FR3099647A1 - Système d'alimentation électrique à modules Li/MnO2 - Google Patents

Système d'alimentation électrique à modules Li/MnO2 Download PDF

Info

Publication number
FR3099647A1
FR3099647A1 FR1908600A FR1908600A FR3099647A1 FR 3099647 A1 FR3099647 A1 FR 3099647A1 FR 1908600 A FR1908600 A FR 1908600A FR 1908600 A FR1908600 A FR 1908600A FR 3099647 A1 FR3099647 A1 FR 3099647A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
module
state
voltage
threshold value
modules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1908600A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3099647B1 (fr
Inventor
Rémi Vincent
Benoît Chavillon
Eric Mayousse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to FR1908600A priority Critical patent/FR3099647B1/fr
Publication of FR3099647A1 publication Critical patent/FR3099647A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3099647B1 publication Critical patent/FR3099647B1/fr
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/16—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

L’invention concerne un système d'alimentation électrique (1, 10) comportant : N modules (M_i) d'alimentation identiques, chaque module comprenant plusieurs cellules de type Li/MnO2, Une unité centrale (UC) reliée aux moyens de mesure de tension, configurée pour recevoir et traiter des données de mesure de tension en provenance des moyens de mesure de tension et pour : Déterminer l'état de chaque module entre un premier état (ST1) pour lequel sa tension est supérieure à une première valeur seuil, un deuxième état (ST2) pour lequel sa tension est comprise entre la première valeur seuil et une deuxième valeur seuil et un troisième état (ST3) pour lequel sa tension est inférieure à la deuxième valeur seuil, Déterminer une configuration de fonctionnement en tenant compte notamment, de l'état de chaque module, Commander des moyens de commande associés à chaque module pour appliquer la configuration de fonctionnement déterminée. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 5B

Description

Système d'alimentation électrique à modules Li/MnO2
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un système d'alimentation électrique. Ce système d'alimentation électrique présente la particularité de comporter des modules d'alimentation à cellules en Li/MnO2(Lithium/Dioxyde de manganèse).
Etat de la technique
La pile lithium-dioxyde de manganèse (Li/MnO2) a été l'une des premières piles au lithium à cathode solide à être utilisée commercialement, dès 1976, du fait de ses caractéristiques intéressantes en termes de performances, mais aussi de son coût. Ces piles primaires ont l’inconvénient majeur de ne pas être rechargeable mais présentent l’avantage d’avoir une densité d’énergie importante. L’oxyde de manganèse conduit à une pile dont la tension est de l’ordre de 3 V en circuit ouvert. Cette tension élevée lui confère une forte énergie massique, au moins le double de celle des piles alcalines classiques. A format de pile et tension équivalents (deux éléments en série pour les systèmes classiques salins et alcalins), si les piles alcalines ont des temps de décharge environ double de ceux obtenus avec des piles salines, les piles Li/MnO2permettent des temps de décharge au moins deux fois supérieurs à ceux des piles alcalines.
Comme représenté sur la figure 1, la courbe de décharge de ces piles est généralement comprise entre 3.2 V et 2.0 V quel que soit le régime de fonctionnement (500mA à 1mA sur la figure 1).
Lorsque la décharge de ces piles est poussée à plus bas potentiel (proche de 0 Volt), le dioxyde de Manganèse MnO2peut présenter une capacité supplémentaire de décharge qui est très intéressante car elle permet d’atteindre environ 2500 mAh/g de MnO2. Cependant, l'emploi de cette capacité de décharge supplémentaire entraîne des changements de phases irréversibles. Une telle pile ne peut donc pas être utilisée au sein d’une batterie, mais seulement pour une pile primaire. De manière connue, les différents changements de phases associés à ces réactions en dessous 0,5 V sont les suivants :
LiMnO2+ Li++ e-=> Li2MnO2+2Li++ 2e-=> Mn + 2Li2O
MnO2=> Mn2O3(via présence de Li2O)
3 Mn2O3+ 2 Li++ 2e-=> 2 Mn3O4
Mn3O4+ Li++ e-=> LiMn3O4
LiMn3O4+ Li++ e-=> 3 MnO + Li2O
Ce domaine de tension de décharge n’est actuellement jamais utilisé au sein de systèmes d’énergie car il est trop bas pour assurer le fonctionnement de systèmes électroniques. La courbe de décharge complète entre 3,3 V et 0.3 V d’une pile constituée du couple Li/MnO2est représentée sur la figure 2.
Le but de l’invention est de proposer un système d’alimentation électrique adapté à des modules d’alimentation utilisant des piles primaires de type Li/MnO2, ce système permettant de s’adapter facilement à l’application à alimenter.
Ce but est atteint par un système d'alimentation électrique comportant :
  • N modules d'alimentation identiques, N étant supérieur ou égal à 2, chaque module comprenant plusieurs cellules de type Li/MnO2,
  • Des moyens de mesure de tension aux bornes de chaque module,
  • Une unité centrale reliée aux moyens de mesure de tension, configurée pour recevoir et traiter des données de mesure de tension en provenance des moyens de mesure de tension,
  • Des moyens de commande pour connecter/déconnecter chaque module,
L'unité centrale étant configurée pour :
  • Acquérir la tension mesurée aux bornes de chaque module,
  • Comparer la tension mesurée aux bornes de chaque module avec une première valeur seuil et avec une deuxième valeur seuil inférieure à ladite première valeur seuil,
  • Déterminer l'état de chaque module entre un premier état pour lequel sa tension est supérieure à la première valeur seuil, un deuxième état pour lequel sa tension est comprise entre la première valeur seuil et la deuxième valeur seuil et un troisième état pour lequel sa tension est inférieure à la deuxième valeur seuil,
  • Mémoriser l'état de chaque module,
  • Déterminer une configuration de fonctionnement en tenant compte, de l'état mémorisé pour chaque module, d'une ou plusieurs puissances de consigne appliquées en entrée, d’une ou plusieurs tensions de consigne appliquée(s) en entrée,
  • Commander les moyens de commande associés à chaque module pour appliquer la configuration de fonctionnement déterminée.
Selon une particularité, la configuration de fonctionnement est également déterminée en tenant compte de différentes unités à alimenter, et de leur besoin individuel en puissance et tension.
Selon une autre particularité, pour chaque module, les moyens de commande (100_i) comportent un premier interrupteur agencé en série avec le module et un deuxième interrupteur agencé en parallèle dudit module.
Selon une autre particularité, le système comporte un convertisseur de tension déporté affecté à chaque module
Selon une autre particularité, le système comporte un convertisseur de tension central auquel est connecté le convertisseur de tension déporté associé à chaque module.
Selon une autre particularité, l'unité centrale est configurée pour tenir compte de l'état de charge de chaque module dans la détermination de la configuration de fonctionnement.
Selon une autre particularité, l'unité centrale est configurée pour émettre un message d'alerte lorsque plus aucun module parmi les N modules ne se trouve dans le premier état.
Selon une autre particularité, l'unité centrale est configurée pour émettre un message d'alerte lorsqu'un module se trouve dans le troisième état.
Selon une autre particularité, le système comporte une unité de gestion déportée distincte affectée à la gestion de chaque module.
Selon une autre particularité, la première valeur seuil correspond à une valeur de tension haute, choisie pour délimiter une zone de fonctionnement dans laquelle le module de type Li/MnO2 fonctionne autour de son plateau haut de tension et peut délivrer son maximum de puissance.
Selon une autre particularité, la deuxième valeur seuil correspond à une valeur de tension basse qui est inférieure à la première valeur seuil, et qui est choisie pour délimiter une zone de fonctionnement dans laquelle le module de type Li/MnO2 fonctionne au niveau de son plateau bas de tension.
L’invention concerne également un procédé de commande d'un système d'alimentation électrique tel que défini ci-dessus, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
  • Mesure de la tension aux bornes de chaque module,
  • Comparaison de la tension mesurée aux bornes de chaque module avec une première valeur seuil et avec une deuxième valeur seuil inférieure à ladite première valeur seuil,
  • Détermination de l'état de chaque module entre un premier état pour lequel sa tension est supérieure à la première valeur seuil, un deuxième état pour lequel sa tension est comprise entre la première valeur seuil et la deuxième valeur seuil et un et un troisième état pour lequel sa tension est inférieure à la deuxième valeur seuil,
  • Mémorisation de l'état déterminé pour chaque module,
  • Détermination d'une configuration de fonctionnement en tenant compte, de l'état mémorisé pour chaque module, d'une ou plusieurs puissances de consigne appliquées en entrée, d’une ou plusieurs tensions de consigne appliquée(s) en entrée,
  • Commande des moyens de commande associés à chaque module pour appliquer la configuration de fonctionnement déterminée.
Selon une particularité, le procédé comporte une étape de génération d'un message d'alerte lorsque plus aucun module parmi les N modules ne se trouve dans le premier état.
Selon une autre particularité, le procédé comporte une étape de génération d'un message d'alerte lorsqu'un module se trouve dans le troisième état.
L’invention concerne également l’utilisation du système d'alimentation électrique tel que défini ci-dessus, pour alimenter un ballon-sonde météorologique en utilisant deux modules d'alimentation électrique, un premier module dans le premier état pour alimenter une première unité de puissance et un deuxième module dans le deuxième état pour alimenter une unité de contrôle/mesure.
On verra ci-après que la solution de l’invention est adaptée pour exploiter les deux domaines de tension de décharge d'une pile de type Li/MnO2.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit, faite en liaison avec les figures listées ci-dessous :
  • La figure 1 représente un diagramme montrant des courbes de décharge d'une pile Li/MnO2pour différents régimes ;
  • La figure 2 représente une courbe de décharge complète d'une pile Li/MnO2;
  • La figure 3 montre un diagramme avec une courbe de décharge d'un module comprenant cinquante cellules de type Li/MnO2et illustre la présence des différents états pris par le module ;
  • Les figures 4A et 4B proposent deux configurations de réalisation du système ;
  • Les figures 5A et 5B illustrent, de manière schématique, le principe de fonctionnement du système d'alimentation de l'invention ;
  • La figure 6 illustre une application du système d'alimentation de l'invention ;
Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
L’invention vise un système d’alimentation électrique 1, 10 qui comporte plusieurs modules M_i. Chaque module est composé de plusieurs cellules de type Li/MnO2. Une cellule de type Li/MnO2peut présenter une anode réalisée en lithium, une cathode réalisée en MnO2et un électrolyte réalisé en lithium-halide, dissous dans un solvant organique. Les figures 4A et 4B donnent deux exemples de réalisation du système 1, 10 de l'invention, tandis que les figures 5A et 5B présentent leur principe de fonctionnement.
Comme décrit ci-dessus, une cellule de type Li/MnO2présente une courbe de décharge (qui correspond en fait à l'évolution de sa tension en fonction du temps, pour un régime de décharge fixé) ayant le profil représenté sur la figure 2. Sur cette figure 2, la courbe a été obtenue en effectuant une décharge complète entre 3,3 V et 0.3 V d’une pile constituée du couple Li/MnO2. Cette courbe a été obtenue en pile bouton sous 30 µA (Li versus MnO2enduit sur un collecteur de courant en aluminium avec un Celgard 2420 utilisé comme séparateur). On peut voir sur cette courbe qu’une cellule de type Li/MnO2présente principalement deux paliers de fonctionnement, un premier palier P1 à potentiel haut (autour de 2,5 V) qui correspond au palier classiquement employé lors de l’utilisation d’une pile avec cette technologie et un deuxième palier P2 autour de 0,5V. L’exploitation de ce deuxième palier P2 permet ainsi d’augmenter la capacité globale du module, sans aucune modification, et ainsi, pour certaines applications, de prolonger son utilisation. Sur ce deuxième plateau, la courbe de décharge est globalement plate, ce qui signifie que la tension à ses bornes évolue très faiblement sur une large plage de fonctionnement.
Partant de ce principe, le système de l’invention comporte N modules, avec N supérieur ou égal à 2. Sur les figures, chaque module est référencé M_i avec l'indice i allant de 1 à N.
Les N modules du système peuvent être identiques. Par "modules identiques", on entend que les modules ont notamment une même architecture (même nombre de cellules) et une même technologie. Cependant, ils peuvent être dans des états de charge (SOC) différents et présenter des états de santé (SOH) différents.
Chaque module comporte plusieurs cellules d’alimentation réalisées suivant la technologie Li/MnO2. Ces cellules d’alimentation sont avantageusement toutes identiques en architecture et en technologie.
A titre d’exemple, un module M_i peut comporter cinquante cellules réparties en cinq groupes de cellules en parallèles, avec dix cellules en série par groupe. D'autres configurations sont bien entendu envisageables.
La figure 2 représente le profil de décharge d’une mono-cellule sous 0,8 C. Ainsi, par extrapolation, le profil de décharge (sous 0,8 C par cellule) du module composé de cinquante cellules selon la répartition décrite ci-dessus est représenté sur la figure 3.
Sur le plateau haut, le module délivre 25 V soit 100 W sous 0,8 C pour une énergie de 125 Wh (possibilité de monter à 3 C soit 375 W). Il s’agit ici de la première partie de la décharge. Lorsqu’il est sur le plateau bas, le module délivre une tension d’environ 3 V pour une énergie totale de 135 Wh. Si le besoin est de 3 W alors le régime de décharge est de 0,2 C.
En référence aux figures 4A et 4B, le système 1, 10 comporte des moyens de mesure de tension Um_i au niveau de chaque module M_i. Ces moyens de mesure de tension (Par exemple un capteur de tension classique) sont destinés à mesurer la tension de sortie aux bornes de chaque module M_i. De manière connue, dans une batterie de type primaire ou secondaire, la tension à ses bornes (tension de sortie) diminue ou augmente en fonction de son niveau de charge. La tension sera maximale lorsque la batterie est totalement chargée et minimale lorsqu’elle est vide.
Ainsi, en référence à la figure 3, selon sa tension de sortie, le module M_i peut être :
  • Dans un premier état ST1 si sa tension de sortie est supérieure à une première valeur seuil Vth_1 ;
  • Dans un deuxième état ST2 si sa tension de sortie est comprise entre la première valeur seuil Vth_1 et une deuxième valeur seuil Vth_2, inférieure à la première valeur seuil ;
  • Dans un troisième état ST3 si sa tension de sortie est inférieure à la deuxième valeur seuil Vth_2 ;
La première valeur seuil Vth_1 correspond à une valeur de tension haute, choisie pour délimiter une zone de fonctionnement dans laquelle le module M_i fonctionne autour du plateau haut de tension et peut délivrer son maximum de puissance.
La deuxième valeur seuil Vth_2 correspond à une valeur de tension basse qui est inférieure à la première valeur seuil, et qui est choisie pour délimiter une zone de fonctionnement dans laquelle le module M_i fonctionne au niveau du plateau bas de tension.
Les deux valeurs seuils seront choisis en fonction des niveaux de tension de la courbe de décharge du module.
Chaque module peut comporter un identifiant unique. L’état (ST1, ST2 ou ST3) de chaque module est mémorisé en association avec cet identifiant.
En référence à la figure 5A, parmi les N modules du système 1, 10 on a ainsi :
  • Un nombre n1 de modules dans le premier état, n1 pouvant aller de 0 à N ;
  • Un nombre n2 de modules dans le deuxième état, n2 pouvant aller de 0 à N ;
  • Un nombre n3 de modules dans le troisième état, n3 pouvant aller de 0 à N ;
En tenant compte de l’ensemble des modules, on a ainsi :
N=n1+n2+n3
Le système peut également comporter des moyens de mesure du courant en sortie de chaque module.
Pour chaque module, le système 1, 10 peut comporter une unité de gestion déportée (BMS_i pour Battery Management System). Cette unité de gestion déportée peut être amenée à déterminer certains paramètres de fonctionnement du module tels que par exemple :
  • SOH (état de santé du module) ;
  • SOC (état de charge du module) ; Pour rappel, à partir des courbes de décharges connues d'une pile, on peut déterminer l'autonomie restante de la pile (c'est-à-dire son état de charge), en mesurant sa tension de sortie et le courant débité par la pile ;
  • DOD (profondeur de décharge du module) ;
  • Energie totale depuis la première mise en service ;
  • Gestion de la communication avec les autres unités de gestion déportées et avec l’unité centrale ;
Le système 1, 10 comporte une unité centrale UC à laquelle sont reliées les unités de gestion déportées BMS_i décrites ci-dessus et associées chacune à un module M_i distinct. La liaison de communication (non représentée) entre l’unité centrale UC et les unités de gestion déportées peut être de type bus, par exemple un bus CAN.
Cette unité centrale UC peut comporter des moyens de traitement (microprocesseur et mémoire notamment) et des moyens de communication pour communiquer avec les unités de gestion déportées BMS_i. Elle comporte aussi des modules logiciels de gestion destinés à gérer les N modules du système.
De manière non limitative, en référence aux figures 5A et 5B, ces modules logiciels de gestion peuvent être les suivants :
  • Un module d’acquisition des données de mesure de tension réalisées aux bornes de chaque module M_i par les capteurs de tension Um_i ;
  • Un module de comparaison de la tension mesurée aux bornes de chaque module avec les deux valeurs seuils Vth_1, Vth_2 définies ci-dessus, afin de déterminer l’état (ST1, ST2, ST3) de chaque module M_i ;
  • Un module de détermination de l’état de chaque module, parmi le premier état ST1, le deuxième état ST2 et le troisième état ST3, selon la valeur de la tension à ses bornes par rapport aux deux valeurs seuils ;
  • Un module de mémorisation de l’état déterminé pour chaque module, cet état pouvant évoluer au cours du temps, au fur et à mesure de la décharge du module ; Une mise à jour peut être effectuée à intervalles réguliers ;
  • Un module de détermination d’une configuration de fonctionnement du système 1, 10 en tenant compte de certains ou de tous les paramètres suivants :
    • L’état de chaque module M_i du système ;
    • Les caractéristiques des différentes unités Z_j (avec j allant de 1 à M et M supérieur ou égal à 2) à alimenter présentes dans l’installation électrique et en particulier leur besoin individuel de puissance et/ou de tension d’entrée ; Il faut noter que le besoin de puissance et/ou de tension (Uz_j) d’entrée de chaque unité peut évoluer au cours du temps ; L’installation peut par exemple comporter une unité dite haute puissance (alimentation d’un moteur électrique) et une unité dite basse puissance (alimentation d’un circuit de contrôle, de communication, de mesure…), ce qui donne pour cet exemple à deux unités :
      • La tension de consigne (désignée Uz_1, Uz_2 pour chaque unité Z_1 et Z_2) de chaque unité de l’installation électrique à alimenter ;
      • La puissance électrique (Pref_1, Pref_2) nécessaire au fonctionnement de chaque unité de l'installation ;
  • Un module de détermination des commandes à envoyer selon la configuration de fonctionnement déterminée ;
  • Un module d'alerte, configuré pour alerter un opérateur lorsqu'au moins l'un des N modules se trouve dans le troisième état ST3, c'est-à-dire dans un état hors service nécessitant son remplacement ou lorsque parmi les N modules, plus aucun module ne se trouve dans le premier état ST1 ; Cette option d’alerte est pertinente lorsque le système comporte au moins une unité dite haute puissance à alimenter (par exemple un moteur électrique) ;
Selon une particularité de l’invention, la configuration de fonctionnement est liée aux caractéristiques de l'installation électrique à alimenter.
Selon une particularité de l'invention, la configuration de fonctionnement est susceptible d'évoluer au cours du temps, du fait de l'évolution de l'état de chaque module. On verra que si un module passe du premier état ST1 au deuxième état ST2, il peut être nécessaire de modifier la configuration de fonctionnement pour s'assurer que l'installation électrique reste alimentée de la manière souhaitée.
Pour répondre à la configuration de fonctionnement déterminée, le système comporte des moyens de commande.
En référence à la figure 4A, ces moyens de commande peuvent comporter une unité de commande 100_i associée à chaque module M_i. L'unité de commande est agencée et commandée pour définir la topologie de connexion de chaque module M_i sur une installation électrique à alimenter.
L'unité de commande 100_i peut comporter des moyens de commutation, par exemple deux interrupteurs commandables, l'un pour court-circuiter le module M_i par rapport à l'installation électrique à alimenter, l'autre pour connecter le module en série avec l'installation électrique à alimenter. En commandant les interrupteurs de manière adaptée, il est ainsi possible de connecter un seul module parmi les N modules, de connecter plusieurs modules en parallèle ou de connecter plusieurs modules en série parmi les N modules.
Dans une variante de réalisation, comme représenté sur la figure 4B, l'unité de commande de chaque module M_i du système 10 peut également comporter, pour chaque module M_i, un convertisseur de tension déporté, par exemple de type DC/AC (référencé DC/AC_i sur les figures) ou de type DC/DC (non illustré) destiné à convertir une première tension fournie par le module en une deuxième tension variable.
Dans les deux réalisations, les moyens de commande peuvent également comporter un convertisseur central, qui sera de type DC/AC lorsque l'unité de commande associée à chaque module comporte uniquement les moyens de commutation évoqués ci-dessus (réalisation de la figure 4A) ou de type AC/AC lorsque chaque unité de commande intègre un convertisseur de tension déporté de type DC/AC (réalisation de la figure 4B). Selon la configuration, il est entendu que ce convertisseur central peut aussi être de type DC/DC.
Partant de cette architecture du système, l'unité centrale UC peut donc gérer les modules M_i du système en tenant compte des contraintes de l'installation électrique à alimenter.
De manière générale, le principe de gestion mis en œuvre par l'unité centrale UC consiste à exploiter chaque module M_i dans son premier état ST1 puis dans son deuxième état ST2 en adaptant la configuration de fonctionnement à l'état des modules.
Sur la figure 5A, le diagramme représenté illustre le classement des modules par état, réalisé par l'unité centrale UC. Dans sa mémoire, l'unité centrale peut comporter une table répertoriant les modules par état. Cette table comporte ainsi n1 modules dans le premier état ST1, n2 modules dans le deuxième état ST2 et n3 modules dans le troisième état ST3.
La figure 5B illustre pour sa part un principe de détermination d'une configuration de fonctionnement par l'unité centrale UC. L'unité centrale UC dispose de l'état à jour de chacun des modules qu'elle a en gestion. En entrée, l'unité centrale UC peut recevoir au moins une première puissance Pref_1 à fournir et éventuellement une deuxième puissance Pref_2 à fournir. Elle peut également recevoir une ou deux tensions de consigne (Uz_1, Uz_2) correspondant aux puissances (Pref_1, Pref_2). En fonction de ces données d'entrée, l'unité centrale UC établit la configuration de fonctionnement adaptée. Comme on peut le voir sur la figure 5B, elle va activer un nombre X de modules parmi les n1 modules qui sont dans le premier état ST1 et un nombre Y de modules parmi les n2 modules qui sont dans le deuxième état. Elle peut également distribuer l’énergie électrique entre différentes unités Z_1, Z_2 liées aux caractéristiques de puissance et tension ci-dessus. Elle peut activer les convertisseurs de tension de type DC/AC_i associés à chaque module pour convertir la tension fournie en une tension de consigne Uz_j donnée. En parallèle, l'unité centrale UC surveille également l'évolution de l'état de chaque module. Grâce à son module d'alerte, elle peut alerter qu'un module est passé dans le troisième état ST3 ou que le système ne comporte plus aucun module dans le premier état ST1.
Différentes applications du système de l’invention sont décrites ci-dessous.
A titre d'exemple et de manière générale, le système de l'invention présente notamment un intérêt dans une application où les demandes en énergie/puissance de l'installation ne sont pas dissociées. Pour cette application, le système 1, 10 comporte au moins deux modules, un premier module qui est naturellement à une première tension haute (par exemple 25V) pour répondre aux demandes de puissances, un second dont la tension de sortie est basse, mais réhaussée au niveau de la première tension pour répondre à la demande d’énergie. De manière avantageuse, il s'agit de consommer sur la même durée l'énergie disponible dans le premier module qui est dans le premier état ST1 et l'énergie du deuxième module qui est dans le deuxième état ST2. A partir de l'état de charge (SOC) réel de chaque module et de l'évolution de cet état de charge au cours du temps, l'unité centrale UC peut piloter chaque module à la demande pour contrôler la décharge de chaque module et faire en sorte que les deux modules se trouvent dans un état de charge final similaire, à la fin de l'exploitation de l'installation alimentée, permettant un remplacement des deux modules au même moment.
A titre d'exemple, une application particulière du système peut consister à utiliser des modules identiques dans des conditions identiques (courant, tension) les uns après les autres lorsque ceux-ci sont dans le premier état ST1 puis, lorsque tous les modules sont dans le deuxième état ST2, à commander une mise en série de plusieurs modules pour permettre, en définissant le nombre de modules par rapport à une tension de consigne de l'installation, de prolonger la durée de vie du système. Dans cette application, le nombre N de modules devra être suffisant pour qu'une fois connectée en série, ils puissent assurer la fourniture de la tension totale de fonctionnement de l'installation à alimenter. Dans ce mode particulier de fonctionnement, un message d'alerte peut être émis par l'unité centrale UC à destination de l'opérateur pour lui indiquer que le remplacement des modules sera à effectuer dans un futur proche.
Une autre application particulière peut consister à basculer un ou plusieurs modules encore dans le premier état ST1 en module dans le deuxième état ST2 pour les faire fonctionner à une tension moindre. Pour cela, il s’agit d’appliquer une décharge volontaire du module à dégrader en dissipant son énergie dans une résistance de décharge. Cela peut s’avérer pertinent lorsque l’on souhaite que tous les modules soient tous au même niveau de charge, ou pour précipiter le remplacement d’un module.
De manière plus concrète, comme représenté sur la figure 6, le système 1, 10 peut être employé pour fournir l’énergie électrique nécessaire à un ballon-sonde 2, utilisé pour faire des relevés météorologiques. Un tel ballon-sonde dispose de deux unités dissociées :
  • Une première unité Z_1 de puissance comprenant les moteurs électriques du ballon-sonde ;
  • Une deuxième unité Z_2 de mesure/contrôle/communication comprenant les appareils de mesure météorologique du ballon-sonde, son unité centrale, ainsi que ses moyens de communication ;
Le profil d'alimentation de l'unité de puissance est composé de pics de puissance de 100W pendant 30s toutes les vingt minutes environ, ce qui permet une autonomie d’environ 48h pour 150 pics de puissance. Ces impulsions permettent, par vent relativement faible, une bonne orientation du ballon.
Le profil d'alimentation de l'unité de mesure est relativement constant entre 2W et 5W sous une tension Uz_2 de 3V sur une durée identique de 48h, ce qui représente 135 Wh.
Ainsi à partir du système de l'invention, il est possible de répondre aux deux demandes en utilisant deux modules d’architectures identiques M_1, M_2. Le premier module M_1 fonctionnerait dans la gamme standard de fonctionnement des piles primaires Li/MnO2et le second module M_2, pouvant fonctionner dans la seconde partie de la courbe de décharge (tension à 0.3V pour une cellule).
Pour une telle application, on peut envisager un système dont les modules pourraient être composés de cellules Li/MnO2de 1 Ah soit environ 4g de MnO2(pour une capacité restituée de 250 mAh par gramme de MnO2). La structure du module serait par exemple de cinq cellules en parallèle et dix cellules en série soit cinquante cellules.
Pour répondre au besoin "puissance" de l’application, c'est-à-dire l'alimentation de la première unité, le module délivre une tension Uz_1 de 25 V soit 100 W sous 0,8 C pour une énergie de 125 Wh (possibilité de monter à 3 C soit 375 W). Il s’agit ici de la première partie de la décharge pour ce module qui doit être dans un état ST1.
Pour répondre au besoin "énergie" de l’application, c'est-à-dire l'alimentation de la deuxième unité, c’est le second plateau qui peut être utilisé, basé sur un module n’étant pas obligatoirement en état ST1, mais pouvant également être en état ST2. Ce module peut ainsi être issu d’une réutilisation d’un module déjà utilisé. Ici la tension est d’environ 3 V pour une énergie totale de 135 Wh. Si le besoin est de 3 W alors le régime de décharge est de 0,2 C.
Dans cette application, les moyens de commande 100_1 et 100_2 associés à chaque module sont agencés pour pouvoir connecter leur module à la première unité Z_1 de puissance ou à la deuxième unité Z_2.
Dans le cas de cette application ballon-sonde 2, au bout d’une certaine durée (par exemple 48 heures), le module M_2 bascule dans le troisième état ST3. Après la mission du ballon sonde et lors de son reconditionnement, le module M_2 peut être remplacé par un module neuf qui répondra à son tour au besoin "puissance" pour alimenter cette fois-ci la première unité Z_1 de puissance. L’unité centrale UC peut ensuite commander les moyens de commande 100_1 associés au module M_1 pour le connecter à l'alimentation de la deuxième unité Z_2 et ainsi exploiter la plateau basse tension de ce module, avant son remplacement.
Sur la figure 6, on retrouve notamment les différents composant du système conforme à l'invention, notamment l'unité centrale UC, les moyens de mesure de tension Um_1, Um_2 associés à chaque module, les moyens de commande 100_1, 100_2 affectés à chaque module, l'unité de gestion déportée BMS_1, BMS_2 de chaque module.
On comprend que l'invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels :
  • Une solution permettant d'optimiser l'utilisation des modules Li/MnO2grâce à l'exploitation du deuxième palier de tension de la courbe de décharge ;
  • Une solution simple à mettre en œuvre et fiable pour l'alimentation de certaines applications (type ballon-sonde ou autres) ;
  • Une solution qui permet d'exploiter au mieux les caractéristiques d'un module au Li/MnO2, chaque module n'étant pas automatiquement remplacé lorsque sa tension de sortie devient insuffisante et inférieure à la première valeur seuil ;

Claims (15)

  1. Système d'alimentation électrique (1, 10) comportant :
    - N modules (M_i) d'alimentation identiques, N étant supérieur ou égal à 2, chaque module comprenant plusieurs cellules de type Li/MnO2,
    - Des moyens de mesure de tension (Um_i) aux bornes de chaque module,
    - Une unité centrale (UC) reliée aux moyens de mesure de tension, configurée pour recevoir et traiter des données de mesure de tension en provenance des moyens de mesure de tension,
    - Des moyens de commande (100_i) pour connecter/déconnecter chaque module,
    Caractérisé en ce que l'unité centrale (UC) est configurée pour :
    - Acquérir la tension mesurée aux bornes de chaque module,
    - Comparer la tension mesurée aux bornes de chaque module avec une première valeur seuil (Vth_1) et avec une deuxième valeur seuil (Vth_2) inférieure à ladite première valeur seuil,
    - Déterminer l'état de chaque module entre un premier état (ST1) pour lequel sa tension est supérieure à la première valeur seuil, un deuxième état (ST2) pour lequel sa tension est comprise entre la première valeur seuil et la deuxième valeur seuil et un troisième état (ST3) pour lequel sa tension est inférieure à la deuxième valeur seuil,
    - Mémoriser l'état de chaque module (M_i),
    - Déterminer une configuration de fonctionnement en tenant compte, de l'état mémorisé pour chaque module, d'une ou plusieurs puissances de consigne appliquées en entrée, d’une ou plusieurs tensions de consigne appliquée(s) en entrée,
    - Commander les moyens de commande associés à chaque module pour appliquer la configuration de fonctionnement déterminée.
  2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la configuration de fonctionnement est également déterminée en tenant compte de différentes unités à alimenter, et de leur besoin individuel en puissance et tension.
  3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour chaque module, les moyens de commande (100_i) comportent un premier interrupteur agencé en série avec le module et un deuxième interrupteur agencé en parallèle dudit module.
  4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de tension déporté affecté à chaque module.
  5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de tension central auquel est connecté le convertisseur de tension déporté associé à chaque module.
  6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité centrale (UC) est configurée pour tenir compte de l'état de charge de chaque module (M_i) dans la détermination de la configuration de fonctionnement.
  7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'unité centrale (UC) est configurée pour émettre un message d'alerte lorsque plus aucun module (M_i) parmi les N modules ne se trouve dans le premier état (ST1).
  8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'unité centrale (UC) est configurée pour émettre un message d'alerte lorsqu'un module se trouve dans le troisième état (ST3).
  9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de gestion déportée (BMS_i) distincte affectée à la gestion de chaque module (M_i).
  10. Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la première valeur seuil (Vth_1) correspond à une valeur de tension haute, choisie pour délimiter une zone de fonctionnement dans laquelle le module (M_i) de type Li/MnO2 fonctionne autour de son plateau haut de tension et peut délivrer son maximum de puissance.
  11. Système selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la deuxième valeur seuil (Vth_2) correspond à une valeur de tension basse qui est inférieure à la première valeur seuil, et qui est choisie pour délimiter une zone de fonctionnement dans laquelle le module (M_i) de type Li/MnO2 fonctionne au niveau de son plateau bas de tension.
  12. Procédé de commande d'un système d'alimentation électrique tel que défini dans l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    - Mesure de la tension aux bornes de chaque module (M_i),
    - Comparaison de la tension mesurée aux bornes de chaque module avec une première valeur seuil (Vth_1) et avec une deuxième valeur seuil (Vth_2) inférieure à ladite première valeur seuil,
    Détermination de l'état de chaque module entre un premier état (ST1) pour lequel sa tension est supérieure à la première valeur seuil, un deuxième état (ST2) pour lequel sa tension est comprise entre la première valeur seuil et la deuxième valeur seuil et un et un troisième état (ST3) pour lequel sa tension est inférieure à la deuxième valeur seuil,
    - Mémorisation de l'état déterminé pour chaque module (M_i),
    - Détermination d'une configuration de fonctionnement en tenant compte, de l'état mémorisé pour chaque module, d'une ou plusieurs puissances de consigne appliquées en entrée, d’une ou plusieurs tensions de consigne appliquée(s) en entrée,
    - Commande des moyens de commande associés à chaque module pour appliquer la configuration de fonctionnement déterminée.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de génération d'un message d'alerte lorsque plus aucun module (M_i) parmi les N modules ne se trouve dans le premier état (ST1).
  14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de génération d'un message d'alerte lorsqu'un module se trouve dans le troisième état (ST3).
  15. Utilisation du système d'alimentation électrique tel que défini dans l'une des revendications 1 à 11, pour alimenter un ballon-sonde météorologique en utilisant deux modules d'alimentation électrique, un premier module dans le premier état (ST1) pour alimenter une première unité de puissance et un deuxième module dans le deuxième état (ST2) pour alimenter une unité de contrôle/mesure.
FR1908600A 2019-07-29 2019-07-29 Système d'alimentation électrique à modules Li/MnO2 Expired - Fee Related FR3099647B1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1908600A FR3099647B1 (fr) 2019-07-29 2019-07-29 Système d'alimentation électrique à modules Li/MnO2

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1908600 2019-07-29
FR1908600A FR3099647B1 (fr) 2019-07-29 2019-07-29 Système d'alimentation électrique à modules Li/MnO2

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3099647A1 true FR3099647A1 (fr) 2021-02-05
FR3099647B1 FR3099647B1 (fr) 2022-02-25

Family

ID=68987846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1908600A Expired - Fee Related FR3099647B1 (fr) 2019-07-29 2019-07-29 Système d'alimentation électrique à modules Li/MnO2

Country Status (1)

Country Link
FR (1) FR3099647B1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3132147A1 (fr) * 2022-01-25 2023-07-28 Psa Automobiles Sa Surveillance de surtensions de cellules d’une batterie cellulaire d’un système

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090218987A1 (en) * 2008-02-29 2009-09-03 Yuki Tominaga Battery management control system
US20170288431A1 (en) * 2015-03-16 2017-10-05 Thunder Power New Energy Vehicle Development Compa ny Limited Battery pack and connecting circuits of battery modules
US20180269542A1 (en) * 2015-09-30 2018-09-20 Relectrify Pty Ltd Battery system
US20190148701A1 (en) * 2017-11-15 2019-05-16 Nova Semiconductor, Inc. Methods and Systems for Managing Multi-Cell Batteries

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090218987A1 (en) * 2008-02-29 2009-09-03 Yuki Tominaga Battery management control system
US20170288431A1 (en) * 2015-03-16 2017-10-05 Thunder Power New Energy Vehicle Development Compa ny Limited Battery pack and connecting circuits of battery modules
US20180269542A1 (en) * 2015-09-30 2018-09-20 Relectrify Pty Ltd Battery system
US20190148701A1 (en) * 2017-11-15 2019-05-16 Nova Semiconductor, Inc. Methods and Systems for Managing Multi-Cell Batteries

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3132147A1 (fr) * 2022-01-25 2023-07-28 Psa Automobiles Sa Surveillance de surtensions de cellules d’une batterie cellulaire d’un système
WO2023144461A1 (fr) * 2022-01-25 2023-08-03 Psa Automobiles Sa Surveillance de surtensions de cellules d'une batterie cellulaire d'un système

Also Published As

Publication number Publication date
FR3099647B1 (fr) 2022-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3490099B1 (fr) Architecture de modules batterie connectés en parallèle
EP3191337B1 (fr) Procédé de gestion de la plage d'utilisation d'une batterie
EP1774353B1 (fr) Procédé de gestion d'un parc de batteries rechargeables
EP2079148B1 (fr) Circuit electrique
WO2021048477A1 (fr) Procede de commande d'une batterie permettant de commander un courant homogene sur les cellules d'une ligne de courant
EP2600462B1 (fr) Procédé d'équiblibrage des tensions d'éléments électrochimiques disposés dans plusieurs branches en parallèle
FR3039313B1 (fr) Dispositif reconfigurable de stockage d'energie par effet capacitif, systeme d'alimentation et vehicule electrique integrant ce dispositif
EP2416468A2 (fr) Procédé d'équilibrage pour batterie électrique et système de gestion pour batterie mettant en ouvre un tel procédé
EP2079125B1 (fr) Procédé de gestion de la charge d'une batterie
EP3864735A1 (fr) Procédé et dispositif de régulation du niveau de charge d'une batterie de traction d'un véhicule électrique
FR3067878B1 (fr) Procede de charge de batteries pour un aeronef et systeme de stockage d'energie electrique
OA11640A (fr) Procédé de commande d'une centrale électrique associée à une source d'énergie temporellement aléatoire.
CA3183945A1 (fr) Procede de pilotage de charge et de decharge d'une pluralite de dispositifs de stockage d'energie electrique
FR3052928B1 (fr) Procede et systeme de gestion intelligente de batteries electrochimiques d'une installation d'alimentation electrique
EP2530780A1 (fr) Procédé de gestion du fonctionnement d'un système hybride
EP3672024A1 (fr) Procédé et dispositif de commande de recharge et de décharge de batteries d'un ensemble desdites batteries
WO2015032874A1 (fr) Systeme de gestion electrique des blocs d'une batterie en fonction de la puissance requise de la batterie et de la charge des blocs
FR3100670A1 (fr) Procede de commande d’une batterie permettant l’equilibrage des cellules d’une ligne de courant par un courant de charge et decharge
FR2973177A1 (fr) Gestion de batteries electriques
FR3099609A1 (fr) Carte électronique intelligente, de type carte à puce intégrant un système d'alimentation électrique à cellules électriques en Li/MnO2
EP3896819B1 (fr) Assemblage de cellules de stockage ou de production d'énergie électrique comprenant un circuit de gestion des cellules
FR2849298A1 (fr) Dispositif de controle de l'etat de charge, a tension constante, d'un ensemble de batterie a generateurs electrochimiques secondaires
FR3165736A1 (fr) Procédé de charge d’une batterie d’accumulateurs de véhicule automobile
FR3021168A1 (fr) Gestion de micro batterie
WO2026013342A1 (fr) Procede de commande d'un systeme electrique polyphase pour une charge rapide en tension continue

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20210205

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 6

ST Notification of lapse

Effective date: 20260306