FR3154258A1 - Dispositif de stockage d’energie pour une batterie a onduleur distribue comportant un circuit secondaire de by-pass - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif de stockage d’énergie (MCLk) comportant un élément de stockage d’énergie (CLk) fournissant une tension (Vclk) et un circuit principal de commutation (COMk) formant un pont en H dont des états sont pilotables sélectivement, l’élément de stockage d’énergie (CLk) étant apte à délivrer auxdites bornes de connexion, dans un premier état la tension (Vclk), dans un deuxième état la tension inversée et dans un troisième état une tension nulle configurant le dispositif de stockage (MCLk) en état de by-pass de l’élément de stockage (CLk), et comportant en outre un circuit secondaire de by-pass (CCk) du circuit principal de commutation (COMk) connecté électriquement à la première et la deuxième borne de connexion (S1, S2) apte à configurer un quatrième état de by-pass de redondance du circuit principal de commutation (COMk). Figure 1.

Description

DISPOSITIF DE STOCKAGE D’ENERGIE POUR UNE BATTERIE A ONDULEUR DISTRIBUE COMPORTANT UN CIRCUIT SECONDAIRE DE BY-PASS

Le domaine de l’invention concerne un dispositif de stockage d’énergie comportant un circuit secondaire de by-pass pour un système électrique.

La demanderesse a développé une architecture de batterie dite à onduleur multiniveaux distribué qui permet de s’affranchir des convertisseurs de tension habituellement intégrés entre une batterie à cellules électrochimiques et le réseau d’alimentation fonctionnant en tension alternative. Cette architecture a fait l’objet de plusieurs demandes de brevet. On peut citer par exemple les documents WO-A1-2017/153366 et WO-A1-2021/048477. Ils décrivent une architecture de cellules qui comporte des lignes de courant formées par des dispositifs de stockage comportant chacun une cellule électrochimique, ou un cluster de cellules, et un circuit de commutation formant un pont en H. Les dispositifs de stockage sont connectés en série par l’intermédiaire du circuit de commutation de manière à former la structure d’onduleur multiniveaux intégrée dans la batterie. Plus précisément, dans cette architecture, pour chaque dispositif de stockage, l’élément de stockage d’énergie est connecté à deux bornes de connexion par l’intermédiaire du circuit de commutation et est apte à délivrer auxdites bornes de connexion, soit dans un premier état la tension de l’élément de stockage, soit dans un deuxième état la tension inversée et soit dans un troisième état une tension nulle configurant le dispositif de stockage en état de court-circuit de l’élément de stockage.

Une telle architecture permet d’alimenter directement une machine électrique d’un véhicule électrifié pour tout type d’application en électromobilité (par exemple véhicule automobile, bicyclette, train, camion, trottinette, ou même hors route, comme un aéronef, ou un navire), ou dans un autre cas d’utilisation stationnaire être liée à un réseau triphasé par exemple pour de la compensation de réseau ou pour équiper un réseau à énergie renouvelable.

Ce type d’architecture distribuée est susceptible d’être affectée d’une défaillance d’une cellule ou d’un composant électronique du circuit de commutation. On connait de l’état de la technique le document FR-A1-2962608 décrivant une structure de redondance pour un convertisseur statique comprenant un bras principal de conversion statique. Plus précisément, la structure de redondance comporte un bras de conversion de secours et un circuit d’aiguillage électronique configurés de manière à mettre en œuvre le bras de secours après l’isolement du bras principal. Il s’agit donc d’une solution classique de redondance d’un circuit électronique. Ce type de solution présente l’inconvénient du coût élevé et dans le cas particulier de l’architecture de batterie proposée, consisterait à dédoubler chaque module de stockage ou chaque circuit de commutation en pont H d’une ligne de courant intervenant uniquement en cas de défaillance de l’un des deux composants.

Pour éviter un surcoût de redondance des cellules, la stratégie alternative de protection qui est donc prévue est, qu’en cas de défaillance d’un cluster de cellules, par exemple si une cellule est en fin de vie ou s’il est détecté un problème de mesure de la tension ou la température du cluster, une protection pilote le circuit de commutation du cluster défaillant dans un état de by-pass afin de l’isoler de la ligne de courant tout en maintenant celle-ci fonctionnelle par les autres dispositifs de stockage. Le courant traverse directement le dispositif de stockage via le by-pass du circuit de commutation du pont en H. Ainsi, cette architecture présente un premier niveau de tolérance à la panne. Néanmoins, cette tolérance est limitée car lorsque la défaillance se produit sur un des composants du circuit de commutation du pont en H, l’état de by-pass n’est potentiellement plus activable.

Il existe donc un besoin d’améliorer la protection du système électrique en cas de défaillance du circuit de commutation en pont en H. Un objectif de l’invention est de pallier les problèmes précités. Un autre objectif de l’invention est d’améliorer la sécurité électrique pour manipuler le système électrique ou un module de stockage du système électrique. Un objectif est de garantir la continuité de service du système électrique.

Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de stockage d’énergie comportant une première et une deuxième borne de connexion, un élément de stockage d’énergie fournissant une tension et un circuit principal de commutation formant un pont en H dont des états sont pilotables sélectivement, l’élément de stockage d’énergie étant connecté aux deux bornes de connexion par l’intermédiaire du circuit principal de commutation et étant apte à délivrer auxdites bornes de connexion, dans un premier état la tension, dans un deuxième état la tension inversée et dans un troisième état une tension nulle configurant le dispositif de stockage en état de by-pass de l’élément de stockage. Selon l’invention, le dispositif de stockage comporte en outre un circuit secondaire de by-pass du circuit principal de commutation connecté électriquement à la première et la deuxième borne de connexion apte à configurer un quatrième état de by-pass de redondance du circuit principal de commutation.

Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

- Le circuit secondaire de by-pass comporte deux transistors pilotables montés en tête-bêche en source commune entre la première et la deuxième borne de connexion.

- Le circuit secondaire de by-pass est apte à être piloté par défaut dans le quatrième état de by-pass de redondance et comporte en outre un premier circuit de commande comprenant un premier moyen de commande, alimenté par une première alimentation, apte à activer le quatrième état de by-pass de redondance, le premier circuit de commande comportant en outre un deuxième moyen de commande alimenté par une deuxième alimentation apte à activer le quatrième état de by-pass de redondance lorsque le premier moyen de commande est non opérationnel.

- La première alimentation est fournie par une source d’énergie externe au dispositif de stockage et la deuxième alimentation est fournie par l’élément de stockage d’énergie.

- Le circuit secondaire de by-pass comporte un unique transistor bidirectionnel, lequel étant un transistor à l’état passant au repos pour activer le quatrième état de by-pass de redondance, et comporte en outre un deuxième circuit de commande apte à désactiver le quatrième état de by-pass de redondance.

- Le deuxième circuit de commande est alimenté par l’élément de stockage d’énergie.

Il est envisagé en outre un système électrique comportant une batterie de puissance à cellules électrochimiques, la batterie comportant au moins une ligne de courant comportant une pluralité de dispositifs de stockage d’énergie selon l’une quelconque des modes de réalisation précédents, lesdits dispositifs de stockage étant connectés en série dans la ligne de courant de manière à former un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de la ligne de courant en fonction de consignes de référence en tension spécifiques à la ligne de courant, le système comportant en outre une unité de commande apte à piloter chaque dispositif de stockage dans un état de by-pass parmi la pluralité de dispositifs de stockage de la ligne de courant, soit par activation du circuit principal de commutation en pont en H dudit dispositif de stockage, soit par activation du circuit secondaire de by-pass dudit dispositif de stockage.

L’invention prévoit en outre un véhicule électrifié comportant un tel système électrique selon l’invention et un système d’énergie stationnaire comportant un tel système électrique selon l’invention.

L’invention prévoit en outre un procédé de commande d‘un tel système électrique comportant les étapes suivantes :

- le pilotage dans un état d’ouverture du circuit secondaire de by-pass de chaque dispositif de stockage qui est détecté en état de fonctionnement nominal,

- le pilotage du circuit secondaire de by-pass de chaque dispositif de stockage dans un état de by-pass lorsqu’une défaillance est détectée sur le dispositif de stockage de manière à maintenir en service les dispositifs de stockage restants de la ligne de courant.

Selon une variante, le procédé comporte en outre une phase d’initialisation du système comportant les sous-étapes successives suivantes :

- une première sous-étape de commande durant laquelle chaque circuit secondaire de by-pass parmi une pluralité de dispositifs de stockage d’une ligne de courant est commandé par défaut dans un état de by-pass.

- une deuxième sous-étape de détermination de l’état de fonctionnement de chaque dispositif de stockage pour déterminer un état de fonctionnement nominal ou un état de défaillance de chaque dispositif de stockage,

- une troisième sous-étape de commande jusqu’à l’instant de fin de la phase d’initialisation comprenant le pilotage dans un état de by-pass du circuit principal de commutation de chaque dispositif de stockage qui est détecté en état de fonctionnement nominal et le pilotage dans un état de by-pass du circuit secondaire de by-pass de chaque dispositif de stockage qui est détecté en état de défaillance.

Selon une variante du procédé, un état de by-pass de redondance d’un circuit secondaire de by-pass est piloté par défaut par le premier circuit de commande et consiste en la configuration d’un premier moyen de commande alimenté par une première alimentation de sorte à activer l’état de by-pass et en la configuration d’un deuxième moyen de commande alimenté par une deuxième alimentation de sorte à activer l’état de by-pass lorsque le premier moyen de commande est non opérationnel.

Selon une variante du procédé, un état de by-pass de redondance d’un circuit secondaire de by-pass est piloté par défaut par un transistor bidirectionnel ayant un état passant au repos.

L’invention prévoit en outre une unité de commande d’un système électrique comportant des moyens spécifiquement configurés pour mettre en œuvre le procédé de commande selon l’invention.

L’invention prévoit un programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé de commande du système électrique selon l’invention.

Il est prévu en outre un support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre le procédé de commande selon l’invention.

L’invention présente l’avantage d’améliorer la continuité de service d’un système électrique comportant une batterie à onduleur multiniveaux distribué dans la batterie. Le circuit de commande est de plus configuré pour activer par défaut l’état de by-pass de redondance lorsque le véhicule est à l’arrêt ou en maintenance. Cela limite les risques électriques lors de l’intervention d’un opérateur sur les cellules ou lors du transport des modules de cellules.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :

FIG. 1représente un mode de réalisation d’un système électrique comportant une batterie équipée d’un onduleur multiniveaux distribué comprenant des dispositifs de stockage d’énergie selon l’invention.

FIG. 2représente un premier mode de réalisation du circuit secondaire de by-pass selon l’invention.

FIG. 3représente un mode de réalisation du circuit de commande du premier mode de réalisation du circuit secondaire de by-pass.

FIG. 4représente un deuxième mode de réalisation du circuit secondaire de by-pass selon l’invention.

FIG. 5représente schématiquement un procédé de commande d’un système électrique selon l’invention.

FIG. 6représente schématiquement un véhicule électrifié comportant un système selon l’invention.

L’invention concerne un système électrique pour le stockage d’énergie pour les véhicules électrifiés et les systèmes de stockage stationnaires, par exemple pour les installations à énergie renouvelable ou de régulation de réseau. L’invention s’applique à tout type des véhicule électrifiés, c’est-à-dire comprenant une machine électrique motrice et de l’électronique de puissance, 100% électriques ou hybrides, de préférence les véhicules automobiles, mais pas seulement tels les aéronefs, navires, tracteurs, bicyclettes ou bien encore trottinettes ou systèmes autonomes. Le système comporte une batterie électrochimique comportant des dispositifs de stockage d’énergie de cellules interconnectés de manière à former une structure d’onduleur multiniveaux distribuée dans la batterie permettant de connecter la batterie à un système électrique fonctionnant en tension continue et en tension alternative sans l’intermédiaire d’un onduleur. Le système de batterie peut se connecter directement à un réseau d’alimentation électrique étendu et à une machine électrique motrice. L’invention propose un dispositif de stockage permettant de garantir la continuité de service du système électrique en cas de défaillance d’un des dispositifs de stockage.

Dans la présente description, le terme onduleur multiniveaux distribué signifie que la ligne de courant ou chaque ligne de courant de la batterie est formée par une pluralité de dispositifs de stockage connectés en série et chaque dispositif de stockage comporte une cellule ou un cluster de cellules, ainsi qu’un circuit principal de commutation formant un pont en H, l’unité de commande comporte un moyen de pilotage des dispositifs de stockage de la ligne de courant en fonction d’une consigne de référence et est apte à générer une forme d’onde de tension choisie, alternative et continue, sur chaque ligne de courant. Cette architecture fait l’objet d’une description plus détaillée enFIG. 1. Par ailleurs, l’état de by-pass d’un dispositif de stockage signifie qu’une configuration de dérivation du circuit de puissance entre les bornes de connexion est pilotée. Cette configuration a pour effet de déconnecter l’élément de stockage dans une ligne de courant de la batterie et de l’isoler des autres éléments de stockage tout en maintenant la continuité de service du système.

En référence à laFIG. 1, la batterie de puissance BAT comporte une pluralité n de dispositifs de stockage MCLk formant la structure d’onduleur multi-niveaux distribuée dans la batterie et comporte trois lignes de courant LT1, LT2 et LT3 reliées à des branches de phase BP1, BP2 et BP3 et dans lesquelles sont agencés les dispositifs de stockage MCLk. Les dispositifs de stockage MCLk sont reliés en série dans chaque ligne de courant. Les branches de phase BP1, BP2 et BP3 permettent de connecter la batterie à des différents systèmes prévus pour utiliser une tension alternative ou continue. Dans cette configuration triphasée, chaque ligne de courant comporte n/3 dispositifs de stockage. Dans une variante, la batterie comporte une unique ligne de courant connectée à une ligne de courant.

Le système de batterie BAT présente à ses bornes une tension de plusieurs centaines de volts, par exemple 350 Volts ou 1000 Volts. En 350 volts, chaque ligne LT1, LT2, LT3 est équipée par exemple de 24 dispositifs de stockage de cellule ou clusters de cellules connectés en série. Toutefois, selon les besoins électriques, le système de batterie BAT a une tension nominale de seulement plusieurs dizaines de volts (24V, 36V, 48V par exemple), notamment pour les applications de véhicule automobile, ou à une tension maximale de 1500 Volts continu voire au-delà, notamment pour les systèmes de stockage stationnaires.

Dans un premier ensemble de dérivations des branches de phases BP1, BP2 et BP3, le système de batterie BAT comporte des commutateurs haute tension Kres, appelés également contacteurs haute tension, destinés à relier électriquement la batterie BAT à un réseau d’alimentation électrique étendu RES. Chaque ligne de courant LT1, LT2 et LT3 est connectée, via ces dérivations, d’un premier côté à un commutateur de connexion au réseau, KR1, KR2 et KR3 respectivement, et de l’autre côté à une borne neutre N de la batterie. Le réseau d’alimentation RES étendu fonctionne en tension alternative de 50Hz ou 60Hz et comporte une ligne triphasée munie de trois lignes de tension P1, P2 et P3. Le système de batterie BAT est adapté pour générer trois ondes de tensions triphasées décalées de 2π/3. Le pilotage de chaque ligne de courant est similaire, se différenciant seulement par un décalage de 2π/3 entre elles. Le réseau d’alimentation peut fournir une ligne de tension monophasée. Le système de batterie est apte à connecter les trois lignes de courant en série.

Il convient de noter que, grâce à cette architecture d’onduleur multiniveaux distribué dans la batterie, le système électrique ne comporte pas de convertisseur de tension AC/DC entre les lignes de courant LT1, LT2 et LT3 et les branches de phases BP1, BP2 et BP3 fonctionnant en courant alternatif.

Par ailleurs, dans le cas d’un mode de réalisation pour un véhicule électrifié, le système de batterie BAT est la batterie de traction du véhicule et comporte en outre des commutateurs haute tension Kmel destinés à relier électriquement la batterie BAT à une machine électrique motrice MEL. Chaque ligne de courant LT1, LT2 et LT3 est connectée, via un deuxième ensemble de dérivations des branches de phases BP1, BP2 et BP3, d’un premier côté à un commutateur de connexion de la machine électrique, KM1, KM2 et KM3 respectivement, et de l’autre côté à une borne neutre N de la batterie. La machine électrique motrice peut être une machine asynchrone ou synchrone, éventuellement une machine à courant continu du fait que le système de batterie est capable de générer toute forme d’onde de tension, alternative ou continue.

En variante, pour un mode de réalisation d’une installation à énergie renouvelable, le deuxième ensemble de dérivation des branches de phases peut être relié à une installation photovoltaïque ou une installation à dispositif éolien. En variante, la batterie est reliée au réseau d’alimentation électrique à des fins de régulation de réseau.

Par ailleurs, il est prévu un autre ensemble de dérivations permettant de connecter la batterie à un bus de tension continue.

Le système de batterie BAT comporte en outre une unité de commande BMS dont une de ses fonctions est le pilotage de la forme d’onde en tension de chaque ligne LT1, LT2, LT3 en fonction d’une consigne de référence Vref à partir des dispositifs de stockage MCLk. Chaque dispositif de stockage MCLk peut comporter une unique cellule CLk, ou un cluster de cellules CLk pouvant être au nombre de deux, trois, quatre, cinq, six cellules ou plus, formant la tension Vclk. Le dispositif de stockage MCLk comporte en outre un circuit principal de commutation COMk apte à configurer le dispositif de stockage MCLk dans trois états différents pour délivrer la tension Vmclk qui est respectivement dans un premier état ladite tension Vclk, dans un deuxième état la tension Vclk inversée aux bornes de connexion du dispositif MCLk et dans un troisième état de by-pass une tension nulle. La tension nulle permet de déconnecter les cellules de la ligne de courant. Ce troisième état est utilisé pendant le fonctionnement nominal de la batterie et est également utile en cas de disfonctionnement d’une partie du cluster de cellules, par exemple une cellule en fin de vie, cellule défaillante ou une anomalie concernant un capteur de tension ou de température. En cas de défaillance, le circuit principal de commutation permet d’isoler le cluster de cellules tout en maintenant une continuité de service de la ligne de courant, le courant traversant directement le dispositif de stockage via le pont H qui est alors configuré en by-pass dans ce troisième état. Chaque dispositif de stockage MCLk comporte une première borne S1 et une deuxième borne S2 de connexion. Les cellules sont connectées en série, en parallèle, ou en série et en parallèle dans un cluster de cellules.

Le circuit principal de commutation COMk est par exemple constitué de deux parties de commutation formant un pont en H pilotable dans les trois états différents par un signal de commande de l’unité de commande BMS de la batterie BAT adressant spécifiquement le module MCLk. Les états sont représentés par une variable de commande uik pouvant prendre par exemple les valeurs 1, 0, -1 représentant les trois états différents commandant respectivement ladite tension Vclk, ladite tension inversée -Vclk et une tension nulle configurant un état de by-pass auxdites bornes de connexion du dispositif de stockage k adressé par le signal de commande uik. Chaque circuit principal de commutation COMk comprend des composants électroniques, tels que des transistors de puissance, éventuellement de type MOSFET ou HEMT (« High Electron Mobility Transistor » en anglais), pilotés par les signaux de commande de l’unité de commande BMS. Ainsi, la tension Vmclk aux bornes de chaque dispositif de stockage MCLk parmi l’ensemble d’une totalité n de modules peut être pilotée en fonction d’un signal de commande uik selon la relation suivante :

Ainsi, l’unité de commande BMS peut commander sur chaque ligne de tension LT1, LT2 et LT3, toute forme d’onde en tension formée par paliers d’amplitude égale à la tension Vclk en fonction d’une consigne de tension de référence Vref en connectant les cellules en série par l’intermédiaire des circuits principaux de commutations COMk. La consigne de tension de référence Vref peut être de forme sinusoïdale de fréquence de 50 Hz, toute forme alternative, par exemple carré, ou peut être de tension constante par exemple.

En outre, selon l’invention, chaque dispositif de stockage MCLk comporte un circuit secondaire de by-pass CCk du circuit principal de commutation COMk connecté électriquement à la première S1 et la deuxième borne S2 de connexion de la tension du dispositif de stockage MCLk. Le circuit secondaire CCk est apte à configurer un quatrième état de by-pass de redondance du circuit principal de commutation COMk. L’état de by-pass du circuit principal de commutation COMk peut ainsi être configuré en redondance pour garantir la continuité de service du système électrique en cas de défaillance d’un composant du dispositif de stockage, c’est-à-dire l’élément de stockage, le circuit principal ou un circuit de commande du dispositif de stockage. Le circuit secondaire CCk peut être piloté dans un état fermé de by-pass et dans un état ouvert. De préférence, le circuit secondaire CCK est piloté en état de by-pass de redondance par défaut, c’est-à-dire lorsque le système électrique est en situation de veille ou d’arrêt, et en état d’ouverture par activation d’une commande spécifique par la supervision du système.

On rappelle qu’une cellule électrochimique est un accumulateur d’énergie électrique ayant deux bornes et présentant une tension de quelques volts, le plus souvent comprise entre 2,3V et 4,2V, environ. Les cellules peuvent être de type Lithium-ion (un oxyde de Nickel Manganèse Cobalt lithié NMC ou un phosphate lithié de fer LFP peuvent être cités à titre d’exemples de matières actives d’électrode positive), Nickel Cadmium (Ni-cd), Nickel-Métal-Hydrure (Ni-MH) par exemple. Plus précisément, une cellule Lithium-ion est composée principalement d’une électrode positive poreuse, une électrode négative poreuse, un séparateur et un électrolyte (pouvant être liquide, polymérique ou solide). Le principe de fonctionnement d’une cellule Lithium-ion repose sur l’échange réversible d’ions lithium entre les deux électrodes poreuses.

EnFIG. 2, un premier mode de réalisation d’un dispositif de stockage MCLk est représenté schématiquement. La fonction de by-pass en redondance est réalisée par le circuit secondaire CCK qui comporte deux transistors MOSFET de puissance CCk1 et CCk2 (« Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor » en anglais) montés en tête-bêche en source commune reliés électriquement aux deux bornes de connexion S1 et S2 du dispositif de stockage afin d’assurer l’ouverture du circuit secondaire de by-pass CCK quel que soit le signe de la tension à ses bornes. Le pont en H du circuit principal de commutation COMk est constitué de commutateurs, réalisés par des transistors HS1 et HS2 reliés électriquement à la polarité positive V+ de l’élément de stockage et des transistors LS1 et LS2 reliés électriquement à la polarité négative V- de l’élément de stockage CLk. Les transistors HS1, HS2, LS1 et LS2 sont par exemple, des transistors de puissance de type MOSFET dimensionnés similairement aux transistors CCk1 et CCk2. L’élément de stockage CLk comporte par exemple un groupe de six cellules électrochimiques montées en série. Le dispositif de stockage comporte en outre de préférence un circuit amortisseur SNBk connectés en parallèle aux bornes de l’élément de stockage CLk, désigné par le terme anglais « snubber » et constitué de résistances et capacités.

EnFIG. 3, un premier circuit de commande CMD1 du premier mode de réalisation du circuit secondaire de by-pass est représenté schématiquement. Ce circuit de commande CMD1 est configuré de sorte à fournir une commande des transistors CCk1 et CCk2 du circuit secondaire de by-pass dans un état en position fermée par défaut, c’est-à-dire à l’arrêt du système de batterie lorsque la supervision du dispositif de stockage est éteinte, ou lorsque le système de batterie est en maintenance déconnecté d’un réseau électrique alimentant la supervision. Cette stratégie de commande présente l’avantage de prévenir les risques d’électrisation en manipulant l’élément de stockage. Il n’est donc pas non plus nécessaire d’utiliser un équipement de protection individuel pour manipuler un des dispositifs de stockage du système de batterie, ni d’intégrer un mécanisme de protection de type fusible ou sectionneur pour se protéger du court-circuit.

L’activation du circuit secondaire de by-pass est exécutée lorsqu’un premier moyen de commande 32, alimenté par une première alimentation V1 de tension continue, est opérationnel pour fournir une tension de commande de grille aux transistors CCk1 et CCk2. Le premier moyen de commande 32 est une pompe de charge comportant un transistor commandé 31, un condensateur 33, une diode 34, la première alimentation V1 et une résistance 35. La pompe de charge 32 applique, lorsque le transistor 31 reçoit une commande S31, de type signal carré, une tension fournie par l’alimentation V1 au point P1. La tension V1 est par exemple une tension d’environ 12 volts. La tension V1 peut être, pour une application de système électrique de véhicule automobile, la tension du réseau de bord du véhicule, par exemple.

Lorsque le transistor 38 est ouvert, la tension fournie par la deuxième alimentation V2, appliquée au point P1 va, via le transistor 39, s’appliquer sur les électrodes de commande de grille des transistors CCk1 et CCk2 du circuit secondaire CCk de by-pass qui seront commandés fermés quel que soit le niveau de tension au niveau des drains des transistors CCk1 et CCk2. Les transistors sont fermés et le circuit secondaire de by-pass est passant. La deuxième alimentation V2 est la tension du groupe de cellules du dispositif de stockage, la tension d’un groupe de cellules d’un dispositif de stockage adjacent dans la ligne de courant de la batterie ou d’un dispositif plus éloigné, ou bien peut être une alimentation fournie par une source dédiée.

On notera que la première alimentation V1 et la deuxième alimentation V2 sont des sources électriques distinctes. La deuxième alimentation V2 permet de maintenir par défaut l’état de by-pass même lorsque le système de batterie est en maintenance ou déconnecté de la batterie du réseau de bord dans le cas d’une application de véhicule électrifié.

Lorsque la pompe de charge 32 n’est pas opérationnelle, en veille, c’est à dire non alimentée par la tension V1 ou défaillante, un deuxième moyen de commande 36 du premier circuit CMD1 comprenant la diode 41 permet d’alimenter les grilles des transistors MOSFET CCk1 et CCk2 à la tension V2 pendant qu’une résistance de décharge 40 tire la source des transistors CCk1 et CCk2 vers 0 afin de maintenir les transistors fermés dans cet état non opérationnel. Cette activation par défaut, par la tension V2 des cellules du dispositif de stockage par exemple, améliore la protection électrique.

En fonctionnement nominal, la fermeture du transistor 38, par activation d’un signal S38, met le potentiel des électrodes de grille des transistors CCk1 et CCk2 au potentiel 0 volt pour ouvrir lesdits transistors. Le circuit secondaire de by-pass est configuré dans un état ouvert. L’ouverture d’un circuit secondaire de by-pass d’un dispositif de stockage est pilotée en fonctionnement nominal du système de batterie lorsqu’aucun défaut n’est détecté sur ledit dispositif de stockage. Il est prévu des moyens électroniques, un driver, apte à détecter une défaillance du circuit principal de commutation en pont H, par exemple un blocage de transistor en état ouvert, de manière à commander le circuit secondaire de by-pass en état passant.

EnFIG. 4, un deuxième mode de réalisation d’un dispositif de stockage selon l’invention est représenté schématiquement sous la forme d’un circuit électrique isolé, dans lequel le circuit secondaire de by-pass comporte un unique transistor bidirectionnel 42, pouvant être dans cet exemple un transistor de puissance réalisé en matériau semiconducteur GaN (Nitrure de Gallium) configuré à l’état passant au repos. Cela présente l’avantage d’une simplification du circuit de commande de ce circuit secondaire de by-pass 42.

Plus précisément, dans ce deuxième mode de réalisation, le circuit principal de commutation COMk en pont en H est formé des transistors de puissance 46, 47, 48 et 49. Un deuxième circuit de commande CMD2 comporte des moyens de commande comprenant un condensateur de charge 44, une troisième alimentation V3 et un transistor 43 commandé par un signal S43 permettant d’activer le circuit secondaire de by-pass à l’état ouvert. V3 peut être une tension fournie par des cellules électrochimiques du dispositif de stockage. Lorsqu’aucun signal n’est commandé sur le signal S43 du transistor 43, la tension aux bornes de la commande du transistor 42, de type passant à l’état de repos, est nulle et ce transistor 42 est fermé. Lorsqu’on active le signal S43 par un signal carré, le condensateur 44 est chargé par la troisième tension V3, ainsi le transistor 42 s’ouvre.

On notera que les transistors du circuit principal de commutation COMk en pont en H et du circuit secondaire de by-pass peuvent être réalisés par tout type de transistors de puissance adaptés pour des applications de conversion de courant pour une batterie de traction de véhicule électrifié et pour des applications de batteries de puissance stationnaires. Les commutateurs du circuit principal de commutation en pont en H et du circuit secondaire de by-pass peuvent être de technologies identiques ou différentes. Les technologies de transistors MOSFET et HEMT sont cités à titre d’exemples non limitatifs, d’autres technologies sont envisageables comme les transistors IGBT (Transistor Bipolaire à Grille Isolée).

En outre, il est prévu selon l’invention que l’unité de commande BMS du système électrique comportant la batterie, en référence à laFIG. 1, est apte à piloter chaque dispositif de stockage, parmi la pluralité de dispositifs de stockage de la ligne de courant, dans un état de by-pass, soit par activation du circuit principal de commutation en pont en H dudit dispositif de stockage, soit par activation du circuit secondaire de by-pass dudit dispositif de stockage. Il est prévu en outre un procédé de commande spécifiquement prévu pour le contrôle des circuits de by-pass dans le système électrique pour améliorer la continuité de service du système électrique. L’unité de commande BMS est munie d’un calculateur à circuits intégrés et de mémoires électroniques, le calculateur et les mémoires étant configurés pour exécuter le procédé de commande selon l’invention. Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, le calculateur pourrait être externe à l’unité de commande BMS, tout en étant couplé à cette dernière BMS. Dans ce dernier cas, il peut être lui-même agencé sous la forme d’un calculateur dédié comprenant un éventuel programme dédié, par exemple. Par conséquent, l’unité de commande, selon l’invention, peut être réalisée sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels.

EnFIG. 5, un procédé de commande du système électrique comprenant une batterie à onduleur multiniveaux distribué dans la batterie est représenté schématiquement sous la forme d’un diagramme de blocs fonctionnels. En fonctionnement nominal, le procédé de commande du système électrique selon l’invention comporte les étapes suivantes de pilotage E51 dans un état d’ouverture du circuit secondaire de by-pass de chaque dispositif de stockage qui est détecté en état de fonctionnement nominal ou état opérationnel et de pilotage E52 du circuit secondaire de by-pass de chaque dispositif de stockage dans un état de by-pass de redondance lorsqu’une défaillance est détectée sur le dispositif de stockage, soit l’élément de stockage, soit le circuit principal de commutation, soit un circuit de commande, de manière à maintenir la continuité de service des dispositifs de stockage restants de la ligne de courant.

En outre, au démarrage du système électrique, le procédé selon l’invention comporte une phase d’initialisation E50 du système comportant des sous-étapes successives permettant d’améliorer la protection électrique à l’arrêt du système et au démarrage une fois que le système est détecté dans un état opérationnel.

Le procédé comporte une première sous-étape E510 de la phase d’initialisation durant laquelle chaque circuit secondaire de by-pass parmi la pluralité de dispositifs de stockage d’une ligne de courant est commandé par défaut dans l’état de by-pass de redondance. L’état de by-pass du circuit secondaire est configuré, soit par un premier circuit de commande dont l’alimentation est fournie par les cellules électrochimiques du dispositif de stockage ou une alimentation externe spécifique à cet effet, ou en variante soit par un circuit secondaire de by-pass comprenant un transistor passant à l’état de repos. Cette dernière variante évite l’usage d’une alimentation électrique pour piloter cet état.

Le procédé comporte une deuxième sous-étape E520 de détermination de l’état de fonctionnement de chaque dispositif de stockage pour déterminer un état de fonctionnement nominal ou un état de défaillance de chaque dispositif de stockage. Il s’agit de la vérification au démarrage permettant d’activer ou non les circuits principaux de commutation en pont en H dans leur fonctionnement nominal. Un état de défaillance peut être détecté à partir d’un moyen de détection d’un état de blocage d’un des commutateurs du circuit principal de commutation.

Puis, le procédé comporte une troisième sous-étape E530 jusqu’à l’instant de fin de la phase d’initialisation comprenant le pilotage dans un état de by-pass du circuit principal de commutation en pont en H de chaque dispositif de stockage qui est détecté en état de fonctionnement nominal et le pilotage du circuit secondaire de bypass dans un état de by-pass de redondance de chaque dispositif de stockage qui est détecté en état de défaillance. Ainsi, dès le démarrage, les dispositifs défaillants sont isolés des autres dispositifs par le circuit secondaire de by-pass. Les dispositifs de stockage opérationnels sont maintenus en état de by-pass par le circuit principal de commutation en pont H, par mesure de protection, jusqu’au déclenchement de la mise en fonctionnement du système électrique.

EnFIG. 6, un mode de réalisation du système électrique est représenté pour un véhicule électrifié à motorisation entièrement électrique ou motorisation hybride. Le véhicule comporte au moins une machine électrique motrice 64 apte à transmettre un couple aux roues motrices 62 du véhicule à travers une transmission 61. La machine électrique 64 peut être triphasée. Le véhicule comporte un système électrique comportant la batterie 60 selon l’architecture à onduleur multiniveaux distribué dans la batterie conformément à la description faite enFIG. 1. La batterie comporte au moins une ligne de courant, de préférence trois lignes de courant.

Le véhicule comporte en outre une interface de recharge de la batterie 68 à partir d’un réseau d’alimentation fonctionnant en tension alternative. L’interface de recharge 68 est un boitier de recharge connectant électriquement les bornes de la batterie 60 à la borne pour une recharge. L’interface de recharge 68 est apte aussi à une recharge rapide en tension continue. Le système de batterie 60 est avantageux en ce que son unité de commande 65 adapte l’onde de tension en forme alternative ou en forme d’onde continue sans avoir recours à un convertisseur de tension. Le véhicule comporte en outre un système de supervision 66 coopérant avec l’unité de commande 65 du système de batterie 60. Le système de batterie 60 peut être connecté directement électriquement à la machine électrique motrice 64 améliorant ainsi son rendement énergétique en traction. La batterie peut être en outre connectée à un bus de tension continue 63, haute tension, par exemple fonctionnant à une tension nominale comprise entre 350 à 800 volts, par exemple 450 volts, et à un réseau de bord basse tension 67 fonctionnant à une tension nominale de type 12 volts. En outre, l’électronique de puissance 69 comporte un convertisseur DC/DC reliant le bus de tension au réseau de bord 67 (450 volts/12 volts) comprenant une batterie de servitude. Certaines ou toutes les fonctions du véhicule sont contrôlées par le système de supervision 66.

On envisage en outre un système électrique stationnaire, par exemple pour de la régulation de réseau ou pour un système à énergie renouvelable photovoltaïque ou éolien. Ce système électrique est système conforme à celui de laFIG. 1.

Que ce soit pour un véhicule électrifié ou pour un système stationnaire, la batterie 60 comporte au moins une ligne de courant comportant une pluralité de dispositifs de stockage d’énergie comportant, chacun, un circuit secondaire de by-pass du circuit principal de commutation configuré selon l’invention. Les dispositifs de stockage sont connectés en série dans la ou chaque ligne de courant de manière à former un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de la ligne de courant en fonction de consignes de référence en tension spécifiques à la ligne de courant. Le système comporte en outre une unité de commande apte à piloter chaque dispositif de stockage dans un état de by-pass parmi la pluralité de dispositifs de stockage de la ligne de courant, soit par activation du circuit principal de commutation en pont en H dudit dispositif de stockage, soit par activation du circuit secondaire de by-pass dudit dispositif de stockage.

Par défaut, à l’arrêt ou en maintenance, par exemple lorsque le système de batterie est déconnecté du réseau de bord dans le cas d’un véhicule électrique, les cellules électrochimiques sont isolées par défaut grâce au circuit secondaire de by-pass. L’invention améliore la sécurité en maintenance.

L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que la personne de l’art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (10)

1. Dispositif de stockage d’énergie (MCLk) comportant une première et une deuxième borne de connexion (S1, S2), un élément de stockage d’énergie (CLk) fournissant une tension (Vclk) et un circuit principal de commutation (COMk) formant un pont en H dont des états sont pilotables sélectivement, l’élément de stockage d’énergie (CLk) étant connecté aux deux bornes de connexion (S1, S2) par l’intermédiaire du circuit principal de commutation (COMk) et étant apte à délivrer auxdites bornes de connexion, dans un premier état la tension (Vclk), dans un deuxième état la tension inversée et dans un troisième état une tension nulle configurant le dispositif de stockage (MCLk) en état de by-pass de l’élément de stockage (CLk), caractérisé en ce qu’il comporte en outre un circuit secondaire de by-pass (CCk) du circuit principal de commutation (COMk) connecté électriquement à la première et la deuxième borne de connexion (S1, S2) apte à configurer un quatrième état de by-pass de redondance du circuit principal de commutation (COMk).
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le circuit secondaire de by-pass (CCk) comporte deux transistors pilotables (CCk1, CCk2) montés en tête-bêche en source commune entre la première et la deuxième borne de connexion (S1, S2).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le circuit secondaire de by-pass (CCk) est apte à être piloté par défaut dans le quatrième état de by-pass de redondance et comporte en outre un premier circuit de commande (CMD1) comprenant un premier moyen de commande (32), alimenté par une première alimentation (V1), apte à activer le quatrième état de by-pass de redondance, le premier circuit de commande comportant en outre un deuxième moyen de commande (36) alimenté par une deuxième alimentation (V2) apte à activer le quatrième état de by-pass de redondance lorsque le premier moyen de commande (32) est non opérationnel.
4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel la première alimentation (V1) est fournie par une source d’énergie externe au dispositif de stockage (MCLk) et la deuxième alimentation (V2) est fournie par l’élément de stockage d’énergie (CLk).
5. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le circuit secondaire de by-pass comporte un unique transistor bidirectionnel (42), lequel étant un transistor à l’état passant au repos pour activer le quatrième état de by-pass de redondance, et comporte en outre un deuxième circuit de commande (CMD2) apte à désactiver le quatrième état de by-pass de redondance.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le deuxième circuit de commande (CMD2) est alimenté par l’élément de stockage d’énergie (CLk).
7. Système électrique comportant une batterie de puissance (BAT) à cellules électrochimiques (CLk), la batterie (BAT) comportant au moins une ligne de courant (LT1) comportant une pluralité de dispositifs de stockage d’énergie (MCLk) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, lesdits dispositifs de stockage (MCLk) étant connectés en série dans la ligne de courant (LT1) de manière à former un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie (BAT) apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de la ligne de courant (LT1) en fonction de consignes de référence en tension (Vref1) spécifiques à la ligne de courant, le système comportant en outre une unité de commande (BMS) apte à piloter chaque dispositif de stockage (MCLk) dans un état de by-pass parmi la pluralité de dispositifs de stockage de la ligne de courant (LT1), soit par activation du circuit principal de commutation en pont en H (COMk) dudit dispositif de stockage, soit par activation du circuit secondaire de by-pass (CCk) dudit dispositif de stockage.
8. Véhicule électrifié comportant un système électrique selon la revendication 7.
9. Système d’énergie stationnaire comportant un système électrique selon la revendication 7.
10. Procédé de commande d‘un système électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes:
    - le pilotage (E51) dans un état d’ouverture du circuit secondaire de by-pass (CCk) de chaque dispositif de stockage (MCLk) qui est détecté en état de fonctionnement nominal,
    - le pilotage (E52) du circuit secondaire de by-pass (CCk) de chaque dispositif de stockage (MCLk) dans un état de by-pass lorsqu’une défaillance est détectée sur le dispositif de stockage de manière à maintenir en service les dispositifs de stockage restants de la ligne de courant.