FR3161325A1 - BATTERY COMPRISING ELECTROCHEMICAL CELLS DISTRIBUTED IN SEVERAL DISTINCT CLUSTER VOLTAGES - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet une batterie de puissance comportant une pluralité de modules élémentaires de stockage d’énergie connectés en série dans au moins une ligne de courant de manière à former un onduleur multiniveaux distribué dans la batterie et dans laquelle la pluralité de modules élémentaires comporte au moins un premier module élémentaire dans lequel les cellules électrochimiques (21) du cluster (CL1) sont interconnectées selon une première configuration d’interconnexion déterminant un premier niveau de tension de cluster (VCL1) et un deuxième module élémentaire dans lequel les cellules électrochimiques (24) du cluster (CL4) sont interconnectées selon une deuxième configuration d’interconnexion déterminant un deuxième niveau de tension de cluster (VCL4), le deuxième niveau de tension de cluster (VCL4) étant la tension de cluster maximale de la batterie et le premier niveau de tension de cluster (VCL1) étant strictement inférieur au deuxième niveau de tension de cluster (VCL4). Figure 2. The present invention relates to a power battery comprising a plurality of elementary energy storage modules connected in series in at least one current line so as to form a multi-level inverter distributed in the battery and in which the plurality of elementary modules comprises at least a first elementary module in which the electrochemical cells (21) of the cluster (CL1) are interconnected according to a first interconnection configuration determining a first cluster voltage level (VCL1) and a second elementary module in which the electrochemical cells (24) of the cluster (CL4) are interconnected according to a second interconnection configuration determining a second cluster voltage level (VCL4), the second cluster voltage level (VCL4) being the maximum cluster voltage of the battery and the first cluster voltage level (VCL1) being strictly lower than the second cluster voltage level (VCL4). Figure 2.
Description
Le domaine de l’invention concerne une batterie de puissance, notamment pour les véhicules électrifiés et les systèmes de stockage d’énergie stationnaires.The field of the invention relates to a power battery, in particular for electrified vehicles and stationary energy storage systems.
Les véhicules électrifiés sont équipés d’une batterie de traction à cellules électrochimiques généralement de type Lithium-ion. A ce jour, les coûts, les rendements électriques et les densités d’énergie de ces systèmes limitent encore une adoption à grande échelle pour ces véhicules. Les constructeurs automobiles cherchent continuellement de nouvelles solutions pour répondre à ces défis technologiques.Electrified vehicles are equipped with a traction battery, typically made of lithium-ion electrochemical cells. To date, the costs, electrical efficiency, and energy density of these systems still limit their widespread adoption in these vehicles. Automakers are continuously seeking new solutions to address these technological challenges.
La demanderesse a développé une architecture à onduleur multiniveaux distribué qui permet d’éviter l’usage des convertisseurs de tension habituellement intégrés entre une batterie et le réseau d’alimentation fonctionnant en tension alternative. Cette architecture a fait l’objet de plusieurs demandes de brevet par la demanderesse. 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 modules élémentaires comportant chacun une cellule électrochimique, ou un cluster de cellules, et un module de commutation formant un pont en H. Ces documents décrivent en outre des procédés de commande innovants de cette architecture permettant l’équilibrage en état de charge des cellules et la génération de courant électrique polyphasé ou continu.The applicant has developed a distributed multilevel inverter architecture that eliminates the need for voltage converters typically integrated between a battery and the AC power grid. This architecture has been the subject of several patent applications by the applicant. Examples include documents WO-A1-2017/153366 and WO-A1-2021/048477. These documents describe a cell architecture comprising current lines formed by elementary modules, each containing an electrochemical cell, or a cluster of cells, and a switching module forming an H-bridge. These documents further describe innovative control methods for this architecture, enabling the balancing of cell charge states and the generation of polyphase or direct current.
Plus précisément, dans cette architecture les fonctions de puissance sont assurées par des cartes électroniques réalisant la fonction de conversion DC/AC situées à proximité des cellules et sont basées sur de l’électronique de commutation en très basse tension. A chaque instant, les clusters de cellules sont sollicités indifféremment par des impulsions de courant. L’onde de tension produite sur chaque ligne de courant est fonction du nombre de clusters activés. En outre, dans le cas d’une application stationnaire, l’architecture à onduleur multiniveaux distribué permet de générer directement en sortie de la batterie un réseau triphasé, ce qui permet de supprimer l’onduleur bidirectionnel classique.More specifically, in this architecture, power functions are handled by electronic boards performing the DC/AC conversion, located near the cells and based on very low-voltage switching electronics. At any given moment, the cell clusters are indiscriminately activated by current pulses. The voltage waveform produced on each current line is a function of the number of activated clusters. Furthermore, in the case of a stationary application, the distributed multilevel inverter architecture allows for the direct generation of a three-phase network from the battery output, thus eliminating the need for a conventional bidirectional inverter.
Il existe un besoin de pallier les problèmes précités. En particulier, un objectif de l’invention est de proposer une architecture améliorée de batterie à onduleur multiniveaux distribué. Un objectif est de proposer une solution de contrôle permettant d’accroitre la qualité des ondes de puissance pour les échanges avec un réseau électrique. En outre, un objectif est de proposer une batterie ayant un coût inférieur.There is a need to address the aforementioned problems. In particular, one objective of the invention is to provide an improved architecture for a distributed multilevel inverter battery. Another objective is to offer a control solution that enhances the quality of power waves for exchanges with an electrical grid. Furthermore, another objective is to provide a lower-cost battery.
Plus précisément, l’invention concerne une batterie de puissance comportant une pluralité de modules élémentaires de stockage d’énergie connectés en série dans au moins une ligne de courant, chaque module élémentaire comprenant un cluster de cellules électrochimiques et un module de commutation comprenant un pont en H, les cellules électrochimiques de chaque cluster étant interconnectées électriquement selon une configuration d’interconnexion au sein de chaque cluster déterminant un niveau de tension de cluster et les modules élémentaires étant interconnectés en série par l’intermédiaire des modules de commutation 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 par la connexion en série d’une sélection commandée de modules élémentaires parmi la pluralité.More specifically, the invention relates to a power battery comprising a plurality of elementary energy storage modules connected in series in at least one current line, each elementary module comprising a cluster of electrochemical cells and a switching module comprising an H-bridge, the electrochemical cells of each cluster being electrically interconnected according to an interconnection configuration within each cluster determining a cluster voltage level and the elementary modules being interconnected in series via the switching modules so as to form a multilevel inverter distributed in the battery capable of generating a selected voltage waveform across the current line by connecting in series a controlled selection of elementary modules from the plurality.
Selon l’invention, la pluralité de modules élémentaires comporte au moins un premier module élémentaire dans lequel les cellules électrochimiques du cluster sont interconnectées selon une première configuration d’interconnexion déterminant un premier niveau de tension de cluster et un deuxième module élémentaire dans lequel les cellules électrochimiques du cluster sont interconnectées selon une deuxième configuration d’interconnexion déterminant un deuxième niveau de tension de cluster et la première et la deuxième configuration d’interconnexion sont agencées de sorte que le deuxième niveau de tension de cluster est la tension de cluster maximale de la batterie et dans laquelle le premier niveau de tension de cluster est strictement inférieur au deuxième niveau de tension de cluster. Le premier et le deuxième niveau de tension de cluster sont des valeurs multiples de la tension individuelle des cellules électrochimiques, ces valeurs étant distinctes l’une de l’autre.According to the invention, the plurality of elementary modules comprises at least one first elementary module in which the electrochemical cells of the cluster are interconnected according to a first interconnection configuration determining a first cluster voltage level, and a second elementary module in which the electrochemical cells of the cluster are interconnected according to a second interconnection configuration determining a second cluster voltage level. The first and second interconnection configurations are arranged such that the second cluster voltage level is the maximum cluster voltage of the battery, and the first cluster voltage level is strictly lower than the second cluster voltage level. The first and second cluster voltage levels are multiples of the individual voltage of the electrochemical cells, these values being distinct from one another.
Selon une variante, le premier niveau de tension de cluster est égal à une valeur comprise entre un quart et trois quarts du deuxième niveau de tension de cluster, ou est égal à la moitié du deuxième niveau de tension de cluster, ou est égal à un tier du deuxième niveau de tension de cluster.According to one variant, the first cluster voltage level is equal to a value between one quarter and three quarters of the second cluster voltage level, or is equal to half of the second cluster voltage level, or is equal to one third of the second cluster voltage level.
Selon une variante, la première configuration d’interconnexion comprend les cellules électrochimiques connectées électriquement en série et en parallèle au sein du cluster, ou la première configuration d’interconnexion comprend toutes les cellules électrochimiques connectées électriquement en parallèle au sein du cluster.According to one variant, the first interconnection configuration includes electrochemical cells electrically connected in series and in parallel within the cluster, or the first interconnection configuration includes all electrochemical cells electrically connected in parallel within the cluster.
Selon une variante, la deuxième configuration d’interconnexion comprend toutes les cellules électrochimiques connectées électriquement en série au sein du cluster, ou la deuxième configuration d’interconnexion comprend les cellules électrochimiques connectées électriquement en série et en parallèle au sein du cluster.According to one variant, the second interconnection configuration includes all electrochemical cells electrically connected in series within the cluster, or the second interconnection configuration includes electrochemical cells electrically connected in series and in parallel within the cluster.
Selon une variante, la pluralité de modules élémentaires comporte en outre un troisième module élémentaire dans lequel les cellules électrochimiques sont interconnectées selon une troisième configuration d’interconnexion déterminant un troisième niveau de tension de cluster et dans laquelle la troisième configuration d’interconnexion comprend les cellules électrochimiques connectées électriquement en série et en parallèle au sein du cluster de sorte que le troisième niveau de tension de cluster a une valeur intermédiaire entre le premier niveau de tension et le deuxième niveau de tension.According to one variant, the plurality of elementary modules further comprises a third elementary module in which the electrochemical cells are interconnected according to a third interconnection configuration determining a third cluster voltage level and in which the third interconnection configuration comprises the electrochemical cells electrically connected in series and in parallel within the cluster such that the third cluster voltage level has an intermediate value between the first voltage level and the second voltage level.
Selon une variante, les modules élémentaires de la pluralité ont tous un même nombre pair de cellules électrochimiques au sein du cluster et dans laquelle les deuxième et troisième configurations d’interconnexion sont agencées de sorte que le deuxième et le troisième niveaux de tension sont des valeurs égales à une puissance de deux multipliée par la valeur du premier niveau de tension.According to one variant, the elementary modules of the plurality all have the same even number of electrochemical cells within the cluster and in which the second and third interconnection configurations are arranged so that the second and third voltage levels are values equal to a power of two multiplied by the value of the first voltage level.
Selon une variante, le premier module élémentaire comporte le module de commutation en pont en H constitué de commutateurs ayant une résistance interne drain-source inférieure à la résistance interne drain-source des commutateurs du module de commutation en pont en H du deuxième module élémentaire.According to one variant, the first elementary module includes the H-bridge switching module consisting of switches having an internal drain-source resistance lower than the internal drain-source resistance of the switches in the H-bridge switching module of the second elementary module.
Il est prévu en outre selon l’invention un système électrique comprenant au moins une branche de phase et une batterie de puissance selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, dans lequel la batterie comporte au moins une ligne de courant reliée électriquement à la branche de phase, la ligne de courant comprenant au moins le premier et le deuxième module élémentaire de la pluralité de modules élémentaires, le système comportant une unité de commande configurée pour connecter en série dans la ligne de courant une sélection commandée de modules élémentaires pour générer une onde de tension choisie aux bornes de la ligne de courant et dans lequel la sélection commandée comporte au moins le premier et le deuxième module élémentaire.The invention further provides for an electrical system comprising at least one phase branch and a power battery according to any one of the preceding embodiments, wherein the battery includes at least one current line electrically connected to the phase branch, the current line comprising at least the first and second elementary module of the plurality of elementary modules, the system comprising a control unit configured to connect in series in the current line a controlled selection of elementary modules to generate a selected voltage wave across the terminals of the current line and wherein the controlled selection comprises at least the first and second elementary module.
Il est prévu en outre selon l’invention un système de stockage d’énergie stationnaire comportant un tel système électrique.The invention also provides for a stationary energy storage system comprising such an electrical system.
Il est prévu en outre selon l’invention un véhicule électrifié comportant un tel système électrique, par exemple un véhicule automobile électrifié à chaine de traction au moins partiellement électrifiée comprenant un tel système électrique.The invention also provides for an electrified vehicle comprising such an electrical system, for example an electrified motor vehicle with at least partially electrified drivetrain comprising such an electrical system.
Il est prévu en outre selon l’invention un procédé de commande d’une batterie de puissance comportant une pluralité de modules élémentaires de stockage d’énergie connectés en série dans au moins une ligne de courant, chaque module élémentaire comprenant un cluster de cellules électrochimiques et un module de commutation comprenant un pont en H, les cellules électrochimiques de chaque cluster étant interconnectées électriquement selon une configuration d’interconnexion au sein de chaque cluster déterminant un niveau de tension de cluster et les modules élémentaires étant interconnectés en série par l’intermédiaire des modules de commutation 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 par la connexion en série d’une sélection commandée de modules élémentaires parmi la pluralité, le procédé étant mis en œuvre par une unité de commande de la batterie et comporte les étapes suivantes :The invention further provides a method for controlling a power battery comprising a plurality of elementary energy storage modules connected in series in at least one current line, each elementary module comprising a cluster of electrochemical cells and a switching module comprising an H-bridge, the electrochemical cells of each cluster being electrically interconnected according to an interconnection configuration within each cluster determining a cluster voltage level, and the elementary modules being interconnected in series via the switching modules so as to form a multilevel inverter distributed in the battery capable of generating a selected voltage waveform across the current line by connecting in series a controlled selection of elementary modules from the plurality, the method being implemented by a battery control unit and comprising the following steps:
- la détermination d’une consigne de tension à générer aux bornes de la ligne de courant,- determining the voltage setpoint to be generated across the terminals of the current line,
- la connexion en série parmi la pluralité de modules élémentaire d’au moins un premier module élémentaire délivrant un premier niveau de tension de cluster et d’au moins un deuxième module élémentaire délivrant un deuxième niveau de tension de cluster pour générer une onde de tension en fonction de la consigne, le deuxième niveau de tension de cluster étant la tension de cluster maximale de la batterie et dans laquelle le premier niveau de tension de cluster est strictement inférieur au deuxième niveau de tension de cluster.- the series connection among the plurality of elementary modules of at least one first elementary module delivering a first cluster voltage level and at least one second elementary module delivering a second cluster voltage level to generate a voltage wave as a function of the setpoint, the second cluster voltage level being the maximum cluster voltage of the battery and in which the first cluster voltage level is strictly less than the second cluster voltage level.
L’invention prévoit un programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande d’une batterie de puissance, conduisent celui-ci à mettre en œuvre un tel procédé de commande.The invention provides a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a power battery control unit, cause the latter to implement such a control method.
L’invention prévoit une unité de commande d’une batterie de puissance comportant des moyens spécifiquement configurés pour mettre en œuvre le procédé de commande selon l’invention.The invention provides a power battery control unit comprising means specifically configured to implement the control method according to the invention.
L’invention prévoit 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.The invention provides a computer-readable recording medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to implement the control method according to the invention.
L’invention permet d’échelonner les sauts de tension, pour une architecture de batterie à onduleur multiniveaux distribué dans la batterie, selon des niveaux différents lors de la génération d’une onde de tension afin d’améliorer la régulation de tension et la qualité d’onde générée. L’invention permet en outre de diminuer le nombre de composants de commutation en pont en H et par conséquent le coût et le rendement énergétique de la batterie.The invention enables the staggering of voltage jumps, for a battery architecture with a distributed multilevel inverter within the battery, according to different levels during the generation of a voltage waveform in order to improve voltage regulation and the quality of the generated waveform. The invention also makes it possible to reduce the number of switching components in the H-bridge configuration and consequently the cost and energy efficiency of the battery.
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 :Other features and advantages of the present invention will become more apparent upon reading the following detailed description, which includes embodiments of the invention given by way of non-limiting examples and illustrated by the accompanying drawings, in which:
L’invention s’applique aux véhicules électrifiés comprenant une chaine de traction électrique entrainés, au moins partiellement, par une machine électrique, c’est-à-dire à motorisation entièrement électrique ou hybride, de préférence les véhicules automobiles, mais pas seulement tels les aéronefs, camions, tracteur, bicyclettes, navires. L’invention trouve en outre une application pour les systèmes de stockage stationnaires, par exemple les installations à énergie renouvelable ou de régulation de réseau. La batterie de puissance comporte des modules élémentaires de cellules électrochimiques interconnectés de manière à former une structure d’onduleur multiniveaux distribuée dans la batterie permettant de connecter celle-ci à un système électrique fonctionnant en tension continue ou 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.The invention applies to electrified vehicles comprising an electric drivetrain powered, at least partially, by an electric machine, i.e., with a fully electric or hybrid motor, preferably motor vehicles, but not exclusively, such as aircraft, trucks, tractors, bicycles, and ships. The invention also finds application in stationary storage systems, for example, renewable energy or grid regulation installations. The power battery comprises elementary modules of electrochemical cells interconnected to form a distributed multilevel inverter structure within the battery, allowing it to be connected to an electrical system operating at direct or alternating voltage without the intermediary of an inverter. The battery system can be connected directly to an extended power grid and to an electric drive machine.
En référence à la
Conformément à l’invention, chaque ligne LT1, LT2, LT3 comprend une pluralité de modules élémentaires comportant des clusters CLk de cellules électrochimiques, lesquelles peuvent être interconnectées distinctement au sein de chaque cluster CLk pour délivrer une tension de cluster spécifique à chaque CLk. Un cluster de cellules CLk peut comporter deux, trois, quatre, cinq, six, huit cellules ou plus, formant la tension de cluster Vclk. Cela permet d’échelonner les sauts de tension selon des niveaux différents lors de la génération d’une onde de tension afin d’améliorer la régulation de tension et donc la qualité d’onde générée. Le niveau de tension d’un cluster est fonction de l’agencement des branchements électriques entre cellules électrochimiques. Les branchements d’interconnexion au sein d’un cluster CLk peuvent être en série, en parallèle, ou bien en série et parallèle. Le niveau de tension de cluster correspond à l’amplitude de la tension lorsque le module de commutation COMk dudit cluster connecte la tension des cellules à ses bornes de connexion.According to the invention, each LT1, LT2, LT3 line comprises a plurality of elementary modules containing CLk clusters of electrochemical cells, which can be interconnected separately within each CLk cluster to deliver a specific cluster voltage to each CLk. A CLk cell cluster can contain two, three, four, five, six, eight, or more cells, forming the cluster voltage Vclk. This allows voltage jumps to be staggered at different levels during the generation of a voltage waveform in order to improve voltage regulation and thus the quality of the generated waveform. The voltage level of a cluster depends on the arrangement of the electrical connections between electrochemical cells. The interconnection connections within a CLk cluster can be in series, in parallel, or in both series and parallel. The cluster voltage level corresponds to the amplitude of the voltage when the COMk switching module of said cluster connects the cell voltage to its connection terminals.
Une valeur minimale du niveau de tension est équivalente à la tension d’une cellule électrochimique individuelle, soit environ 4,2 volts pour une cellule de type Lithium-ion. La valeur 4,2 volts est indiquée à titre d’exemple illustratif. D’autres valeurs sont envisageables en fonction de la chimie choisie pour la cellule électrochimique. Le saut de tension minimum possible dans une ligne de courant est ainsi dépendant de la chimie de cellule utilisée pour un module élémentaire.A minimum voltage level is equivalent to the voltage of an individual electrochemical cell, approximately 4.2 volts for a lithium-ion cell. The 4.2-volt value is given as an illustrative example. Other values are possible depending on the chemistry chosen for the electrochemical cell. The minimum possible voltage jump in a current line is therefore dependent on the cell chemistry used for a given module.
Une valeur maximale dépend de la configuration d’interconnexion au sein d’un cluster en nombre de cellules électrochimiques connectées en série, par exemple 33,6 volts pour huit cellules connectées en série. Les configurations d’interconnexion sont configurables en fonction des spécificités électriques recherchées en capacité et tension de fonctionnement. Des exemples seront fournis plus en détail dans la suite de la description.The maximum value depends on the interconnection configuration within a cluster, specifically the number of electrochemical cells connected in series; for example, 33.6 volts for eight cells connected in series. Interconnection configurations are configurable according to the desired electrical specifications for capacitance and operating voltage. More detailed examples will be provided later in this description.
En outre, on rappelle qu’une cellule électrochimique est un élément électrochimique de stockage d’énergie ayant deux bornes de connexion électrique 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), Sodium-ion, 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.Furthermore, it is worth recalling that an electrochemical cell is an electrochemical energy storage device with two electrical connection terminals and a voltage of a few volts, most often between 2.3V and 4.2V. Cells can be of the lithium-ion type (lithiumized nickel manganese cobalt oxide (NMC) or lithium iron phosphate (LFP) are examples of active materials for the positive electrode), nickel cadmium (Ni-Cd), nickel metal hydride (Ni-MH), or sodium-ion, for example. More specifically, a lithium-ion cell is primarily composed of a porous positive electrode, a porous negative electrode, a separator, and an electrolyte (which can be liquid, polymeric, or solid). The operating principle of a lithium-ion cell is based on the reversible exchange of lithium ions between the two porous electrodes.
En retour à la description générale de l’architecture de la batterie BAT, 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. Le système de batterie BAT délivre à ses bornes une tension de plusieurs centaines de volts, par exemple d’amplitude maximale de 350, 400, 450, 500 ou 1000 volts. Toutefois, d’autres tensions sont possibles à des valeurs inférieures 24 volts, 36 volts, 48 volts par exemple, ou à des valeurs supérieures de 1500 volts ou plus, notamment pour les systèmes stationnaires.Returning to the general description of the BAT battery architecture, the phase branches BP1, BP2, and BP3 allow the battery to be connected to various systems designed to use alternating or direct current voltage. The BAT battery system delivers a voltage of several hundred volts at its terminals, for example, with a maximum amplitude of 350, 400, 450, 500, or 1000 volts. However, other voltages are possible, such as lower values like 24 volts, 36 volts, or 48 volts, or higher values of 1500 volts or more, particularly for stationary systems.
Dans un premier ensemble de dérivation des branches de phases BP1, BP2 et BP3, le système de batterie BAT comporte des commutateurs haute tension Kres, appelés également contacteurs haute tension ou relais, 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 50 Hz ou 60 Hz 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.In a first branch circuit of phase branches BP1, BP2, and BP3, the battery system BAT includes high-voltage switches Kres, also called high-voltage contactors or relays, for electrically connecting the battery BAT to an extended power supply network RES. Each current line LT1, LT2, and LT3 is connected, via these branches, on one side to a network connection switch, KR1, KR2, and KR3 respectively, and on the other side to a neutral terminal N of the battery. The extended power supply network RES operates at 50 Hz or 60 Hz AC voltage and consists of a three-phase line with three voltage lines P1, P2, and P3. The battery system BAT is adapted to generate three three-phase voltage waves offset by 2π/3. The control of each current line is similar, differing only by a 2π/3 offset between them.
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.It should be noted that, thanks to this multilevel inverter architecture distributed in the battery, the electrical system does not include an AC/DC voltage converter between the LT1, LT2 and LT3 power lines and the BP1, BP2 and BP3 phase branches operating on alternating current.
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.Furthermore, in an embodiment for an electrified vehicle, the battery system BAT is the vehicle's traction battery and also includes high-voltage switches Kmel for electrically connecting the battery BAT to a drive electric machine MEL. Each current line LT1, LT2, and LT3 is connected, via a second set of phase branch connections BP1, BP2, and BP3, on one side to a drive electric machine connection switch, KM1, KM2, and KM3 respectively, and on the other side to a neutral terminal N of the battery. The drive electric machine can be an asynchronous or synchronous machine, possibly a DC machine, since the battery system is capable of generating any voltage waveform, AC or DC.
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.Alternatively, for a renewable energy installation, the second phase branch connection can be connected to a photovoltaic or wind turbine system. Alternatively, the battery is connected to the power grid for grid regulation purposes.
Par ailleurs, il est prévu un autre ensemble de dérivations permettant de connecter la batterie à un bus de tension continue, appelé également bus haute tension, pour les besoins d’un véhicule électrifié, notamment. Ce dernier ensemble de dérivation comporte par exemple des systèmes haute tension et un convertisseur de tension DC/DC pour les besoins d’un réseau de bord fonctionnant en 12 volts.Furthermore, another set of connections is planned to connect the battery to a DC voltage bus, also called a high-voltage bus, for the needs of an electrified vehicle, among other things. This latter set of connections includes, for example, high-voltage systems and a DC/DC voltage converter for the requirements of an on-board network operating at 12 volts.
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 modules élémentaires MCLk. Le module de commutation COMk est apte à configurer le module élémentaire MCLk dans trois états différents pour délivrer la tension Vmclk qui est respectivement ladite tension de cluster Vclk, une tension nulle et la tension de cluster Vclk inversée auxdites bornes de connexion du module MCLk.The BAT battery system also includes a BMS control unit, one of whose functions is to control the voltage waveform of each line LT1, LT2, LT3 according to a reference setpoint Vref from the MCLk element modules. The COMk switching module is capable of configuring the MCLk element module in three different states to deliver the Vmclk voltage, which is respectively the cluster voltage Vclk, a zero voltage, and the inverted cluster voltage Vclk to the MCLk module's connection terminals.
Le module 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 la tension de cluster Vclk, une tension nulle et la tension inversée -Vclk auxdites bornes de connexion du module élémentaire MCLk adressé par le signal de commande uik. Chaque module de commutation COMk comprend des composants électroniques, tels que des transistors de puissance, éventuellement de type MOSFET (« Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ») ou HEMT (« High Electron Mobility Transistor » en anglais), pilotés par les signaux de commande de l’unité de commande BMS.The COMk switching module, for example, consists of two switching sections forming an H-bridge that can be controlled in three different states by a control signal from the battery management system (BMS) (BAT) specifically addressing the MCLk module. These states are represented by a control variable (uik) that can take, for example, the values 1, 0, and -1, representing the three different states that respectively control the cluster voltage (Vclk), a zero voltage, and the inverted voltage (-Vclk) at the connection terminals of the MCLk element module addressed by the control signal (uik). Each COMk switching module includes electronic components, such as power transistors, possibly MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) or HEMTs (High Electron Mobility Transistors), driven by the control signals from the BMS.
Ainsi, un exemple de mode de pilotage de la tension Vmclk aux bornes de chaque module élémentaire MCLk parmi l’ensemble d’une totalité n de modules peut être réalisé en fonction d’un signal de commande uik selon la relation suivante :Thus, an example of a control mode for the voltage Vmclk across each elementary module MCLk within a set n of modules can be implemented based on a control signal uik according to the following relationship:
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 composée des tensions de cluster Vclk de chaque cluster activé en fonction d’une consigne de tension de référence Vref en connectant les cellules en série par l’intermédiaire des modules 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.Thus, the BMS control unit can control, on each voltage line LT1, LT2, and LT3, any voltage waveform consisting of amplitude steps composed of the cluster voltages Vclk of each activated cluster, according to a reference voltage setpoint Vref, by connecting the cells in series via the COMk switching modules. The reference voltage setpoint Vref can be a sinusoidal waveform with a frequency of 50 Hz, any alternating waveform, for example a square wave, or it can be a constant voltage, for example.
D’autres variantes de pilotage sont envisageables prenant en compte d’autres critères, comme par exemple l’état de charge des cellules électrochimique d’un cluster, leur température, leur état de vieillissement, ou bien encore un état défectueux du module de commutation éventuellement.Other control variants are conceivable taking into account other criteria, such as the state of charge of the electrochemical cells of a cluster, their temperature, their state of aging, or even a defective state of the switching module possibly.
Par ailleurs, de préférence, il est prévu en outre des commutateurs de ligne permettant de connecter en série les trois lignes de courant LT1, LT2, LT3. En variante, on envisage des modes de réalisation alternatifs de la batterie BAT comportant une unique ligne de courant LT1 comprenant tous les modules élémentaires MCLk connectés en série.Furthermore, preferably, line switches are also provided to allow the three current lines LT1, LT2, LT3 to be connected in series. Alternatively, alternative embodiments of the BAT battery are envisaged, comprising a single current line LT1 including all the elementary modules MCLk connected in series.
En
Le premier et le deuxième niveau de tension ont des valeurs distinctes et non égales. Plus précisément, la première et la deuxième configuration d’interconnexion sont agencées de sorte que le deuxième niveau de tension de cluster est la tension de cluster maximale de la batterie et le premier niveau de tension de cluster est strictement inférieur au deuxième niveau de tension de cluster. Le premier et le deuxième niveau de tension sont des valeurs multiples de la tension individuelle des cellules électrochimiques.The first and second voltage levels have distinct, non-equal values. More precisely, the first and second interconnection configurations are arranged so that the second cluster voltage level is the maximum cluster voltage of the battery, and the first cluster voltage level is strictly lower than the second cluster voltage level. Both the first and second voltage levels are multiples of the individual electrochemical cell voltages.
Dans cet exemple, le cluster CL2 détermine un troisième niveau de tension de cluster VCL2 de valeur intermédiaire de 8,4 volts et le cluster CL3 détermine un quatrième niveau de tension de cluster VCL3 de valeur intermédiaire de 16,8 volts. Pour le cluster CL1, les cellules électrochimiques sont interconnectées en parallèle. Pour le cluster CL4, les cellules électrochimiques sont interconnectées en série. Pour le cluster CL2, les cellules électrochimiques 22 sont interconnectées en série et parallèle selon une configuration où deux blocs de cellules sont interconnectés en série et comportent chacun quatre cellules en parallèle. Pour le cluster CL3, les cellules électrochimiques 23 sont interconnectées en série et parallèle selon une configuration où quatre blocs de cellules sont interconnectés en série et comportent chacun deux cellules en parallèle. D’autres variantes de configuration d’interconnexion sont envisageables par l’homme du métier pour fournir un niveau de tension de cluster voulu en fonction du nombre de cellules électrochimiques disponibles.In this example, cluster CL2 determines a third cluster voltage level, VCL2, with an intermediate value of 8.4 volts, and cluster CL3 determines a fourth cluster voltage level, VCL3, with an intermediate value of 16.8 volts. For cluster CL1, the electrochemical cells are interconnected in parallel. For cluster CL4, the electrochemical cells are interconnected in series. For cluster CL2, the 22 electrochemical cells are interconnected in series and parallel in a configuration where two blocks of cells are interconnected in series, each containing four cells in parallel. For cluster CL3, the 23 electrochemical cells are interconnected in series and parallel in a configuration where four blocks of cells are interconnected in series, each containing two cells in parallel. Other interconnection configuration variations are conceivable by those skilled in the art to provide a desired cluster voltage level depending on the number of electrochemical cells available.
Les interconnexions électriques entre cellules d’un même bloc sont figées. Chaque cluster est connecté électriquement à un module de commutation en pont H individuel.The electrical interconnections between cells within the same block are fixed. Each cluster is electrically connected to an individual H-bridge switching module.
En outre, dans ce mode de réalisation de la batterie, chaque cluster comporte huit cellules électrochimiques de manière que la tension maximale par cluster n’excède pas 40 volts. Ainsi, la valeur de résistance des commutateurs MOSFET de chaque module de commutation peut atteindre des valeurs de résistance Drain Source (RDSon) quand le transistor est passant de 0,2 milliohms. En outre, pour les clusters, de plus faible tension la technologie des MOSFET peut être adaptée pour que les valeurs de résistance RDSon aient des valeurs inférieures, ce qui présente l’avantage de réduire les pertes et d’améliorer le rendement énergétique de la batterie.Furthermore, in this battery embodiment, each cluster comprises eight electrochemical cells, ensuring that the maximum voltage per cluster does not exceed 40 volts. Consequently, the resistance of the MOSFET switches in each switching module can achieve Drain Source Resistance (RDSon) values as low as 0.2 milliohms when the transistor is conducting. Moreover, for lower-voltage clusters, MOSFET technology can be adapted to achieve even lower RDSon values, thereby reducing losses and improving the battery's energy efficiency.
Par rapport à une architecture de ce type de batterie décrite dans l’état de la technique, le nombre de modules de commutation en pont en H est réduit pour une batterie de même capacité et de même ordre de grandeur de tension. En outre, les sauts de tension minimaux peuvent être diminués jusqu’à la tension d’une seule cellule lithium-ion. Toutefois, ce n’est pas obligatoire. La batterie peut comporter une combinaison de clusters de différents niveaux de tension compris entre la tension d’une cellule individuelle et une tension de cluster maximale voulue permise par le nombre de cellules de chaque cluster. La batterie comporte au moins un cluster ayant un niveau de tension compris entre un quart de la tension maximale et trois quarts de la tension maximale. De préférence, la batterie comporte au moins un cluster ayant un niveau de tension égal à la moitié de la tension de cluster maximale, ou au moins un cluster ayant un niveau de tension égal à un tier de la tension de cluster maximale.Compared to a battery architecture of this type described in the prior art, the number of H-bridge switching modules is reduced for a battery of the same capacity and order of magnitude of voltage. Furthermore, the minimum voltage jumps can be reduced to the voltage of a single lithium-ion cell. However, this is not mandatory. The battery may comprise a combination of clusters with different voltage levels, ranging from the voltage of an individual cell to a maximum desired cluster voltage permitted by the number of cells in each cluster. The battery includes at least one cluster with a voltage level between one-quarter and three-quarters of the maximum voltage. Preferably, the battery includes at least one cluster with a voltage level equal to half the maximum cluster voltage, or at least one cluster with a voltage level equal to one-third of the maximum cluster voltage.
L’invention présente les avantages techniques suivants. En application automobile, la fonction de contrôle commande est améliorée, notamment dans les phases de démarrage d’un véhicule, du fait de la possibilité de commander plus finement l’alimentation de la machine électrique, allant d’une tension d’amplitude de quelques volts à une dizaine de volts environ. La qualité d’onde de courant et de tension est aussi améliorée du fait de la diminution d’harmoniques et par conséquent de la diminution du nombre de composants de filtrage.The invention offers the following technical advantages. In automotive applications, the control function is improved, particularly during vehicle start-up, due to the ability to more precisely control the power supply to the electric motor, ranging from a voltage amplitude of a few volts to approximately ten volts. The current and voltage waveform quality is also improved due to the reduction of harmonics and, consequently, the reduction in the number of filtering components.
En outre, pour une application d’un système de stockage d’énergie stationnaire, la régulation de courant est améliorée du fait de la baisse des oscillations de courant autour d’une consigne donnée. En outre, l’architecture permet de diminuer le courant de recirculation entre lignes connectées entre elles dans le cas d’une installation avec plusieurs batteries raccordées entre elles.Furthermore, for stationary energy storage systems, current regulation is improved due to the reduction of current oscillations around a given setpoint. In addition, the architecture allows for a decrease in recirculation current between interconnected lines in the case of an installation with multiple interconnected batteries.
Il est décrit maintenant à titre d’exemple non limitatif un premier mode de distribution des clusters de cellules électrochimiques d’une batterie de puissance selon l’invention comportant onze clusters de cellules électrochimiques déterminant plusieurs niveaux de tensions de cluster distincts. Un niveau de tension correspond à la tension d’une cellule électrochimique individuelle. Dans cet exemple, chaque ligne de courant comporte onze modules élémentaires, soit onze clusters de cellules pouvant être connectés en série. Des sauts de tensions sont commandables pour des valeurs allant de 4,2 volts à 33,6 volts. Chaque cluster comporte huit cellules dont les configurations d’interconnexion sont agencées de manière que les cellules sont connectées électriquement toutes en parallèle (CL1), en série et parallèle (CL2, CL3) ou toutes en série (CL4, CL5, CL6, CL7, CL8, CL9, CL10, CL11).
88
298,2 volts
88
298.2 volts
Dans la variante privilégiée de ce premier mode de distribution, chaque cluster comporte un même nombre N de cellules électrochimiques, où N est un nombre pair, dans cet exemple N est égal à huit. D’autres quantités de cellules par cluster sont envisageables par exemple quatre, six, dix, douze ou plus. Parmi l’une de ces variantes, la configuration d’interconnexion pour les clusters de tension maximale est agencée de manière que les cellules sont connectées en série et parallèle, par exemple la tension de 33,6 volts est réalisée à partir de deux blocs de huit cellules en série connectées en parallèle, le nombre N étant alors égal à 16. Les autres niveaux de tensions de cluster étant formés par l’ajout de blocs supplémentaires en parallèle. Cette variante double la capacité électrique de la batterie.In the preferred variant of this first distribution method, each cluster contains the same number N of electrochemical cells, where N is an even number; in this example, N equals eight. Other quantities of cells per cluster are possible, for example, four, six, ten, twelve, or more. In one of these variants, the interconnection configuration for the maximum voltage clusters is arranged so that the cells are connected in series and parallel. For example, the voltage of 33.6 volts is achieved from two blocks of eight cells in series connected in parallel, the number N then being equal to 16. The other cluster voltage levels are formed by adding additional blocks in parallel. This variant doubles the battery's electrical capacity.
En outre, la configuration d’interconnexion des cellules électrochimiques des clusters suit la relation d’architecture dans laquelle, par rapport à une tension de cluster délivrée par un cluster de référence, par exemple celui de valeur maximale, un autre cluster qui délivre la tension de référence divisée par deux comporte alors des blocs de cellules mis en parallèle dont la capacité est doublée. Ce mode de distribution correspond à l’exemple illustré en
En outre, à des fins d’optimisation des performances de la batterie, celle-ci comporte de préférence un nombre plus important de clusters ayant un niveau de tension élevé (par exemple 33,6 volts) que de clusters ayant un niveau de tension faible (par exemple, 4,2 volts ou 8,4 volts). Pour une variante de configuration, la batterie comporte une pluralité de clusters délivrant un niveau de tension de cluster maximal voulu et au moins un cluster ayant un niveau de tension inférieur, égal à la moitié du niveau de tension maximale, ou égal à un tier du niveau de tension maximale.Furthermore, for the purpose of optimizing battery performance, the battery preferably has a greater number of high-voltage clusters (e.g., 33.6 volts) than low-voltage clusters (e.g., 4.2 volts or 8.4 volts). In one variant configuration, the battery has a plurality of clusters delivering a desired maximum cluster voltage and at least one cluster with a lower voltage, equal to half the maximum voltage, or equal to one-third of the maximum voltage.
On envisage dans une autre variante de ce premier mode de distribution que le nombre de cellules électrochimiques par cluster n’est pas identique pour tous les clusters.In another variant of this first distribution mode, we consider that the number of electrochemical cells per cluster is not identical for all clusters.
Il est décrit maintenant à titre d’exemple non limitatif un deuxième mode de distribution des clusters de cellules électrochimiques d’une batterie de puissance selon l’invention comportant huit clusters de cellules électrochimiques. A partir de cette distribution la batterie peut générer tout niveau de tension compris entre 0 volts et 415, 8 volts pour une configuration comprenant 99 cellules, soit une quantité de cellules proche du premier mode de distribution. Ce deuxième mode de distribution permet de réduire le nombre de modules élémentaires et donc le nombre de modules de commutation en pont en H. En conséquence, le coût de l’architecture est réduit.
99
415,8 volts
99
415.8 volts
Il est décrit maintenant à titre d’exemple non limitatif un troisième mode de distribution des clusters de cellules électrochimiques d’une batterie de puissance selon l’invention comportant sept clusters de cellules électrochimiques. Chaque cluster de cellules délivre un niveau de tension spécifique et distinct des autres clusters. Les niveaux de tensions évoluent selon une progression géométrique en puissance de deux, 2k,où k est un nombre entier positif.A third method of distributing the electrochemical cell clusters of a power battery according to the invention, comprising seven electrochemical cell clusters, is now described by way of non-limiting example. Each cell cluster delivers a specific voltage level distinct from the other clusters. The voltage levels vary according to a power-of-two geometric progression of 2k, where k is a positive integer.
Dans cet exemple pour sept clusters et suivant cette suite géométrique la tension de la ligne de courant peut être comprise entre 0 volts et 533 volts pour 95 cellules, soit une quantité de cellules proche du premier mode de distribution. Ce troisième mode de distribution permet de réduire le nombre de modules élémentaires et donc le nombre de modules de commutation en pont en H.
127
533 volts
127
533 volts
Par ailleurs, dans une variante d’architecture, le type de chimie utilisé pour les différents clusters peut différer entre clusters. Ainsi, il est possible d’adapter le niveau de tension de cluster en choisissant la chimie appropriée à la tension de cluster voulue.Furthermore, in one architectural variant, the type of chemistry used for the different clusters can vary between clusters. Therefore, it is possible to adapt the cluster voltage level by choosing the appropriate chemistry for the desired cluster voltage.
En outre, en cas de défaut d’un cluster, cette architecture permet de remplacer un cluster défaillant par un cluster comportant des cellules d’une version actualisée ou d’une autre chimie. Ainsi, des cellules de plusieurs types peuvent cohabiter dans une même batterie.Furthermore, in the event of a cluster failure, this architecture allows for the replacement of a faulty cluster with one containing cells of an updated version or a different chemistry. Thus, cells of several types can coexist within the same battery.
La
Chaque ligne de courant de la batterie 30 comporte des modules élémentaires de tension de cluster distinctes conformément à l’invention. Le véhicule comporte en outre un système de supervision 36 coopérant avec une unité de commande 35 du système de batterie 30. Le système de batterie 30 peut être connecté directement électriquement à la machine électrique motrice 34 améliorant ainsi son rendement énergétique en traction.Each current line of the battery 30 comprises separate cluster voltage modules according to the invention. The vehicle further comprises a monitoring system 36 cooperating with a control unit 35 of the battery system 30. The battery system 30 can be directly electrically connected to the electric drive machine 34, thereby improving its energy efficiency in traction.
La batterie peut être en outre connectée à un bus de tension continue, haute tension, par exemple fonctionnant à une tension nominale comprise entre 100 et 800 volts, par exemple 450 volts, et à un réseau de bord basse tension 37 fonctionnant à une tension nominale de type 12 volts. A cet effet, le système électrique comporte de l’électronique de puissance 39 comportant un convertisseur DC/DC reliant le bus de tension au réseau de bord 37 (450 volts/12 volts) comprenant une batterie de servitude.The battery can also be connected to a high-voltage DC bus, for example operating at a nominal voltage between 100 and 800 volts, for example 450 volts, and to a low-voltage on-board network 37 operating at a nominal voltage of type 12 volts. For this purpose, the electrical system includes power electronics 39 comprising a DC/DC converter connecting the voltage bus to the on-board network 37 (450 volts/12 volts) which includes a service battery.
La
Il est prévu en outre un procédé de commande de la batterie de puissance mis en œuvre par son unité de commande. L’unité de commande 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. Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, le calculateur pourrait être externe à l’unité de commande, tout en étant couplé à cette dernière. 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 réalisé 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.Furthermore, a method for controlling the power battery, implemented by its control unit, is provided. The control unit is equipped with an integrated circuit computer and electronic memory, the computer and memory being configured to execute the control method. However, this is not mandatory. Indeed, the computer could be external to the control unit, while still being coupled to it. In this latter case, it could itself be arranged as a dedicated computer including, for example, a dedicated program. Consequently, the control unit, according to the invention, can be implemented in the form of software modules, electronic circuits, or hardware, or a combination of electronic circuits and software modules.
L’unité de commande est adaptée pour superviser les paramètres spécifiques à la batterie en coopération avec des capteurs de courant et tension, tels l’état de charge SOC (« State of Charge ») qui désigne le niveau d’état de charge de la batterie exprimé par un rapport entre la quantité d’énergie stockée à un instant donné et la quantité d’énergie maximum stockable à un instant donné, la tension de circuit ouvert OCV (« Open Circuit Voltage ») exprimée en volt, le courant de charge exprimé en Ampère, l’état de santé SOH (« State of Health), qui désigne le paramètre de niveau de vieillissement de la batterie exprimant un rapport entre la quantité d’électricité maximum stockable à un instant donné et la quantité d’électricité maximum stockable à l’état neuf de la batterie.The control unit is adapted to monitor battery-specific parameters in cooperation with current and voltage sensors, such as the State of Charge (SOC), which designates the battery's state of charge level expressed as a ratio between the amount of energy stored at a given time and the maximum amount of energy that can be stored at a given time; the Open Circuit Voltage (OCV), expressed in volts; the charging current, expressed in amperes; and the State of Health (SOH), which designates the battery's aging level parameter, expressing a ratio between the maximum amount of electricity that can be stored at a given time and the maximum amount of electricity that can be stored when the battery was new.
Conformément à l’invention, l’unité de commande de la batterie est configurée pour générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de la ou chaque ligne de courant par la connexion en série d’une sélection commandée de modules élémentaires parmi la pluralité. Plus précisément, le procédé comporte une étape de détermination d’une consigne de tension à générer aux bornes de la ligne de courant, et une étape de connexion en série parmi la pluralité de modules élémentaires d’au moins un premier module élémentaire délivrant un premier niveau de tension de cluster et d’au moins un deuxième module élémentaire délivrant un deuxième niveau de tension de cluster pour générer une onde de tension en fonction de la consigne. Le deuxième niveau de tension de cluster est la tension de cluster maximale de la batterie et le premier niveau de tension de cluster est strictement inférieur au deuxième niveau de tension de cluster. La sélection des modules est configurée par l’unité de commande de sorte que la combinaison des tensions de cluster choisies soit régulée au plus près de la consigne de tension. Un régulateur de tension est prévu pour assurer cette fonction. L’onde de tension générée par l’unité de commande peut être une onde sinusoïdale, une onde sinusoïdale à crête, une onde carrée, triangulaire, un signal à impulsions, ou bien encore un signal de tension continue, par exemple.According to the invention, the battery control unit is configured to generate a chosen voltage waveform across the terminals of the current line(s) by connecting in series a controlled selection of elementary modules from a plurality of modules. More specifically, the method comprises a step of determining a voltage setpoint to be generated across the current line, and a step of connecting in series, from among the plurality of elementary modules, at least one elementary module delivering a first cluster voltage level and at least one elementary module delivering a second cluster voltage level to generate a voltage waveform according to the setpoint. The second cluster voltage level is the maximum cluster voltage of the battery, and the first cluster voltage level is strictly lower than the second cluster voltage level. The selection of modules is configured by the control unit so that the combination of the chosen cluster voltages is regulated as closely as possible to the voltage setpoint. A voltage regulator is provided to perform this function. The voltage wave generated by the control unit can be a sinusoidal wave, a peak sinusoidal wave, a square wave, a triangular wave, a pulsed signal, or even a DC voltage signal, for example.
Par exemple, au moins un premier module délivre une tension de cluster comprise entre 3 volts et 4,5 volts et au moins un deuxième module délivre une tension de cluster comprise entre 30 volts et 35 volts. Une onde de tension peut être générée à partir d’une combinaison comprenant plusieurs modules de tension de cluster de 33,6 volts, un ou deux modules de tension de cluster de 16,8 volts et un module de tension de 4,2 volts.For example, at least one first module delivers a cluster voltage between 3 volts and 4.5 volts, and at least one second module delivers a cluster voltage between 30 volts and 35 volts. A voltage waveform can be generated from a combination comprising several 33.6-volt cluster voltage modules, one or two 16.8-volt cluster voltage modules, and one 4.2-volt voltage module.
En outre, selon une variante préférentielle, la sélection est configurée pour maintenir l’équilibrage en état de charge des clusters de cellules entre clusters d’une ligne de courant. A cet effet, l’unité de commande comporte des moyens d’estimation de l’état de charge de chaque cluster de cellules électrochimiques et des moyens de sélection ou de priorisation des clusters en fonction, de plus, de leur état de charge.Furthermore, according to a preferred variant, the selection is configured to maintain the charge state balance of cell clusters between clusters of a current line. To this end, the control unit includes means for estimating the charge state of each electrochemical cell cluster and means for selecting or prioritizing clusters based, moreover, on their charge state.
En outre, la sélection est configurée pour conserver une homogénéité thermique au sein de l’ensemble des clusters de cellules électrochimiques.In addition, the selection is configured to maintain thermal homogeneity within all electrochemical cell clusters.
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.The invention is described above by way of example. It is understood that a person skilled in the art is able to carry out different variants of the invention by combining, for example, the different features above taken alone or in combination, without departing from the scope of the invention.
Claims (11)
- la détermination d’une consigne de tension à générer aux bornes de la ligne de courant (LT1),
- la connexion en série parmi la pluralité de modules élémentaires d’au moins un premier module élémentaire délivrant un premier niveau de tension de cluster (VCL1) et d’au moins un deuxième module élémentaire délivrant un deuxième niveau de tension de cluster (VCL4) pour générer une onde de tension en fonction de la consigne, le deuxième niveau de tension de cluster (VCL4) étant la tension de cluster maximale de la batterie et le premier niveau de tension de cluster (VCL1) étant strictement inférieur au deuxième niveau de tension de cluster (VCL4).A method for controlling a power battery comprising a plurality of elementary modules (MCLk) for energy storage connected in series in at least one current line (LT1), each elementary module (MCLk) comprising a cluster (CLk) of electrochemical cells and a switching module (COMk) comprising an H-bridge, the electrochemical cells of each cluster (CLk) being electrically interconnected according to an interconnection configuration within each cluster determining a cluster voltage level (Vclk), and the elementary modules being interconnected in series via the switching modules (COMk) so as to form a multilevel inverter distributed in the battery (BAT) capable of generating a selected voltage waveform across the current line (LT1) by connecting in series a controlled selection of elementary modules from the plurality, the method being implemented by a battery control unit and being characterized in that it comprises the following steps:
- determining a voltage setpoint to be generated across the terminals of the current line (LT1),
- the series connection among the plurality of elementary modules of at least one first elementary module delivering a first cluster voltage level (VCL1) and at least one second elementary module delivering a second cluster voltage level (VCL4) to generate a voltage wave as a function of the setpoint, the second cluster voltage level (VCL4) being the maximum cluster voltage of the battery and the first cluster voltage level (VCL1) being strictly less than the second cluster voltage level (VCL4).
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017153366A1 (en) | 2016-03-09 | 2017-09-14 | Renault S.A.S | Method and device for single-phase control of an on-board charger of electric or hybrid vehicles without galvanic isolation |
| US20200244076A1 (en) * | 2016-06-24 | 2020-07-30 | Wayne State University | Method and apparatus for uniform battery system state of charge management |
| WO2021048477A1 (en) | 2019-09-09 | 2021-03-18 | Psa Automobiles Sa | Method for controlling a battery allowing control of a homogenous current to the cells of a power line |
| US20220045621A1 (en) * | 2019-12-23 | 2022-02-10 | King Abdulaziz University | Hybrid multi-level inverter system for switched series/parallel sources |
| WO2022214745A1 (en) * | 2021-04-08 | 2022-10-13 | Psa Automobiles Sa | Device for creating a dc voltage bus for a polyphase electrical system, motor vehicle and renewable energy generator comprising such a device |
| WO2024018058A2 (en) * | 2022-07-22 | 2024-01-25 | BAVERTIS GmbH | Method for putting at least one energy-storage module into operation |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2743313A1 (en) | 1977-09-27 | 1979-04-05 | Drehtainer Container Tech | MACHINE FOR THE MACHINING OF SURFACES |
-
2024
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-
2025
- 2025-03-27 WO PCT/FR2025/000046 patent/WO2025219659A1/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017153366A1 (en) | 2016-03-09 | 2017-09-14 | Renault S.A.S | Method and device for single-phase control of an on-board charger of electric or hybrid vehicles without galvanic isolation |
| US20200244076A1 (en) * | 2016-06-24 | 2020-07-30 | Wayne State University | Method and apparatus for uniform battery system state of charge management |
| WO2021048477A1 (en) | 2019-09-09 | 2021-03-18 | Psa Automobiles Sa | Method for controlling a battery allowing control of a homogenous current to the cells of a power line |
| US20220045621A1 (en) * | 2019-12-23 | 2022-02-10 | King Abdulaziz University | Hybrid multi-level inverter system for switched series/parallel sources |
| WO2022214745A1 (en) * | 2021-04-08 | 2022-10-13 | Psa Automobiles Sa | Device for creating a dc voltage bus for a polyphase electrical system, motor vehicle and renewable energy generator comprising such a device |
| WO2024018058A2 (en) * | 2022-07-22 | 2024-01-25 | BAVERTIS GmbH | Method for putting at least one energy-storage module into operation |
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