FR3115737A1

FR3115737A1 - Système d'alimentation électrique

Info

Publication number: FR3115737A1
Application number: FR2011226A
Authority: FR
Inventors: Ghislain Despesse; Sylvain Bacquet; Jérôme LACHAIZE; Damien Verdier; Nicolas Leto
Original assignee: Vitesco Technologies; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2040-11-02
Also published as: EP4237273A1; CN116601046A; CN116601046B; WO2022090558A1; US20240278688A1; FR3115737B1

Abstract

L’invention concerne un système d'alimentation électrique d'un équipement électrique, qui comporte : Un bus continu d'alimentation, Une première batterie (BATT1) et une deuxième batterie (BATT2) connectées en parallèles et aptes chacune à fournir une première tension continue sur ledit bus continu d'alimentation, Une batterie auxiliaire (B_AUX) configurée pour fournir une deuxième tension continue (U_AUX), Une unité de commande (UC) configurée pour : Sélectionner au moins une batterie parmi la première batterie et la deuxième batterie pour fixer ladite tension sur le bus continu d'alimentation en la connectant au bus continu d'alimentation, Commander une connexion au bus continu d'alimentation de la batterie non sélectionnée, et une charge de ladite batterie auxiliaire (B_AUX) en la plaçant en série avec la batterie non sélectionnée et en commutant les cellules de ladite batterie non sélectionnée pour piloter un courant de charge (I_aux) de ladite batterie auxiliaire. Figure à publier avec l'abrégé : Figure 1

Description

Système d'alimentation électrique

Domaine technique de l'invention

La présente invention se rapporte à un système d'alimentation électrique amélioré, pouvant notamment être employé dans un véhicule électrique ou hybride.

Etat de la technique

La traction d'un véhicule électrique ou hybride est permise par l'emploi de plusieurs batteries de stockage d'énergie électrique, rassemblées dans un pack-batterie.

De manière connue, un pack-batterie fournit une tension continue qu'un convertisseur DC/AC est chargé de convertir pour fournir des tensions de commande au moteur électrique du véhicule sur ses deux ou trois phases (selon la configuration du moteur). Le pack-batterie peut comporter plusieurs batteries, chaque batterie comportant elle-même plusieurs modules et chaque module comportant généralement plusieurs cellules électrochimiques. Le système peut être réversible et le freinage mécanique du moteur peut également permettre de recharger les batteries du pack batterie, en mode régénération d'énergie.

Par ailleurs, il est connu que pour alimenter le réseau de bord du véhicule, c'est-à-dire par exemple les phares, les vitres, l’ABS au freinage, l’aide à la direction, mais aussi des fonctions bien plus basiques telles que l’ouverture/fermeture centralisée par télécommande, on utilise souvent une batterie standard de 12V (ou 24V) au plomb. La présence de cette batterie supplémentaire au plomb est justifiée par le besoin d’avoir une tension de 12V même quand le véhicule n’est pas allumé et par le besoin d’avoir une source de 12V indépendante qui ne décharge pas la batterie de traction. Cette batterie auxiliaire est chargée par le pack batterie du véhicule dans le cas d’un véhicule électrique ou hybride, au travers d'un convertisseur de type DC/DC, ou par un alternateur dans le cas d’un véhicule thermique.

Dans des applications autres que l’automobile, une batterie supplémentaire peut également être nécessaire pour le démarrage du système.

Pour des raisons de gain de poids, d'encombrement et de coût, il est souhaitable de s'affranchir de l'emploi de ce convertisseur DC/DC (ou de l’alternateur dans le cas d’un véhicule thermique). Dans cette situation, il faut pouvoir tout de même disposer d'une solution simple pour charger la batterie auxiliaire, quelle que soit l'architecture du système et son mode de fonctionnement, c'est-à-dire mode normal en alimentation, mode freinage (avec régénération) ou mode charge ou décharge sur le réseau AC.

L'implantation de la batterie auxiliaire devra notamment pouvoir s'adapter à une architecture capable de fournir en permanence une tension continue constante, par exemple de 48V DC ou 400V DC dans un véhicule électrique, à travers un bus continu d'alimentation.

Le but de l'invention est donc de proposer un système d'alimentation électrique qui :

Est en mesure de fournir une tension continue à un niveau sensiblement constant en permanence (à 5V près), lorsque le véhicule est en fonctionnement ;
Intègre une batterie auxiliaire à son architecture et permet sa recharge sans l'emploi d'un convertisseur ;
Peut être en mesure de se recharger sur un réseau externe AC tout en maintenant la fourniture d’une tension DC (basse ou forte tension) ;
Peut être en mesure de fournir une tension AC tout en maintenant la fourniture d’une tension DC ;
Evite au maximum l'emploi de convertisseurs électriques ;

Ce système sera notamment adapté pour être employé dans un véhicule électrique ou hybride pour participer à la traction du véhicule mais aussi pour alimenter différents équipements du véhicule.

Ce but est atteint par un système d'alimentation électrique d'un équipement électrique, qui comporte :

Un bus continu d'alimentation,
Une première batterie apte à fournir une première tension continue sur ledit bus continu d'alimentation, ladite première batterie comprenant des premières cellules commutables,
Une batterie auxiliaire configurée pour fournir une deuxième tension continue, distincte de la première tension continue,
Une unité de commande,
Une deuxième batterie apte à fournir ladite première tension continue sur ledit bus continu d'alimentation, ladite deuxième batterie étant montée en parallèle de ladite première batterie, ladite deuxième batterie comprenant des deuxièmes cellules commutables,
Des premiers moyens de commutation agencés pour connecter ou déconnecter la première batterie du bus continu d'alimentation,
Des deuxièmes moyens de commutation agencés pour connecter ou déconnecter la deuxième batterie du bus continu d'alimentation,
Des troisièmes moyens de commutation configurés pour connecter ou déconnecter la batterie auxiliaire en série avec la première batterie et/ou en série avec la deuxième batterie,
Ladite unité de commande étant configurée pour :
- Sélectionner au moins une batterie parmi la première batterie et la deuxième batterie pour fixer ladite tension sur le bus continu d'alimentation en la connectant au bus continu d'alimentation,
- Commander une connexion au bus continu d'alimentation de la batterie non sélectionnée, et une charge de ladite batterie auxiliaire en la plaçant en série avec la batterie non sélectionnée et en commutant les cellules de ladite batterie non sélectionnée pour piloter un courant de charge de ladite batterie auxiliaire.

Selon une particularité, les premiers moyens de commutation sont agencés pour connecter ou déconnecter la première batterie à une unité de charge/décharge destinée à être connectée à un réseau alternatif.

Selon une autre particularité, les deuxièmes moyens de commutation sont agencés pour connecter ou déconnecter la deuxième batterie à ladite unité de charge/décharge.

Selon une autre particularité, l'unité de commande est configurée pour commander une charge de la batterie non sélectionnée par une connexion sur ladite unité de charge/décharge.

Selon une autre particularité, l'unité de commande est configurée pour commander la fourniture d'une tension variable à ladite unité de charge/décharge en connectant la première batterie ou la deuxième batterie à ladite unité de charge/décharge.

Selon une autre particularité, l'unité de commande est configurée pour commander une connexion de la batterie auxiliaire en série à la fois avec la première batterie et la deuxième batterie pour charger la batterie auxiliaire à l'aide d'un courant présent sur le bus continu d'alimentation.

Selon une autre particularité, l'unité de commande comporte des moyens de surveillance des grandeurs suivantes :

La tension aux bornes de la première batterie,
La tension aux bornes de la deuxième batterie,
La tension aux bornes de la batterie auxiliaire,
Le courant qui circule dans une première branche portant la première batterie,
Le courant qui circule dans la deuxième branche portant la deuxième batterie,
Le courant de charge de la batterie auxiliaire.
La tension du bus continu d'alimentation ;

Selon une autre particularité, l'unité de commande comporte des moyens de détermination et de surveillance de l'état de charge de la première batterie, de l'état de charge de la deuxième batterie et de l'état de charge de la batterie auxiliaire, à partir des valeurs des grandeurs surveillées.

Selon une autre particularité, l'unité de commande comporte des moyens de contrôle du courant de charge de la batterie auxiliaire en appliquant des phases de connexion et des phases de déconnexion de la batterie auxiliaire à ladite batterie non sélectionnée.

Selon une autre particularité, la première batterie et la deuxième batterie comportent chacune plusieurs cellules connectées en série et parallèle, chaque cellule comportant au moins une capacité et des moyens de commutation.

L'invention concerne également un procédé de commande mis en œuvre dans l'unité de commande d'un système d'alimentation électrique tel que défini ci-dessus, ledit procédé comportant les étapes suivantes :

Sélectionner au moins une batterie parmi la première batterie ou la deuxième batterie pour fournir ladite tension sur le bus continu d'alimentation en la connectant au bus continu d'alimentation,
Commander une connexion au bus continu d'alimentation de la batterie non sélectionnée, et une charge de ladite batterie auxiliaire en la plaçant en série avec la batterie non sélectionnée et en commutant les cellules de ladite batterie non sélectionnée pour piloter un courant de charge de ladite batterie auxiliaire.

Selon une particularité, l'unité de commande est configurée pour commander une charge de la batterie non sélectionnée par une connexion sur ladite unité de charge/décharge.

Selon une autre particularité, l'unité de commande est configurée pour commander une connexion de la batterie auxiliaire en série à la fois avec la première batterie et la deuxième batterie pour charger la batterie auxiliaire à l'aide d'un courant (I_R) présent sur le bus continu d'alimentation.

L'invention concerne enfin une utilisation du système tel que défini ci-dessus dans un véhicule électrique ou hybride pour alimenter un ou plusieurs équipements électriques dudit véhicule.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit, faite en liaison avec les figures annexées et listées ci-dessous :

La figure 1 représente de manière schématique l'architecture électrique du système ;
La figure 2 représente, de manière schématique, l'architecture de commande du système ;
La figure 3A, figure 3B et figure 3C représentent l'architecture électrique de la figure 1, commandée pour appliquer les trois modes de fonctionnement du système ;
La figure 4 illustre le principe de charge de la batterie auxiliaire lors d'une charge sur le réseau ;
La figure 5 illustre le principe de permutation entre les deux batteries du système, permettant de conserver la fourniture de la tension DC ;
La figure 6 montre un exemple de réalisation du transformateur pouvant être employé dans le système de l'invention ;
La figure 7 représente un exemple de réalisation d'une batterie à cellules commutées ;

Description détaillée d'au moins un mode de réalisation

Dans la suite de la description, le terme DC signifie "Direct Current" pour courant continu, le terme AC signifie "Alternating Current" pour courant alternatif. On parlera aussi de tension AC pour exprimer une tension variable et de tension DC pour exprimer une tension continue.

L'invention concerne un système d'alimentation électrique d'un équipement électrique. Le système est notamment parfaitement adapté pour être implanté dans un véhicule électrique ou hybride. Il est alors embarqué à bord du véhicule et peut participer à la traction du véhicule ou à l'alimentation de divers équipements du véhicule.

Le système comporte un bus continu d'alimentation comprenant deux lignes d'alimentation L1, L2 entre lesquelles peut être appliquée une première tension continue U_DC. Cette tension peut être générée directement par un pack-batterie de capacité adaptée. Pour un pack-batterie employé dans un véhicule électrique ou hybride, cette première tension peut être par exemple de 48V DC ou de 400V DC. Par ailleurs, en cas de freinage du véhicule électrique ou lors d'une recharge via le moteur thermique d'un véhicule hybride, un courant de recharge peut apparaître sur le bus.

Le système d'alimentation électrique comporte ainsi au moins un pack-batterie.

Dans le cadre de l'invention, le pack-batterie comporte au moins une première batterie BATT1 et une deuxième batterie BATT2.

Chaque batterie peut comporter plusieurs modules, chaque module comportant plusieurs cellules de stockage d'énergie électrique.

Par cellule, on entend une cellule élémentaire ou un groupe de cellules élémentaires placées en série et/ou en parallèle. Par cellule élémentaire, il peut s’agir d’un élément de stockage (cellule de batterie, capacité électrique, micro-batterie…), d’un générateur (pile à combustible, pile Zinc-air, cellule photovoltaïque, ou d’une combinaison des deux (générateur associé à un élément de stockage tampon).

Un pack-batterie est destiné à fournir en sortie une première tension continue U_DC (par exemple 48V DC ou 400V DC) disponible sur le bus continu d'alimentation.

Selon une particularité de l'invention illustrée par la , chaque batterie (BATT sur la ) du pack est réalisée selon une architecture dite à cellules commutées. Cette solution permet de remplacer le convertisseur (DC/DC ou DC/AC) en sortie du pack-batterie. Dans cette architecture, chaque cellule Cell_x peut être commandée de manière individualisée. Plusieurs cellules connectées en série et/ou parallèle peuvent former un module M_y. Chaque cellule du pack-batterie peut en effet être commutée entre un état actif et un état inactif grâce à des moyens de commutation S_x1, S_x2 adaptés connectés en série et parallèle de sa capacité C_x (type batterie, condensateur ou super-condensateur). Un système de commande est alors chargé de commander les moyens de commutation pour faire varier la tension fournie par chaque batterie dans sa totalité. Ce type d'architecture est bien connu et notamment décrit dans les demandes de brevet n°WO2013/007810A1, WO2012/117111A1, WO2012/117110A2, WO2012/117/109A1 ou US9493090B2.

En référence à la , les deux batteries BATT1, BATT2 du système sont montées en parallèle entre les deux lignes d'alimentation L1, L2 du bus continu d'alimentation et forment deux branches distinctes, dites première branche portant la première batterie BATT1 et deuxième branche portant la deuxième batterie BATT2. Les deux batteries peuvent ainsi travailler en redondance à la fourniture de la tension DC sur le bus continu d'alimentation. Lorsque l'une des deux batteries fournit la tension U_DC du bus continu d'alimentation, l'autre batterie peut être en charge sur le réseau AC ou assurer la fourniture d'une tension AC pour des composants externes au système.

De cette manière, le système peut être en mesure de maintenir en permanence la tension U_DC sur le bus, en connectant de manière sélective l'une ou l'autre des deux branches.

La première branche et la deuxième branche comportent chacune deux bornes de connexion, une première borne (B1 pour la première branche et B3 pour la deuxième branche) destinée à être reliée à la première ligne d'alimentation L1 du bus et une deuxième borne (B2 pour la première branche et B4 pour la deuxième branche) destinée à être reliée (directement ou indirectement) à la deuxième ligne d'alimentation L2 du bus. Nous verrons ci-après que des moyens de commutation sont agencés pour gérer la connexion sélective de chaque branche au bus continu d'alimentation.

Par ailleurs, le système comporte une troisième batterie, dite batterie auxiliaire B_AUX. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une batterie au plomb, ou encore de type Fer-Phosphate, capable de fournir une tension de 12V ou 24V. Elle permet par exemple d'alimenter le réseau de bord du véhicule, c'est-à-dire par exemple les phares, les vitres, l’ABS au freinage, l’aide à la direction, mais aussi des fonctions bien plus basiques telles que l’ouverture/fermeture centralisée par télécommande. La batterie auxiliaire B_AUX comporte deux bornes B5, B6 pour s'intégrer dans le système.

Le système peut en outre disposer d'un transformateur TR, formant une unité de charge/décharge et comportant deux bornes dites d'entrée B7, B8 et deux bornes dites de sortie B9, B10. Ses deux bornes de sortie peuvent être connectées au réseau AC pour recharger le système. Par ailleurs, il est également possible de proposer une tension AC en sortie du transformateur, entre ses deux bornes de sortie B9, B10, à partir d'une tension U_AC_r redressée (par exemple 48V AC redressée) fournie par l'une ou l'autre des deux batteries entre les deux bornes d'entrée B7, B8 du transformateur. Pour se recharger sur le réseau, les cellules de la batterie (BATT1 ou BATT2) en charge sont commutées de manière adaptée pour se synchroniser sur le réseau AC. Pour cela, la batterie à architecture commutée qui doit se recharger sur le réseau AC, est pilotée par le système de commande de manière à ce que le courant AC de la batterie soit parfaitement en phase avec la tension du réseau. Un algorithme, ayant pour données d’entrées la tension du réseau AC ou son image redressée ainsi que le courant d’échange entre le réseau et la batterie, régule le courant échangé par rapport à un courant de consigne, qui est lui-même sensiblement en phase avec la tension du réseau. Dans un mode de réalisation particulier, la différence de potentiels en entrée (entre les bornes B7-B8) est, via le fonctionnement du transformateur TR, une reproduction de la différence de potentiels présente entre les bornes de sortie (B9-B10) atténuée et redressée. La consigne de courant est alors une image de la tension réseau redressée, ou encore un signal sinusoïdal redressée sensiblement en phase avec la tension réseau redressée.

Le transformateur peut être de tous types et formé d'un assemblage de plusieurs composants, permettant la recharge des batteries sur le réseau AC et la fourniture d'une tension AC. Un exemple de réalisation est présenté sur la et sera décrit ci-après.

Selon un aspect particulier de l'invention, le système au complet peut fonctionner selon les différents modes suivants :

Premier mode de fonctionnement (MOD1) dit normal : Fourniture d'une tension DC (par exemple 48V DC ou 400V DC) constante sur le bus continu d'alimentation, sans présence du réseau. Une seule batterie ou les deux batteries peuvent être connectées au bus pour fixer la tension DC. L’une des deux batteries peut également être configurée pour piloter un courant de charge de la batterie auxiliaire.
Deuxième mode de fonctionnement (MOD2) en charge sur le bus (en mode régénération ou charge via le moteur thermique) : Le système utilise le courant généré sur le bus continu d'alimentation pour se charger. L'une des deux batteries ou les deux batteries BATT1, BATT2 peuvent être en charge simultanément grâce au courant présent sur le bus. Il est également possible de commander l’une des deux batteries pour piloter un courant de charge de la batterie auxiliaire B_AUX, l’autre batterie absorbant alors la différence de courant entre le courant qui circule sur le bus et le courant qui est absorbé par la batterie qui gère la charge de la batterie auxiliaire B_AUX. En variante, il est aussi possible que les deux batteries contribuent en parallèle à la charge de la batterie auxiliaire B_AUX, tout en maintenant une tension DC constante sur le BUS.
Troisième mode de fonctionnement (MOD3) en charge sur le réseau AC : Le système synchronise l’une des deux batteries (BATT1 ou BATT2) sur la tension AC du réseau pour se charger via le transformateur TR. Une seule des deux batteries se charge ainsi sur le réseau, la seconde batterie devant assurer le maintien de la tension continue du BUS (ex. 48V DC ou 400V DC). Lors de la charge de la batterie sur le réseau, le système peut également lui connecter la batterie auxiliaire B_AUX en série et piloter un courant de charge de la batterie auxiliaire B_AUX. Le même principe s'applique en cas de fourniture d'une tension U_AC à l'extérieur du système (que ce soit pour fournir de la puissance à un réseau électrique ou alimenter une charge extérieure). Dans ce dernier cas, l'une des deux batteries est dédiée à la fourniture de la tension U_AC tandis que l'autre maintient la fourniture d'une tension DC constante sur le bus. Avantageusement, le pilotage de la batterie fournissant la tension U_AC pourra être adapté au type de dispositif connecté en sortie (réseau ou charge). Notamment, si c’est le réseau électrique qui est connecté en sortie (utilisation de type "véhicule vers réseau" plus connue sous l’appellation anglaise "vehicle to grid"), le pilotage de la batterie permet avantageusement de contrôler la phase et l’amplitude du courant de sortie par rapport à la tension du réseau.

Pour sélectionner les différents modes de fonctionnement et permettre une charge de la batterie auxiliaire, le système comporte différents moyens de commutation. De manière générale, ces moyens de commutation doivent permettre de :

Connecter chaque batterie BATT1, BATT2 de manière distincte aux deux lignes du bus ou aux deux bornes du transformateur ;
Connecter la batterie auxiliaire B_AUX en série avec la première batterie et/ou en série avec la deuxième batterie ;
Contourner la batterie auxiliaire B_AUX ;

Autrement dit, il s'agit de permettre de connecter au choix entre les deux lignes du bus continu d'alimentation ou entre les deux bornes du transformateur :

La première batterie seule ou la deuxième batterie seule, ou
Les deux batteries simultanément, en parallèle, ou
Un ensemble première batterie+batterie auxiliaire en série, ou
Un ensemble deuxième batterie+batterie auxiliaire en série, ou
Un ensemble première batterie+deuxième batterie+batterie auxiliaire.

Pour remplir ces objectifs, le système peut comporter différents moyens de commutation. En référence aux figures annexées, de manière non limitative, le système peut ainsi comporter :

Des premiers moyens de commutation C1 agencés en série avec la première batterie BATT1 et destinés à connecter la première batterie à la première ligne d'alimentation du bus ou à la première borne du transformateur ;
Des deuxièmes moyens de commutation C2 agencés en série avec la deuxième batterie BATT2 et destinés à connecter la deuxième batterie à la première ligne d'alimentation du bus ou à la première borne du transformateur ;
Des troisièmes moyens de commutation C3 agencés pour connecter la première branche entre les deux lignes d'alimentation du bus, de manière directe ou à travers la batterie auxiliaire B_AUX ; La batterie auxiliaire est alors mise en série avec la première batterie ;
Des quatrièmes moyens de commutation C4 agencés pour connecter la deuxième branche entre les deux lignes d'alimentation du bus, de manière directe ou via la batterie auxiliaire B_AUX ; La batterie auxiliaire est alors mise en série avec la deuxième batterie ;

A titre d'exemple, les premiers moyens de commutation C1 peuvent comporter un premier interrupteur S1 agencé entre la première borne de la première branche et la première ligne d'alimentation et un deuxième interrupteur S2 agencé entre la première borne de la première branche et la première borne du transformateur.

A titre d'exemple, les deuxièmes moyens de commutation C2 peuvent comporter un premier interrupteur S3 agencé entre la première borne de la deuxième branche et la première ligne d'alimentation et un deuxième interrupteur S4 agencé entre la première borne de la deuxième branche et la première borne du transformateur.

A titre d'exemple, les troisièmes moyens de commutation C3 peuvent comporter un premier interrupteur S5 agencé entre la deuxième borne de la première branche et la deuxième ligne d'alimentation et un deuxième interrupteur S6 agencé entre la deuxième borne de la première branche et la première borne de la batterie auxiliaire, la deuxième borne de la batterie auxiliaire étant connectée directement sur la deuxième ligne d'alimentation.

A titre d'exemple, les quatrièmes moyens de commutation C4 peuvent comporter un premier interrupteur S8 agencé entre la deuxième borne de la deuxième branche et la deuxième ligne d'alimentation et un deuxième interrupteur S7 agencé entre la deuxième borne de la deuxième branche et la première borne de la batterie auxiliaire, la deuxième borne de la batterie auxiliaire étant connectée directement sur la deuxième ligne d'alimentation.

Par ailleurs, en référence à la , pour gérer les modes de fonctionnement MOD1, MOD2, MOD3, le système comporte :

Des moyens de mesure de la tension U_batt1 aux bornes de la première batterie ;
Des moyens de mesure du courant I_batt1 circulant à travers la première branche ;
Des moyens de mesure de la tension U_batt2 aux bornes de la deuxième batterie ;
Des moyens de mesure du courant I_batt2 circulant à travers la deuxième branche ;
Des moyens de mesure de la tension U_AC_r entre les bornes d'entrée du transformateur ;
Des moyens de mesure de la tension U_AC entre les bornes de sortie du transformateur ;
Des moyens de communication d'ordres de commande à destination des différents moyens de commutation ;
Des moyens de mesures de la température des cellules de chaque batterie du système ;

Le système comporte une unité de commande et de traitement UC chargée de gérer les différents modes de fonctionnement et de commander les moyens de commutation et les cellules de chaque batterie pour mettre en œuvre le mode de fonctionnement sélectionné. L'unité de commande comporte ainsi :

Des moyens 10 de surveillance des grandeurs suivantes :
- La tension U_batt1 aux bornes de la première batterie,
- La tension U_batt2 aux bornes de la deuxième batterie,
- La tension U_aux aux bornes de la batterie auxiliaire,
- Le courant I_batt1 qui circule dans la première branche,
- Le courant I_batt2 qui circule dans la deuxième branche,
- Le courant I_aux de charge de la batterie auxiliaire B_AUX.
- La tension U_DC du bus continu d'alimentation ;
- La tension U_AC présente sur les bornes de sortie du transformateur
- La tension U_AC_r présente sur les bornes d'entrée du transformateur ;
Des moyens 20 de détermination et de surveillance de l'état de charge SOC_batt1 de la première batterie, de l'état de charge SOC_batt2 de la deuxième batterie et de l'état de charge SOC_aux de la batterie auxiliaire, à partir des valeurs des grandeurs surveillées ;
Des moyens 30 de détermination du mode de fonctionnement (MOD1, MOD2 ou MOD3) à appliquer, en tenant compte de différentes contraintes) :
- Maintien de la tension U_DC sur le bus à un niveau sensiblement constant ;
- Maintien de l'état de charge de la première batterie et de la deuxième batterie au-dessus d'un seuil déterminé ou à des niveaux sensiblement identiques (ex. équilibrage de tension, ou équilibrage d’état de charge éventuellement pondéré par la température, le vieillissement, la disponibilité en puissance…) ;
- Maintien de l'état de charge de la batterie auxiliaire au-dessus d'un seuil déterminé ;
Des moyens 40 de détermination du courant de charge I_aux_c à appliquer à la batterie auxiliaire B_AUX ; Il peut s’agir, en fonction de l’état de charge de la batterie auxiliaire, de moduler l’intensité du courant de charge I_aux_c pour optimiser la qualité de la recharge. A faible état de charge SOC_aux de la batterie auxiliaire, un courant de charge important peut être fourni et en fin de charge une réduction de son intensité va permettre une recharge plus profonde. Dans tous les cas, un courant maximal de charge ne doit pas être dépassé. Ce courant maximal de charge peut être déterminé a priori par le constructeur, par exemple en fonction de la température et à condition de ne pas sortir de la plage de tension autorisée. De manière optimisée, ce courant maximal de charge peut dépendre de l'état de charge de la batterie auxiliaire B_AUX, de son état de santé et de son impédance interne, de manière à prolonger sa durée de vie sans trop pénaliser son temps de recharge. Ensuite, dans l’application, un des objectifs est de garder cette batterie auxiliaire B_AUX chargée le plus possible pour qu’elle reste complètement disponible. Il s’agit de profiter de toutes les phases où le courant est négatif sur le bus DC et/ou en présence d’une puissance de recharge AC à partir du réseau pour la maintenir chargée. Il faut noter que le pire cas de fonctionnement peut être le mode dit "normal" MOD1 exposé ci-dessus, dans lequel la batterie auxiliaire B_AUX n'est pas forcément rechargée. Dans ce cas, la batterie auxiliaire n’est pas rechargée tant que son état de charge SOC_aux n’est pas critique et en dessous d’un seuil. Si le courant demandé sur le bus DC n’est pas trop élevé, l'une des deux batteries BATT1 ou BATT2 peut basculer en mode régulation de courant pour recharger la batterie auxiliaire B_AUX. Le dimensionnement des capacités (en Ah) relatives entre la batterie auxiliaire et les deux batteries BATT1, BATT2 est tel que la plupart du temps les deux batteries BATT1, BATT2 ont besoin d’être rechargées avant que la batterie auxiliaire ne soit trop déchargée, ce mode de recharge reste donc relativement rare. Il permet de satisfaire des cas extrêmes, comme par exemple le véhicule à l’arrêt ou à vitesse lente (faible puissance tirée sur BATT1 et BATT2) alors que les accessoires tels que la direction assistée tirent un gros courant sur la batterie auxiliaire.
Des moyens 50 de génération des commandes vers les moyens de commutation pour placer le système dans le mode de fonctionnement sélectionné et vers les cellules commutées Cell_Batt1, Cell_Batt2 de l'une ou l'autre des batteries pour ajuster le courant de charge de la batterie auxiliaire B_AUX ;

Dans chacun des trois modes de fonctionnement exposés ci-dessus, il est possible de prévoir une connexion de la batterie auxiliaire B_AUX pour la charger, comme détaillé ci-dessous :

Premier mode de fonctionnement – : L'une des deux batteries, par exemple la deuxième batterie BATT2, est connectée au bus continu d'alimentation pour fournir la tension U_DC sur le bus et la batterie auxiliaire B_AUX peut être connectée en série avec l'autre batterie, respectivement la première batterie BATT1. Un courant I_batt2 peut être généré par la deuxième batterie BATT2. La première batterie BATT1 est ainsi connectée sur le bus pour prélever un courant de charge I_batt1 et est pilotée par l'unité de commande pour fournir le courant de charge I_aux adapté à la charge de la batterie auxiliaire B_AUX. Bien entendu, il est possible d'inverser le fonctionnement entre la première batterie et la deuxième batterie.

La illustre l'architecture du système pour la mise en œuvre de ce premier mode de fonctionnement. Sur cette , on peut voir que :

La deuxième branche est connectée au bus continu d'alimentation, en fermant l'interrupteur S3 et l'interrupteur S8.
La première branche est connectée au bus continu d'alimentation via la batterie auxiliaire, en fermant l'interrupteur S1 et l'interrupteur S6.

Une variante de ce mode de fonctionnement consiste à connecter les deux batteries BATT1 et BATT2 au bus continu d'alimentation pour fournir la tension U_DC sur le bus, et à déconnecter la batterie B_AUX des batteries BATT1 et BATT2 en ouvrant les interrupteurs S6 et S7. Ce mode de fonctionnement peut être intéressant si une forte puissance est demandée sur le bus.

Deuxième mode de fonctionnement – : Un courant I_R est généré sur le bus continu d'alimentation (en mode régénératif lors du freinage ou généré grâce au moteur thermique du véhicule). Ce courant I_R peut être employé pour la charge de la batterie auxiliaire. La batterie auxiliaire B_AUX est ainsi connectée en série avec au moins l'une des deux batteries, par exemple la première batterie BATT1 et cette dernière est connectée sur le bus et pilotée par l'unité de commande UC pour générer le courant de charge I_aux adapté à la charge de la batterie auxiliaire B_AUX. La deuxième batterie BATT2 peut également être connectée sur le bus pour se charger avec le courant I_R disponible sur le bus.

La illustre l'architecture du système pour la mise en œuvre du deuxième mode de fonctionnement. Sur cette , on peut voir que :

Selon le courant de charge souhaité pour la batterie auxiliaire B_AUX, la deuxième batterie BATT2 peut aussi être branchée en série avec la batterie auxiliaire B_AUX en fermant les interrupteurs S3 et S7 et en ouvrant l'interrupteur S8. La batterie auxiliaire B_AUX voit alors l’ensemble du courant de recharge I_R.

Il faut noter que lorsque la batterie auxiliaire B_AUX est connectée en série avec les deux batteries BATT1, BATT2 en même temps, le courant de charge I_aux de la batterie auxiliaire peut ne pas être régulé et correspond alors directement au courant de recharge I_R.

Troisième mode de fonctionnement – : L'une ou l'autre des deux batteries (BATT1) se charge sur le réseau AC via le transformateur TR. Si nécessaire, l'autre batterie, qui est non en charge, peut continuer à fournir la tension DC. La recharge de la batterie auxiliaire B_AUX peut être réalisée à travers la branche en charge connectée au réseau AC. Sa charge est contrôlée en fonction du niveau de tension du réseau, du courant traversant les cellules de la batterie BATT1 et selon son état de charge. Dès lors que la tension réseau est supérieure à 12V, il est possible de connecter la batterie auxiliaire B_AUX. Le temps de connexion de la batterie auxiliaire B_AUX dépend de son état de charge.

La illustre l'architecture du système pour la mise en œuvre du troisième mode de fonctionnement. Sur cette figure, on peut voir que :

La deuxième branche est connectée au bus continu d'alimentation, en fermant l'interrupteur S3 et l'interrupteur S8.
La première branche est connectée au transformateur via la batterie auxiliaire, en fermant l'interrupteur S2 et l'interrupteur S6. Dans cette configuration, il faut noter qu'il peut s'avérer nécessaire d'ouvrir l'interrupteur S6 et de fermer l'interrupteur S5 lorsque la différence de potentiels entre les bornes d'entrée B7 et B8 du transformateur passe en dessous de la tension U_aux présente aux bornes de la batterie auxiliaire.

La illustre le principe de fonctionnement du troisième mode de fonctionnement. Cette figure représente un diagramme temporel illustrant de manière schématique le principe de connexion et de déconnexion de la batterie auxiliaire B_AUX lors de sa charge. Sur ce schéma, on peut voir que lorsque la tension U_AC dépasse 12V, la batterie auxiliaire B_AUX est connectée sur une durée T1. Dans cette configuration, comme la batterie auxiliaire B_AUX voit tout le courant de charge de la batterie à laquelle elle est connectée, pour ajuster la puissance délivrée à la batterie auxiliaire, elle est déconnectée sur une période T2. Cette période de déconnexion T2 peut être de largeur quelconque comprise entre 0 et la distance temporelle qui sépare le début de la période T1 à la fin de la période T3. De même, sa position temporelle peut être quelconque, à partir du moment où la période T2 s’inscrit entre le début de la période T1 et la fin de la période T3. En variante, entre le début de la période T1 et la fin de la période T3, la période T2 peut être distribuée sous la forme de plusieurs zones de déconnexion.

Le schéma représenté sur la indique comment permuter les deux batteries BATT1, BATT2 sans pour autant modifier le principe de recharge de la batterie auxiliaire lors d’une recharge sur le réseau AC.

Pour intervertir les fonctions que réalise chaque branche du pack et ainsi maintenir la tension U_DC, l'unité de commande UC doit suivre les étapes suivantes :

Initialement, l’une des deux batteries (BATT1) fournit tension U_DC et l’autre batterie (BATT2) est connectée au transformateur pour fournir une tension AC utile à l'extérieur du système ou pour se charger sur le réseau AC ;
A t1 : Piloter la commutation des cellules de la deuxième batterie BATT2 pour stopper la charge (au zéro de tension par exemple).
A t2 : Piloter les deuxièmes moyens de commutation C2 pour déconnecter la batterie BATT2 du réseau.
A t3 : Piloter la commutation des cellules de la deuxième batterie BATT2 pour générer la tension V_DC (par exemple 48V DC ou 400V DC).
A t4 : Piloter les premiers moyens de commutation C1 et les deuxièmes moyens de commutation C2 pour connecter la première batterie BATT1 et la deuxième batterie BATT2 au bus continu d'alimentation. Les deux batteries sont alors en parallèle pour fournir la tension U_DC.
A t5 : Piloter la commutation des cellules de la première batterie pour stopper sa fourniture de la tension U_DC.
A t6 : Piloter les premiers moyens de commutation C1 pour déconnecter la première batterie BATT1 du bus continu d'alimentation.
A t7 : Piloter la commutation des cellules de la première batterie BATT1 pour suivre la tension réseau U_AC.
A t8 : Piloter les premiers moyens de commutation pour connecter la première batterie BATT1 sur le réseau (ou pour fournir une tension utile à l’extérieur du système).

Le principe de connexion de la batterie auxiliaire, comme expliqué ci-dessus en liaison avec la , reste valable lors de la permutation entre les deux batteries principales.

En référence à cette , même s'il ne fait pas partie du cœur de l'invention, il faut noter que le transformateur TR peut être un simple transformateur 50/60Hz associé à un pont redresseur actif. Le transformateur 50/60Hz permet d’abaisser la tension du réseau AC avant d’être redressé pour générer une tension compatible avec les tensions que la première batterie BATT1 et la deuxième batterie BATT2 peuvent gérer.

Lors de la recharge sur le réseau, son pont redresseur peut ainsi être en mode passif, l’équivalent d’un pont de diode ou actif pour réduire les pertes dans les interrupteurs.
Lors de la génération d’une tension AC, par exemple de 110V ou 230V AC, son pont redresseur doit être commandé, de manière à produire des alternances positives et négatives, les deux batteries BATT1 et BATT2 ne pouvant générer que des arches positives. Le transformateur voit alors bien une tension alternative, ce qui est indispensable à son fonctionnement.

En variante, il est également possible d'employer un transformateur dit HF "Haute Fréquence", moins encombrant. Il s’agit alors d’alterner à haute fréquence (typiquement >10kHz) la polarité de la tension d’entrée avant de la faire passer dans le transformateur HF. En sortie de ce transformateur, la tension HF est redressée et il peut s'avérer nécessaire d'inverser une alternance "basse fréquence" sur deux si on veut retrouver la polarité négative.

Sur la , en dessous du schéma, on voit les actions de chaque étage sur le signal. Le fonctionnement est bidirectionnel en puissance à partir du moment où des commandes adaptées sont envoyées sur les interrupteurs. Il permet donc aussi bien la recharge à partir du réseau, que la fourniture d’une tension AC, similaire à celle du réseau, à partir des batteries.

On comprend de ce qui précède que la solution présente de nombreux avantages, parmi lesquels :

Elle permet une fourniture permanente d'une tension constante sur le bus continu d'alimentation, par la mise en redondance des deux batteries ;
Elle permet de maintenir chargée la batterie auxiliaire, dans tous les modes de fonctionnement ;
Elle permet la fourniture des différentes tensions nécessaires à la réalisation des modes de fonctionnement sans convertisseurs DC/DC ou DC/AC spécifiques ;
Elle permet de fournir une tension AC pour des composants externes au système.

Claims

Système d'alimentation électrique d'un équipement électrique, qui comporte :
Un bus continu d'alimentation,

Une première batterie (BATT1) apte à fournir une première tension continue sur ledit bus continu d'alimentation, ladite première batterie comprenant des premières cellules commutables,

Une batterie auxiliaire (B_AUX) configurée pour fournir une deuxième tension continue (U_AUX), distincte de la première tension continue,

Une unité de commande (UC),

Caractérisé en ce qu'il comporte :

Une deuxième batterie (BATT2) apte à fournir ladite première tension continue sur ledit bus continu d'alimentation, ladite deuxième batterie étant montée en parallèle de ladite première batterie, ladite deuxième batterie comprenant des deuxièmes cellules commutables,

Des premiers moyens de commutation (C1) agencés pour connecter ou déconnecter la première batterie du bus continu d'alimentation,

Des deuxièmes moyens de commutation (C2) agencés pour connecter ou déconnecter la deuxième batterie du bus continu d'alimentation,

Des troisièmes moyens de commutation (C3, C4) configurés pour connecter ou déconnecter la batterie auxiliaire en série avec la première batterie et/ou en série avec la deuxième batterie,

Ladite unité de commande (UC) étant configurée pour :

Sélectionner au moins une batterie parmi la première batterie et la deuxième batterie pour fixer ladite tension sur le bus continu d'alimentation en la connectant au bus continu d'alimentation,

Commander une connexion au bus continu d'alimentation de la batterie non sélectionnée, et une charge de ladite batterie auxiliaire (B_AUX) en la plaçant en série avec la batterie non sélectionnée et en commutant les cellules de ladite batterie non sélectionnée pour piloter un courant de charge (I_aux) de ladite batterie auxiliaire.
Système selon l'une des revendications 1, caractérisé en ce que les premiers moyens de commutation (C1) sont agencés pour connecter ou déconnecter la première batterie à une unité de charge/décharge destinée à être connectée à un réseau alternatif.
Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de commutation (C2) sont agencés pour connecter ou déconnecter la deuxième batterie à ladite unité de charge/décharge.
Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'unité de commande (UC) est configurée pour commander une charge de la batterie non sélectionnée par une connexion sur ladite unité de charge/décharge.
Système selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'unité de commande (UC) est configurée pour commander la fourniture d'une tension variable à ladite unité de charge/décharge en connectant la première batterie ou la deuxième batterie à ladite unité de charge/décharge.
Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité de commande (UC) est configurée pour commander une connexion de la batterie auxiliaire (B_AUX) en série à la fois avec la première batterie (BATT1) et la deuxième batterie (BATT2) pour charger la batterie auxiliaire à l'aide d'un courant (I_R) présent sur le bus continu d'alimentation.
Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'unité de commande comporte des moyens (10) de surveillance des grandeurs suivantes :
La tension (U_batt1) aux bornes de la première batterie,

La tension (U_batt2) aux bornes de la deuxième batterie,

La tension (U_aux) aux bornes de la batterie auxiliaire,

Le courant (I_batt1) qui circule dans une première branche portant la première batterie,

Le courant (I_batt2) qui circule dans la deuxième branche portant la deuxième batterie,

Le courant (I_aux) de charge de la batterie auxiliaire (B_AUX).

La tension (U_DC) du bus continu d'alimentation ;
Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité de commande (UC) comporte des moyens (20) de détermination et de surveillance de l'état de charge (SOC_batt1) de la première batterie, de l'état de charge (SOC_batt2) de la deuxième batterie et de l'état de charge (SOC_aux) de la batterie auxiliaire, à partir des valeurs des grandeurs surveillées.
Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'unité de commande comporte des moyens de contrôle du courant de charge (I_aux) de la batterie auxiliaire (B_AUX) en appliquant des phases de connexion et des phases de déconnexion de la batterie auxiliaire à ladite batterie non sélectionnée.
Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la première batterie et la deuxième batterie comportent chacune plusieurs cellules connectées en série et parallèle, chaque cellule comportant au moins une capacité et des moyens de commutation.
Procédé de commande mis en œuvre dans l'unité de commande (UC) d'un système d'alimentation électrique tel que défini dans l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
Sélectionner au moins une batterie parmi la première batterie ou la deuxième batterie pour fournir ladite tension sur le bus continu d'alimentation en la connectant au bus continu d'alimentation,

Commander une connexion au bus continu d'alimentation de la batterie non sélectionnée, et une charge de ladite batterie auxiliaire (B_AUX) en la plaçant en série avec la batterie non sélectionnée et en commutant les cellules de ladite batterie non sélectionnée pour piloter un courant de charge (I_aux) de ladite batterie auxiliaire.
Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'unité de commande est configurée pour commander une charge de la batterie non sélectionnée par une connexion sur une unité de charge/décharge.
Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que l'unité de commande est configurée pour commander une connexion de la batterie auxiliaire en série à la fois avec la première batterie (BATT1) et la deuxième batterie (BATT2) pour charger la batterie auxiliaire (B_AUX) à l'aide d'un courant (I_R) présent sur le bus continu d'alimentation.
Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'unité de commande (UC) est configurée pour commander la fourniture d'une tension variable à ladite unité de charge/décharge en connectant la première batterie ou la deuxième batterie à ladite unité de charge/décharge.
Utilisation du système tel que défini dans l'une des revendications 1 à 10 dans un véhicule électrique ou hybride pour alimenter un ou plusieurs équipements électriques dudit véhicule.