~0 étant dimensionnés pour avoir un gain en courant 2' fois plus important que le gain en courant du module du groupe de rang 0.
Selon un autre aspect de l'invention, pour le cas où n=2m-x, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre I de modules de type tripôle, avec n-1-x<I<_ n-1 modules, distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel 35 qu'au groupe de rang i correspond au plus 2' modules, chacun associé à n/2'
6 éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang i ~0 étant dimensionnés pour avoir un gain en courant 2' fois plus important pue le gain en courant du module du groupe de rang 0.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 illustre un système d'équilibrage selon l'état de la technique;
- la figure 2 illustre un exemple de module de transfert de charge qui peut-être utilisé dans un système d'équilibrage;
- la figure 3 illustre un premier mode de réalisation d'un système 5 d'équilibrage selon l'invention;
- la figure 4 illustre un exemple de module de transfert de charge qui peut-être utilisé dans un système d'équilibrage selon l'invention;
- la figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un système de rééquilibrage selon l'invention;
- les figures 6a, 6b et 6c illustrent le phénomène d'équilibrage obtenu avec un système d'équilibrage tel pue représenté sur la figure 5; et - les figures 7a et 7b illustrent le gain de temps d'équilibrage obtenu avec un système d'équilibrage selon l'invention (fig.7a) par rapport à un système selon l'état de la technique (fig.7b) et - la figure 8 représente une variante de réalisation du système de rééquilibrage de la figure 5.
Un système d'équilibrage selon l'invention comprend h modules de transfert de charge, h >_n-1.
Le principe de base de l'invention est pour chaque élément de 3o stockage du réseau série, de distribuer le transfert de charge sur p éléments, p<_n-1.
Soit C; un élément de stockage. p modules de transfert de charge lui sont associés, chaque module appairant cet élément G avec un autre élément de stockage du dispositif. Chaque module assure ainsi un transfert direct d'une partie de l'énergie entre l'élément C; et chacun des p éléments
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 illustre un système d'équilibrage selon l'état de la technique;
- la figure 2 illustre un exemple de module de transfert de charge qui peut-être utilisé dans un système d'équilibrage;
- la figure 3 illustre un premier mode de réalisation d'un système 5 d'équilibrage selon l'invention;
- la figure 4 illustre un exemple de module de transfert de charge qui peut-être utilisé dans un système d'équilibrage selon l'invention;
- la figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un système de rééquilibrage selon l'invention;
- les figures 6a, 6b et 6c illustrent le phénomène d'équilibrage obtenu avec un système d'équilibrage tel pue représenté sur la figure 5; et - les figures 7a et 7b illustrent le gain de temps d'équilibrage obtenu avec un système d'équilibrage selon l'invention (fig.7a) par rapport à un système selon l'état de la technique (fig.7b) et - la figure 8 représente une variante de réalisation du système de rééquilibrage de la figure 5.
Un système d'équilibrage selon l'invention comprend h modules de transfert de charge, h >_n-1.
Le principe de base de l'invention est pour chaque élément de 3o stockage du réseau série, de distribuer le transfert de charge sur p éléments, p<_n-1.
Soit C; un élément de stockage. p modules de transfert de charge lui sont associés, chaque module appairant cet élément G avec un autre élément de stockage du dispositif. Chaque module assure ainsi un transfert direct d'une partie de l'énergie entre l'élément C; et chacun des p éléments
7 qui lui sont appairés. Le courant injecté est ainsi proportionnel à la différence de tension entre l'élément C; et la moyenne des tensions aux bornes des p autres éléments.
Les modules de transfert de charge doivent être dimensionnés en nombre et en gain en courant pour qu'au final, l'énergie à transférer se trouvent distribuée sur tous les éléments.
Un premier mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 3. Dans ce mode de réalisation, on a p= n-1. Le nombre total de 1o modules est ainsi égal à n(n-1 )/2.
Chaque élément de stockage C; est appairé avec chacun des n-1 autres éléments du dispositif de stockage par un module de transfert de charge propre. Cet arrangement combinatoire est représenté sur la figure 3 en utilisant la représentation dite triangle de pascal. Les éléments de stockage d'énergie C1 à C~ sont représentés sur la diagonale. Dans le triangle pascal, on trouve les n(n-1 )/2 modules de transfert de charge qui permettent de relier chacun des éléments de la diagonale à un autre élément de cette diagonale.
Par exemple, l'élément C~ est appairé
- à l'élément C6, par le module M~,6;
- à l'élément C5, par le module M~,S;
- à l'élément C~., par le module M7,a.;
- à l'élément C3, par le module M~,3;
- à l'élément C2, par le module M~,2;
- à l'élément C1, par le module M7,1.
Cet arrangement suppose l'utilisation comme module de transfert de charge des circuits électroniques de type tripôle comme représenté sur la figure 2, pour appairer deux éléments adjacents, et de type quadripôle pour appairer deux éléments distants. Un tel circuit électronique de type 3o quadripôle est représenté sur la figure 4, dans un exemple de transfert de charge bidirectionnel linéaire effectué par pompe de charge au moyen d'un condensateur comme dans l'exemple de tripôle de la figure 2. Ce quadripôle a alors quatre bornes ABGi G2, les bornes G1,G2 étant connectées au même point dans le cas d'éléments adjacents, équivalant à des tripôles.
ô
Le principe de régulation se fait ainsi pour chaque élément de stockage par transfert direct sur chacun des n-1 autres éléments, au moyen d'un courant proportionnel à la différence de tension entre cet élément et la moyenne de tension aux bornes des autres n-1 éléments : I=k. 0V.
Si on suppose que l'on un excès de tension ~V sur l'élément C~, les autres éléments de stockage étant tous à la méme tension V, un transfert de charge va s'effectuer depuis l'élément C4 vers les autres éléments C1, C2, C3, Cs, Cs, et C~ en sorte que chacun de ces 6 éléments reçoive un courant de k~V . Dans le même temps, l'élément C~. se voit prélever un courant de 1o k 6'w . Ces courants injectés et prélevés vont faire s'équilibrer à terme la tension aux bornes des différentes cellules. Lorsque l'équilibrage est réalisé, chaque élément à une tension de V+ ~V à ses bornes.
En pratique, l'équilibrage se fait pour tous les éléments en même temps. Les modules de transfert sont sollicités tous en même temps, une ~5 seule fois, en parallèle. On arrive à l'équilibrage de façon beaucoup plus rapide.
C'est ce qui est illustré sur les figures 7a et 7b, pour un dispositif de stockage d'énergie, partant d'un état de charge initial nul, ayant une cellule de capacité énergétique 5% plus faible que celle des autres cellules.
2o La figure 7b correspond à un système d'équilibrage à structure des modules chaînée, selon l'état de la technique (Figs 1 et 2). Les courbes et 11 représentent les valeurs minimales et maximales du courant de compensation des cellules normales. La courbe 12 représente le courant de charge commun à toutes les cellules en provenance du chargeur de batterie.
2s On y distingue une phase de régulation à courant constant suivie d'une décroissance exponentielle de ce courant de charge lorsque le chargeur passe d'une régulation en mode courant à une régulation en mode tension.
Les courbes 13 et 14 montrent l'enveloppe d'évolution des tensions aux bornes de chaque cellule. L'équilibre est atteint vers t=240 mn.
3o La figure 7a, montre qu'un système d'équilibrage selon l'invention permet d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, vers t=120 mn.
Dans ce premier exemple de réalisation d'un système d'équilibrage d'énergie d'un dispositif comprenant n éléments de stockage d'énergie en série, n(n-1 )/2 modules sont nécessaires, tous identiques, c'est à dire dimensionnés à l'identique pour passer le même courant Imax .
Les figures 5 et 6a à 6c concernent un autre mode de réalisation d'un système d'équilibrage selon l'invention, par lequel le nombre de modules nécessaire est réduit à r~1 quand n est une puissance de 2, soit n=2m. Les modules sont alors tous de type tripôle ABG.
Cette réduction est obtenue en utilisant la réduction en base deux du nombre n d'éléments de stockage du réseau série.
1o On rappelle qu'un module de transfert de type tripôle fournit un courant I proportionnel à la différence de tension VpG-VGg. On note k ce facteur de proportionnalité : I= k [VAG-VGBj~
Selon l'invention, on a alors m groupes de module de transfert, de i5 rang 0 à rrrl. Chaque groupe de rang i=0 à m-1 comprend ~ modules.
Chaque module de ce groupe de rang i ~0 est dimensionné pour avoir un gain en courant k; 2' fois plus important que le module du groupe de rang 0.
Chaque module est connecté en parallèle sur un groupe de n/2' éléments de stockage arrangés en deux ehsembles de manière à former une paire.
2o Plus particulièrement, si on prend l'exemple représenté sur la figure 5, avec n=8=23 éléments de stockage en série. Dans cet exemple, on a m=3. On a ainsi m=3 groupes de modules GM°, GM1, GM2 de rang respectivement 0, 1 et 2.
Le groupe GM°, de rang 0, comprend 2p=1 module de transfert, 25 noté M0, connecté entre les bornes terminales du réseau (en parallèle sur les n éléments de stockage).
Le groupe de rang 1, comprend 21=2 modules de transfert, notés M1° et M11. Chaque module est connecté en parallèle sur n/21= 4 éléments de stockage série arrangés en deux ensembles de chacun deux éléments, so pour former une paire. Chaque module est dimensionné pour avoir un gain en courant 21 fois plus important que le module M0.
On a ainsi M1° connecté en parallèle sur Gj, C6, C~, Cs, avec le point de référence G du tripôle connecté au point milieu l~ de cet ensemble série (entre Cs et C~). De même, M11 est connecté en parallèle sur Ci, C~, Cs, C4, avec le point de référence G du tripôle connecté au point milieu l~ de cet ensemble série (entre C2 et Cs).
Le groupe de rang 2, comprend 22=4 modules de transfert, notés M2o à M23. Chaque module est connecté en parallèle sur n/22= 2 éléments 5 de stockage série qui forment une paire. Ils ont un gain en courant 22 plus important que le module M0.
Par exemple le module M2o est connecté en parallèle sur G, et C8, avec le point de référence G connecté au point milieu l~, de connexion entre ces deux éléments. Les autres modules de ce groupe, respectivement M21, M2~
1o et M23 sont connectés de faon similaire, respectivement sur (C6, Cs), (Ca., C$) et (C2, C1).
Comme dans le premier mode de réalisation, les modules de transfert sont tous sollicités en méme temps, une seule fois, pour réaliser l'équilibrage. On obtient des performances identiques. La différence tient au 1s nombre de modules réduit.
Un exemple d'équilibrage de charge est représenté sur la figure 6a, pour un dispositif de stockage conforme à la figure 5, avec n=8 éléments de stockage, dans un exemple où tous les élé ments ont une tension V" ~à
leurs bornes, sauf un, dans l'exemple C5, qui a une tension V~+dV. , 2o Les modules du groupe GM2 opèrent par paires d'éléments adjacents, représentées sur la figure par des rectangles le long de la colonne GM2. Pour les paires d'éléments équilibrées, le transfert est nul. Pour la paire a contenant l'élément C5, le transfert peut s'écrire comme une quantité
de charge négative -Q prélevée sur l'élément C5 et une quantité de charge 2s positive +Q transférée sur l'élément Cs. Pour marquer le gain de quatre affecté aux modules de cette colonne, on écrit +Q=+4 et-Q=-4.
Les modules du groupe GM1 opèrent chacun sur quatre éléments adjacents, arrangés en deux ensembles de deux éléments pour former une paire. Chaque paire est représentée sur la fgure par un rectangle dans la 3o colonne GM~. La paire {(C1, C2), (Cs, C4)} est équilibrée, le transfert est nul pour cet ensemble. Pour la paire b {(C5, C6), (C~, C$)} contenant l'élément C5, le transfert peut s'écrire comme une quantité de charge négative -Q prélevée sur l'ensemble série (Cs, Cs) et une quantité de charge positive +Q
transférée sur l'ensemble série {C7, Cs). Pour marquer le gain de deux 35 affecté aux modules de cette colonne, on écrit +Q=+2 et-Q=-2.
Le module du groupe GM° opère sur les huit éléments adjacents, arrangés en deux ensembles de quatre éléments pour former une paire c représentée sur la figure par un rectangle le long de la colonne GM° :
((C1, C2, Cs, C4), (C5, Cs, C~, Cs)). Cette paire c contenant l'élément C5, le transfert peut s'écrire comme une quantité de charge négative -Q prélevée sur l'ensemble série (C5, C6, C~, Cs) et une quantité de charge positive +Q
transférée sur l'ensemble série (C1, C2, Cs, C4). Pour marquer que ce module sert de référence pour le gain en courant, ce qui revient à dire que l'on attribue un gain unité à M0, on écrit +Q=+1 et-Q=-1.
1o La colonne E1 représente la somme des charges transférées sur chaque élément du réseau. La quantité de charge prélevée sur l'élément C5 est distribuée sur chacune des autres éléments qui reçoit donc une quantité
de charge égale à la quantité de charge prélevée divisée par le nombre d'éléments sur lesquels elle est distribuée.
Ce transfert se fait en sollicitant tous les modules du système d'équilibrage en même temps, en parallèle, d'où un gain en temps d'équilibrage particulièrement avantageux.
Ce mode de réalisation d'un système d'équilibrage selon l'invention avec un nombre réduit de modules de transfert de charge vient 2o d'être décrit dans un exemple de dispositif de stockage d'énergie contenant un nombre n d'éléments s'exprimant comme une puissance de deux : n=2"'.
Dans le cas où n est un entier quelconque qui s'écrit : n=2"'-x, on montre que l'on peut réaliser un système d'équilibrage de ce type, en utilisant x éléments de stockage virtuels pour construire la structure du système. En pratique, on obtient un système d'équilibrage comprenant I modules, avec I
entier tel que n-1-x<I<_ n-1.
Si on reprend la figure 5. Dans les éléments de stockage Ci à Cs reprësentés, on considére maintenant que le dispositif de stockage ne so comprend pue 7 éléments, ce qui est généralement le cas pour les applications de l'aéronautique (avec des cellules lithium-ions).
Le nombre réel d'éléments est donc n=7. On a 2"'-1<_n<_2m ou encore n=2m-1.
On conçoit alors la structure en rajoutant 1 cellule virtuelle qui est Cs sur la figure 5.
Cet élément virtuel n'existe pas en réalité dans la structure. Le dispositif de stockage 100 avec ces n=7 éléments Ci à C7 et son système d'équilibrage est en réalité comme représenté sur la figure 8. Les bornes A
des modules M2o, M1o et MOo sont reliées en commun au moyen d'une ligne de connexion X. Le potentiel VX sur cette ligne X est dans un état indéfini initialement. On montre que lorsque le système d'équilibrage est activé, le système d'équilibrage est tel qu'il établit le potentiel VX à un niveau tel que le courant qui est induit dans l'élément virtuel Cs est forcément nul. C'est ce qui est représenté dans les tableaux des figures 6b et 6c, à prendre en 1o combinaison avec celui de la figure 6a.
On a vu que le tableau de la figure 6a illustre le cas d'un dispositif à n=8 éléments, dans lequel le système d'équilibrage a été activé sur détection d'un déséquilibre, dû à un excès de charge sur l'élément C5. Le transfert de charge total qui s'établit pour chaque cellule est donné dans la 1s colonne ~1 ce tableau, a déjà été expliqué.
Or on se place dans le cas oû l'élément Cs est virtuel : le courant dû au transfert de charge provoqué par le système d'équilibrage doit donc être nul dans cet élément.
On montre que le potentiel VX sur la ligne X s'établit 2o automatiquement à une valeur donnée pour que ce soit effectivement le cas.
C'est comme si le système ~se comportait en sorte que l'élément virtuel induise lui aussi un transfert de charge, tel que la somme des deux transferts de charge, celui dû à C5 et celui dû à l'élément virtuel s'annule pour l'élément virtuel. Le tableau de la figure 6b montre le transfert de charge qui serait dû à
2s l'élément virtuel. La colonne E2 donne le transfert de charge total qui s'établit pour chaque cellule.
La colonne E= E1 +~2 dans le tableau de la figure 6c représente la superposition des deux transferts : on obtient bien un transfert nul sur l'élément virtuel. Le transfert de charge se distribue de l'élément C5 sur les so autres éléments du dispositif de stockage 100. La tension aux bornes de la cellule virtuelle s'établit donc à Vn+OV/7.
Dans l'exemple de la figure 8, le système d'équilibrage se construit sur la base d'un seul élément virtuel. Dans le cas général oû n=2"'-x, avec 35 X>_1, il y a x ëléments virtuels.
Dans le cas où x>1, le système d'équilibrage peut se simplifier en éliminant du système tout module qui aurait toutes ses bornes A, B, G reliées à des éléments virtuels. On a alors I modules avec n-1-x<L< n-1. Dans ce cas, les I modules sont distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel qu'au groupe de rang i correspond au plus 2' modules (M10, M11), chacun associé
à n/2' éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang i ~0 étant dimensionnés pour passer 2' fois plus de courant que le module M0.
1o L'invention qui vient d'être décrite est particulièrement intéressante pour tous les systèmes où l'on cherche à améliorer les performances du dispositif de stockage d'énergie à moindre coût.
L'invention s'applique à tout système d'équilibrage utilisant des modules de transfert de charge bidirectionnels et linéaires. En particulier, l'invention ne se limite pas à l'exemple aux modules du type à pompe de charge donné uniquement à titre d'illustration.
Dans toute la description, le module de transfert de charge a une caractéristique de transfert en courant linéaire lorsque les tensions des deux cellules qui lui sont connectées sont proches de l'équilibre. On parle de linéarité au premier ordre. Le système d'équilibrage de charge continuera de fonctionner correctement si le gain en courant n'est pas linéaire mais qu'il transfère un courant de même signe que la différence de tension aux bornes de cellules.
Les modules de transfert de charge doivent être dimensionnés en nombre et en gain en courant pour qu'au final, l'énergie à transférer se trouvent distribuée sur tous les éléments.
Un premier mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 3. Dans ce mode de réalisation, on a p= n-1. Le nombre total de 1o modules est ainsi égal à n(n-1 )/2.
Chaque élément de stockage C; est appairé avec chacun des n-1 autres éléments du dispositif de stockage par un module de transfert de charge propre. Cet arrangement combinatoire est représenté sur la figure 3 en utilisant la représentation dite triangle de pascal. Les éléments de stockage d'énergie C1 à C~ sont représentés sur la diagonale. Dans le triangle pascal, on trouve les n(n-1 )/2 modules de transfert de charge qui permettent de relier chacun des éléments de la diagonale à un autre élément de cette diagonale.
Par exemple, l'élément C~ est appairé
- à l'élément C6, par le module M~,6;
- à l'élément C5, par le module M~,S;
- à l'élément C~., par le module M7,a.;
- à l'élément C3, par le module M~,3;
- à l'élément C2, par le module M~,2;
- à l'élément C1, par le module M7,1.
Cet arrangement suppose l'utilisation comme module de transfert de charge des circuits électroniques de type tripôle comme représenté sur la figure 2, pour appairer deux éléments adjacents, et de type quadripôle pour appairer deux éléments distants. Un tel circuit électronique de type 3o quadripôle est représenté sur la figure 4, dans un exemple de transfert de charge bidirectionnel linéaire effectué par pompe de charge au moyen d'un condensateur comme dans l'exemple de tripôle de la figure 2. Ce quadripôle a alors quatre bornes ABGi G2, les bornes G1,G2 étant connectées au même point dans le cas d'éléments adjacents, équivalant à des tripôles.
ô
Le principe de régulation se fait ainsi pour chaque élément de stockage par transfert direct sur chacun des n-1 autres éléments, au moyen d'un courant proportionnel à la différence de tension entre cet élément et la moyenne de tension aux bornes des autres n-1 éléments : I=k. 0V.
Si on suppose que l'on un excès de tension ~V sur l'élément C~, les autres éléments de stockage étant tous à la méme tension V, un transfert de charge va s'effectuer depuis l'élément C4 vers les autres éléments C1, C2, C3, Cs, Cs, et C~ en sorte que chacun de ces 6 éléments reçoive un courant de k~V . Dans le même temps, l'élément C~. se voit prélever un courant de 1o k 6'w . Ces courants injectés et prélevés vont faire s'équilibrer à terme la tension aux bornes des différentes cellules. Lorsque l'équilibrage est réalisé, chaque élément à une tension de V+ ~V à ses bornes.
En pratique, l'équilibrage se fait pour tous les éléments en même temps. Les modules de transfert sont sollicités tous en même temps, une ~5 seule fois, en parallèle. On arrive à l'équilibrage de façon beaucoup plus rapide.
C'est ce qui est illustré sur les figures 7a et 7b, pour un dispositif de stockage d'énergie, partant d'un état de charge initial nul, ayant une cellule de capacité énergétique 5% plus faible que celle des autres cellules.
2o La figure 7b correspond à un système d'équilibrage à structure des modules chaînée, selon l'état de la technique (Figs 1 et 2). Les courbes et 11 représentent les valeurs minimales et maximales du courant de compensation des cellules normales. La courbe 12 représente le courant de charge commun à toutes les cellules en provenance du chargeur de batterie.
2s On y distingue une phase de régulation à courant constant suivie d'une décroissance exponentielle de ce courant de charge lorsque le chargeur passe d'une régulation en mode courant à une régulation en mode tension.
Les courbes 13 et 14 montrent l'enveloppe d'évolution des tensions aux bornes de chaque cellule. L'équilibre est atteint vers t=240 mn.
3o La figure 7a, montre qu'un système d'équilibrage selon l'invention permet d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, vers t=120 mn.
Dans ce premier exemple de réalisation d'un système d'équilibrage d'énergie d'un dispositif comprenant n éléments de stockage d'énergie en série, n(n-1 )/2 modules sont nécessaires, tous identiques, c'est à dire dimensionnés à l'identique pour passer le même courant Imax .
Les figures 5 et 6a à 6c concernent un autre mode de réalisation d'un système d'équilibrage selon l'invention, par lequel le nombre de modules nécessaire est réduit à r~1 quand n est une puissance de 2, soit n=2m. Les modules sont alors tous de type tripôle ABG.
Cette réduction est obtenue en utilisant la réduction en base deux du nombre n d'éléments de stockage du réseau série.
1o On rappelle qu'un module de transfert de type tripôle fournit un courant I proportionnel à la différence de tension VpG-VGg. On note k ce facteur de proportionnalité : I= k [VAG-VGBj~
Selon l'invention, on a alors m groupes de module de transfert, de i5 rang 0 à rrrl. Chaque groupe de rang i=0 à m-1 comprend ~ modules.
Chaque module de ce groupe de rang i ~0 est dimensionné pour avoir un gain en courant k; 2' fois plus important que le module du groupe de rang 0.
Chaque module est connecté en parallèle sur un groupe de n/2' éléments de stockage arrangés en deux ehsembles de manière à former une paire.
2o Plus particulièrement, si on prend l'exemple représenté sur la figure 5, avec n=8=23 éléments de stockage en série. Dans cet exemple, on a m=3. On a ainsi m=3 groupes de modules GM°, GM1, GM2 de rang respectivement 0, 1 et 2.
Le groupe GM°, de rang 0, comprend 2p=1 module de transfert, 25 noté M0, connecté entre les bornes terminales du réseau (en parallèle sur les n éléments de stockage).
Le groupe de rang 1, comprend 21=2 modules de transfert, notés M1° et M11. Chaque module est connecté en parallèle sur n/21= 4 éléments de stockage série arrangés en deux ensembles de chacun deux éléments, so pour former une paire. Chaque module est dimensionné pour avoir un gain en courant 21 fois plus important que le module M0.
On a ainsi M1° connecté en parallèle sur Gj, C6, C~, Cs, avec le point de référence G du tripôle connecté au point milieu l~ de cet ensemble série (entre Cs et C~). De même, M11 est connecté en parallèle sur Ci, C~, Cs, C4, avec le point de référence G du tripôle connecté au point milieu l~ de cet ensemble série (entre C2 et Cs).
Le groupe de rang 2, comprend 22=4 modules de transfert, notés M2o à M23. Chaque module est connecté en parallèle sur n/22= 2 éléments 5 de stockage série qui forment une paire. Ils ont un gain en courant 22 plus important que le module M0.
Par exemple le module M2o est connecté en parallèle sur G, et C8, avec le point de référence G connecté au point milieu l~, de connexion entre ces deux éléments. Les autres modules de ce groupe, respectivement M21, M2~
1o et M23 sont connectés de faon similaire, respectivement sur (C6, Cs), (Ca., C$) et (C2, C1).
Comme dans le premier mode de réalisation, les modules de transfert sont tous sollicités en méme temps, une seule fois, pour réaliser l'équilibrage. On obtient des performances identiques. La différence tient au 1s nombre de modules réduit.
Un exemple d'équilibrage de charge est représenté sur la figure 6a, pour un dispositif de stockage conforme à la figure 5, avec n=8 éléments de stockage, dans un exemple où tous les élé ments ont une tension V" ~à
leurs bornes, sauf un, dans l'exemple C5, qui a une tension V~+dV. , 2o Les modules du groupe GM2 opèrent par paires d'éléments adjacents, représentées sur la figure par des rectangles le long de la colonne GM2. Pour les paires d'éléments équilibrées, le transfert est nul. Pour la paire a contenant l'élément C5, le transfert peut s'écrire comme une quantité
de charge négative -Q prélevée sur l'élément C5 et une quantité de charge 2s positive +Q transférée sur l'élément Cs. Pour marquer le gain de quatre affecté aux modules de cette colonne, on écrit +Q=+4 et-Q=-4.
Les modules du groupe GM1 opèrent chacun sur quatre éléments adjacents, arrangés en deux ensembles de deux éléments pour former une paire. Chaque paire est représentée sur la fgure par un rectangle dans la 3o colonne GM~. La paire {(C1, C2), (Cs, C4)} est équilibrée, le transfert est nul pour cet ensemble. Pour la paire b {(C5, C6), (C~, C$)} contenant l'élément C5, le transfert peut s'écrire comme une quantité de charge négative -Q prélevée sur l'ensemble série (Cs, Cs) et une quantité de charge positive +Q
transférée sur l'ensemble série {C7, Cs). Pour marquer le gain de deux 35 affecté aux modules de cette colonne, on écrit +Q=+2 et-Q=-2.
Le module du groupe GM° opère sur les huit éléments adjacents, arrangés en deux ensembles de quatre éléments pour former une paire c représentée sur la figure par un rectangle le long de la colonne GM° :
((C1, C2, Cs, C4), (C5, Cs, C~, Cs)). Cette paire c contenant l'élément C5, le transfert peut s'écrire comme une quantité de charge négative -Q prélevée sur l'ensemble série (C5, C6, C~, Cs) et une quantité de charge positive +Q
transférée sur l'ensemble série (C1, C2, Cs, C4). Pour marquer que ce module sert de référence pour le gain en courant, ce qui revient à dire que l'on attribue un gain unité à M0, on écrit +Q=+1 et-Q=-1.
1o La colonne E1 représente la somme des charges transférées sur chaque élément du réseau. La quantité de charge prélevée sur l'élément C5 est distribuée sur chacune des autres éléments qui reçoit donc une quantité
de charge égale à la quantité de charge prélevée divisée par le nombre d'éléments sur lesquels elle est distribuée.
Ce transfert se fait en sollicitant tous les modules du système d'équilibrage en même temps, en parallèle, d'où un gain en temps d'équilibrage particulièrement avantageux.
Ce mode de réalisation d'un système d'équilibrage selon l'invention avec un nombre réduit de modules de transfert de charge vient 2o d'être décrit dans un exemple de dispositif de stockage d'énergie contenant un nombre n d'éléments s'exprimant comme une puissance de deux : n=2"'.
Dans le cas où n est un entier quelconque qui s'écrit : n=2"'-x, on montre que l'on peut réaliser un système d'équilibrage de ce type, en utilisant x éléments de stockage virtuels pour construire la structure du système. En pratique, on obtient un système d'équilibrage comprenant I modules, avec I
entier tel que n-1-x<I<_ n-1.
Si on reprend la figure 5. Dans les éléments de stockage Ci à Cs reprësentés, on considére maintenant que le dispositif de stockage ne so comprend pue 7 éléments, ce qui est généralement le cas pour les applications de l'aéronautique (avec des cellules lithium-ions).
Le nombre réel d'éléments est donc n=7. On a 2"'-1<_n<_2m ou encore n=2m-1.
On conçoit alors la structure en rajoutant 1 cellule virtuelle qui est Cs sur la figure 5.
Cet élément virtuel n'existe pas en réalité dans la structure. Le dispositif de stockage 100 avec ces n=7 éléments Ci à C7 et son système d'équilibrage est en réalité comme représenté sur la figure 8. Les bornes A
des modules M2o, M1o et MOo sont reliées en commun au moyen d'une ligne de connexion X. Le potentiel VX sur cette ligne X est dans un état indéfini initialement. On montre que lorsque le système d'équilibrage est activé, le système d'équilibrage est tel qu'il établit le potentiel VX à un niveau tel que le courant qui est induit dans l'élément virtuel Cs est forcément nul. C'est ce qui est représenté dans les tableaux des figures 6b et 6c, à prendre en 1o combinaison avec celui de la figure 6a.
On a vu que le tableau de la figure 6a illustre le cas d'un dispositif à n=8 éléments, dans lequel le système d'équilibrage a été activé sur détection d'un déséquilibre, dû à un excès de charge sur l'élément C5. Le transfert de charge total qui s'établit pour chaque cellule est donné dans la 1s colonne ~1 ce tableau, a déjà été expliqué.
Or on se place dans le cas oû l'élément Cs est virtuel : le courant dû au transfert de charge provoqué par le système d'équilibrage doit donc être nul dans cet élément.
On montre que le potentiel VX sur la ligne X s'établit 2o automatiquement à une valeur donnée pour que ce soit effectivement le cas.
C'est comme si le système ~se comportait en sorte que l'élément virtuel induise lui aussi un transfert de charge, tel que la somme des deux transferts de charge, celui dû à C5 et celui dû à l'élément virtuel s'annule pour l'élément virtuel. Le tableau de la figure 6b montre le transfert de charge qui serait dû à
2s l'élément virtuel. La colonne E2 donne le transfert de charge total qui s'établit pour chaque cellule.
La colonne E= E1 +~2 dans le tableau de la figure 6c représente la superposition des deux transferts : on obtient bien un transfert nul sur l'élément virtuel. Le transfert de charge se distribue de l'élément C5 sur les so autres éléments du dispositif de stockage 100. La tension aux bornes de la cellule virtuelle s'établit donc à Vn+OV/7.
Dans l'exemple de la figure 8, le système d'équilibrage se construit sur la base d'un seul élément virtuel. Dans le cas général oû n=2"'-x, avec 35 X>_1, il y a x ëléments virtuels.
Dans le cas où x>1, le système d'équilibrage peut se simplifier en éliminant du système tout module qui aurait toutes ses bornes A, B, G reliées à des éléments virtuels. On a alors I modules avec n-1-x<L< n-1. Dans ce cas, les I modules sont distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel qu'au groupe de rang i correspond au plus 2' modules (M10, M11), chacun associé
à n/2' éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang i ~0 étant dimensionnés pour passer 2' fois plus de courant que le module M0.
1o L'invention qui vient d'être décrite est particulièrement intéressante pour tous les systèmes où l'on cherche à améliorer les performances du dispositif de stockage d'énergie à moindre coût.
L'invention s'applique à tout système d'équilibrage utilisant des modules de transfert de charge bidirectionnels et linéaires. En particulier, l'invention ne se limite pas à l'exemple aux modules du type à pompe de charge donné uniquement à titre d'illustration.
Dans toute la description, le module de transfert de charge a une caractéristique de transfert en courant linéaire lorsque les tensions des deux cellules qui lui sont connectées sont proches de l'équilibre. On parle de linéarité au premier ordre. Le système d'équilibrage de charge continuera de fonctionner correctement si le gain en courant n'est pas linéaire mais qu'il transfère un courant de même signe que la différence de tension aux bornes de cellules.
Claims (9)
1. Dispositif de stockage d'énergie comprenant un réseau série de n éléments de stockage (C1,...,C8) apte à fournir une tension continue à ses bornes, et une pluralité de modules de transfert de charge, chaque module assurant un transfert de charge bidirectionnel entre deux éléments de stockage dudit réseau, caractérisé en ce que qu'il comprend n(n-1)/2 modules identiques, chaque élément de stockage (C k) étant appairé à
chacun des autres n-1 éléments de stockage du réseau par (n-1) modules associés (M k,1, M k,2 ... M k,k-1, M k,k+1 ... M k,n-1, M k,n).
chacun des autres n-1 éléments de stockage du réseau par (n-1) modules associés (M k,1, M k,2 ... M k,k-1, M k,k+1 ... M k,n-1, M k,n).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits modules sont du type tripôle ou quadripôle selon que les éléments qu'ils appairent sont adjacents ou non.
3. Dispositif de stockage d'énergie comprenant un réseau série de n éléments de stockage (C1,...,C8) apte à fournir une tension continue à ses bornes, et une pluralité de modules de transfert de charge, chaque module assurant un transfert de charge bidirectionnel entre deux éléments de stockage dudit réseau, et dans lequel n=2m, caractérisé en ce qu'il comprend n-1 modules de type tripôle, distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel qu'au groupe de rang i correspond 21 modules (M1 0, M1 1), chacun associé à
n/2i éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang i .noteq.0 étant dimensionnés pour avoir un gain en courant 2i fois plus important que le gain en courant du module (M0) du groupe de rang 0.
n/2i éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang i .noteq.0 étant dimensionnés pour avoir un gain en courant 2i fois plus important que le gain en courant du module (M0) du groupe de rang 0.
4. Dispositif de stockage d'énergie comprenant un réseau série de n éléments de stockage (C1,...,C8) apte à fournir une tension continue à ses bornes, et une pluralité de modules de transfert de charge, chaque module assurant un transfert de charge bidirectionnel entre deux éléments de stockage dudit réseau, et dans lequel n=2m-x, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre I de modules de type tripôle, avec n-1-x<I<= n-1 modules, distribués en m-1 groupes de rang 0 à m-1, tel qu'au groupe de rang i correspond au plus 2i modules (M1 0, M1 1), chacun associé à n/2i éléments arrangés en deux ensembles de manière à former une paire, les modules dudit groupe de rang i .noteq.0 étant dimensionnés pour avoir un gain en courant 2i fois plus important que le gain en courant du module (M0) du groupe de rang 0.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le transfert de charge entre ledit élément et les p éléments qui lui sont appairés se traduit par un courant de charge ou décharge de ces éléments appairés proportionnel au premier ordre à la différence entre la tension aux bornes dudit élément et la moyenne des tensions aux bornes desdits p éléments de charge appairés au dit élément.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en que lesdits éléments de stockage sont des cellules de batterie électrochimique.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en que lesdits éléments de stockage sont des cellules de batterie de type lithium-ion.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé
en ce que lesdits éléments de stockage sont des supercapacités.
en ce que lesdits éléments de stockage sont des supercapacités.
9. Système électronique comprenant un chargeur et un dispositif de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, rechargeable par ledit chargeur.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0311359 | 2003-09-29 | ||
| FR0311359A FR2860352B1 (fr) | 2003-09-29 | 2003-09-29 | Systeme d'equilibrage d'un dispositif de stockage d'energie |
| PCT/EP2004/052325 WO2005031942A1 (fr) | 2003-09-29 | 2004-09-27 | Systeme d'equilibrage d'un dispositif de stockage d'energie |
Publications (1)
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|---|---|
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ID=34307232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| EP2312639A1 (fr) * | 2009-10-15 | 2011-04-20 | Nxp B.V. | Ensemble photovoltaïque et procédé de fonctionnement d'un ensemble photovoltaïque |
| FR2952187A1 (fr) * | 2009-10-30 | 2011-05-06 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Procede de detection du desequilibre electrique entre les elements d'une batterie |
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