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FR3161325A1 - Batterie comportant des cellules electrochimiques distribuees en plusieurs tensions de cluster distinctes - Google Patents

Batterie comportant des cellules electrochimiques distribuees en plusieurs tensions de cluster distinctes

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Publication number
FR3161325A1
FR3161325A1 FR2403859A FR2403859A FR3161325A1 FR 3161325 A1 FR3161325 A1 FR 3161325A1 FR 2403859 A FR2403859 A FR 2403859A FR 2403859 A FR2403859 A FR 2403859A FR 3161325 A1 FR3161325 A1 FR 3161325A1
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FR
France
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cluster
voltage level
battery
elementary
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
FR2403859A
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English (en)
Inventor
Francis Roy
Thomas Peuchant
David HERPE
Mickael PETIT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers
CY Cergy Paris Universite
Ecole Normale Superieure de Paris
Stellantis Auto SAS
Universite Paris Saclay
Original Assignee
SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers
CY Cergy Paris Universite
Ecole Normale Superieure de Paris
Stellantis Auto SAS
Universite Paris Saclay
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Filing date
Publication date
Application filed by SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers, CY Cergy Paris Universite, Ecole Normale Superieure de Paris, Stellantis Auto SAS, Universite Paris Saclay filed Critical SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority to FR2403859A priority Critical patent/FR3161325A1/fr
Priority to PCT/FR2025/000046 priority patent/WO2025219659A1/fr
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Pending legal-status Critical Current

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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.

Description

BATTERIE COMPORTANT DES CELLULES ELECTROCHIMIQUES DISTRIBUEES EN PLUSIEURS TENSIONS DE CLUSTER DISTINCTES
Le domaine de l’invention concerne une batterie de puissance, notamment pour les véhicules électrifiés et les systèmes de stockage d’énergie stationnaires.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Il est prévu en outre selon l’invention un système de stockage d’énergie stationnaire comportant un tel système électrique.
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.
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 :
- la détermination d’une consigne de tension à générer aux bornes de la ligne de courant,
- 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.
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.
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.
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.
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.
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 schématiquement un mode de réalisation d’un système électrique comprenant une batterie de puissance selon l’invention.
FIG. 2représente schématiquement des configurations d’interconnexion de cellules électrochimiques pour des clusters intégrant une batterie selon l’invention.
FIG. 3représente schématiquement un exemple d’une architecture électrique pour un véhicule électrifié selon l’invention.
FIG. 4représente schématiquement un exemple d’une architecture électrique pour un système de stockage d’énergie stationnaire selon l’invention.
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.
En référence à laFIG. 1, un système électrique polyphasé est représenté schématiquement et comprend une batterie de puissance BAT comportant une pluralité n de modules élémentaires MCLk formant une structure d’onduleur multi-niveaux distribuée dans la batterie. La batterie BAT comporte trois lignes de courant LT1, LT2 et LT3 reliées à des branches de phase BP1, BP2 et BP3 du système électrique. Chaque ligne de courant LT1, LT2 et LT3 comporte une pluralité de modules élémentaires MCLk interconnectés en série. Chaque module élémentaire MCLk comporte un cluster de cellules CLk et un module de commutation COMk formant un pont en H. Les modules élémentaires sont interconnectés en série par l’intermédiaire des modules de commutation COMk de manière à former l’onduleur multiniveaux distribué dans la batterie BAT, lequel onduleur est apte à générer une forme d’onde de tension choisie aux bornes de chaque ligne de courant par la connexion en série d’une sélection commandée de modules élémentaires parmi la pluralité.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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, 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.
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.
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.
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 :
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.
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.
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.
EnFIG. 2, on a décrit schématiquement un mode de réalisation non limitatif de clusters CL1, CL2, CL3 et CL4 de cellules électrochimiques formant la batterie conformément à l’invention. Chaque cluster comporte huit cellules électrochimiques, dans cet exemple de type lithium-ion, et chaque cellule présente une tension individuelle d’environ 4,2 volts. Selon le principe de l’invention, la pluralité de modules élémentaires de la batterie 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 de valeur de 4,2 volts 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 de valeur de 33,6 volts.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
Référence d’identification de cluster Nombre de niveau de tension en série Tension de cluster en volts
CL1 1 4,2 volts
CL2 2 8,4 volts
CL3 4 16,8 volts
CL4 8 33,6 volts
CL5 8 33,6 volts
CL6 8 33,6 volts
CL7 8 33,6 volts
CL8 8 33,6 volts
CL9 8 33,6 volts
CL10 8 33,6 volts
CL11 8 33,6 volts
Nombre total cellules :
88		 Amplitude de tension maximale commandable :
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.
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 enFIG. 2. En d’autres termes, les niveaux de tension supérieurs au niveau le plus faible, correspondant à une tension de cellule individuelle, sont des valeurs égales à une puissance de deux multipliée par la tension de cellule individuelle.
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.
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.
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.
Référence d’identification de cluster Nombre de niveau de tension en série Tension de cluster en volts
CL1 1 4,2 volts
CL2 1 4,2 volts
CL3 2 8,4 volts
CL4 5 21 volts
CL5 10 42 volts
CL6 10 42 volts
CL7 20 84 volts
CL8 50 210 volts
Nombre total cellules :
99		 Amplitude de tension maximale commandable :
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.
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.
Référence d’identification de cluster Nombre de niveau de tension en série Tension de cluster en volts
CL1 1 4,2 volts
CL2 2 8,4 volts
CL3 4 16,8 volts
CL4 8 33,6 volts
CL5 16 67,2 volts
CL6 32 134,4 volts
CL7 64 268,8 volts
Nombre total cellules :
127		 Amplitude de tension maximale commandable :
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.
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.
LaFIG. 3illustre schématiquement un véhicule électrifié. Par le terme électrifié, il doit être compris que le véhicule comporte une motorisation entièrement électrique ou motorisation hybride comportant la batterie de puissance selon l’invention. Le véhicule comporte une machine électrique motrice 34 apte à transmettre un couple aux roues motrices 32 du véhicule à travers une transmission 31. La machine électrique 34 peut être triphasée. Le véhicule comporte un système électrique comportant la batterie 30 selon l’architecture à onduleur multiniveaux distribué dans la batterie conformément à la description faite enFIG. 1. La batterie comporte trois lignes de courant aptes à générer des ondes de tension triphasées et monophasées. Le véhicule comporte en outre une interface de recharge de la batterie 38 à partir d’un réseau d’alimentation fonctionnant en tension alternative. L’interface de recharge 38 est un chargeur embarqué connectant électriquement la batterie 30 à la borne de recharge pour une recharge en tension alternative en courant monophasé ou triphasé. L’interface de recharge 38 est aussi apte à une recharge rapide en tension continue.
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.
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.
LaFIG. 4illustre schématiquement un système de stockage d’énergie stationnaire 40 comportant la batterie de puissance selon l’invention. Dans ce type d’application, les lignes de courant de la batterie de puissance 40 sont connectées directement à un transformateur 41. Le transformateur 41 est relié à un réseau électrique 42.
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.
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.
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.
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.
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.
En outre, la sélection est configurée pour conserver une homogénéité thermique au sein de l’ensemble des clusters de cellules électrochimiques.
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 (11)

  1. Batterie de puissance (BAT) comportant une pluralité de modules élémentaires (MCLk) de stockage d’énergie connectés en série dans au moins une ligne de courant (LT1), chaque module élémentaire (MCLk) comprenant un cluster de cellules électrochimiques (CLk) et un module de commutation (COMk) comprenant un pont en H, les cellules électrochimiques de chaque cluster (CLk) étant interconnectées électriquement selon une configuration d’interconnexion au sein de chaque cluster déterminant un niveau de tension de cluster (Vclk) et les modules élémentaires (MCLk) étant interconnectés en série par l’intermédiaire des modules de commutation (COMk) 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) par la connexion en série d’une sélection commandée de modules élémentaires (MCLk) parmi la pluralité, caractérisée en ce que la pluralité de modules élémentaires (MCLk) 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) et en ce que la première et la deuxième configuration d’interconnexion sont agencées de sorte que le deuxième niveau de tension de cluster (VCL4) est la tension de cluster maximale de la batterie et dans laquelle le premier niveau de tension de cluster (VCL1) est strictement inférieur au deuxième niveau de tension de cluster (VCL4).
  2. Batterie selon la revendication 1 dans laquelle le premier niveau de tension de cluster (VCL1) est égal à une valeur comprise entre un quart et trois quarts du deuxième niveau de tension de cluster (VCL4), ou est égal à la moitié du deuxième niveau de tension de cluster (VCL4), ou est égal à un tier du deuxième niveau de tension de cluster (VCL4).
  3. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 dans laquelle la première configuration d’interconnexion comprend les cellules électrochimiques (22) connectées électriquement en série et en parallèle au sein du cluster (CL1), ou comprend toutes les cellules électrochimiques (21) connectées électriquement en parallèle au sein du cluster (CL1).
  4. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle la deuxième configuration d’interconnexion comprend toutes les cellules électrochimiques (24) connectées électriquement en série au sein du cluster (CL4), ou comprend les cellules électrochimiques (24) connectées électriquement en série et en parallèle au sein du cluster (CL4).
  5. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans laquelle la pluralité de modules élémentaires comporte en outre un troisième module élémentaire dans lequel les cellules électrochimiques (22) du cluster (CL2) sont interconnectées selon une troisième configuration d’interconnexion déterminant un troisième niveau de tension de cluster (VCL2) et dans laquelle la troisième configuration d’interconnexion comprend les cellules électrochimiques (22) connectées électriquement en série et en parallèle au sein du cluster (CL2) de sorte que le troisième niveau de tension de cluster (VCL2) a une valeur intermédiaire entre le premier niveau de tension (VCL1) et le deuxième niveau de tension (VCL4).
  6. Batterie selon la revendication 5, dans laquelle les modules élémentaires (MCLk) 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 (VCL4, VCL2) sont des valeurs égales à une puissance de deux multipliée par la valeur du premier niveau de tension (VCL1).
  7. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans laquelle 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.
  8. Système électrique comprenant au moins une branche de phase (BP1) et une batterie de puissance (BAT) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la batterie (BAT) comporte au moins une ligne de courant (LT1) reliée électriquement à la branche de phase (BP1), la ligne de courant (LT1) comprenant au moins le premier et le deuxième module élémentaire de la pluralité de modules élémentaires (MCLk), le système comportant une unité de commande (BMS) configurée pour connecter en série dans la ligne de courant (LT1) une sélection commandée de modules élémentaires (MCLk) 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.
  9. Système de stockage d’énergie stationnaire comportant un système électrique selon la revendication 8.
  10. Véhicule électrifié à chaine de traction au moins partiellement électrifiée comprenant un système électrique selon la revendication 8.
  11. Procédé de commande d’une batterie de puissance comportant une pluralité de modules élémentaires (MCLk) de stockage d’énergie connectés en série dans au moins une ligne de courant (LT1), chaque module élémentaire (MCLk) comprenant un cluster (CLk) de cellules électrochimiques et un module de commutation (COMk) comprenant un pont en H, les cellules électrochimiques de chaque cluster (CLk) étant interconnectées électriquement selon une configuration d’interconnexion au sein de chaque cluster déterminant un niveau de tension de cluster (Vclk) et les modules élémentaires étant interconnectés en série par l’intermédiaire des modules de commutation (COMk) 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) 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 étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
    - 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).
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