Brevet FR2860353A1 — publié le 20050401

I MODULE DE TRANSFERT DE CHARGES ENTRE DEUX DIPOLES. La présente invention concerne un système d'équilibrage d'un dispositif de stockage d'énergie, notamment à base de cellules de batterie rechargeable, telles des cellules électrochimiques ou des supercapacités, le système comprenant des modules de transfert de charge entre deux dipôles. Ces dispositifs de stockage sont couramment utilisés dans les milieux industriels et aéronautique, comme source d'énergie de secours, lorsque le réseau d'alimentation est défectueux, ou au démarrage. Il est très important de maintenir ces dispositifs en état de charge complète, car ils doivent être opérationnels sur demande. Ceci suppose une surveillance de leur charge avec déclenchement de leur recharge le cas échéant, et une recharge après usage. Ces dispositifs comprennent habituellement une pluralité d'éléments de stockage identiques connectés en série, par exemple des cellules électrochimiques ou des supercapacités. Le nombre d'éléments dépend de l'application visée: typiquement 24 volts dans le domaine industriel, 28 volts dans le domaine de l'aéronautique et 42 volts dans le domaine de l'automobile. Si on prend des cellules électrochimiques de type lithiumion (4 volts pour une cellule chargée) et une application aéronautique, un dispositif de stockage d'énergie comprend ainsi typiquement 7 éléments. Un chargeur, comprenant un convertisseur de puissance alimenté par le réseau et dont la sortie est régulée en tension et en courant, permet de charger les cellules qui sont connectées en série. Les éléments de stockage utilisés sont tels que la tension à leurs bornes est fonction de l'état de charge. De manière connue, ces éléments de stockage supportent mal les surcharges et/ou les décharges trop importantes. Si on prend l'exemple de cellules de batterie rechargeable de type lithium-ion, ces cellules ont des performances énergiques et massiques très intéressantes, mais posent des problèmes de gestion de leur charge au fur et à mesure de leur exploitation. Ceci est gênant pour des applications dans lesquelles une longue durée et une grande fiabilité sont recherchées. Notamment, ces cellules sont très sensibles aux surtensions, ce qui nécessite un contrôle de la tension aux bornes de chaque cellule. Si on prend l'exemple des supercapacités qui sont des capacités obtenues par des empilements de films minces, et qui se caractérisent par une faible tension (de l'ordre du volt à quelques volts), et une valeur de capacité très élevée, de l'ordre de plusieurs farads, la tension aux bornes de chaque capacité peut se décaler par rapport à celle des autres capacités en raison de différences de valeurs et ou de courants de fuite. Mis en série, les éléments de stockage ne vont donc pas tous se comporter de la même façon: ils peuvent être dans un état de charge initial différent; certains peuvent avoir des courants de fuite; d'autres une capacité de stockage énergétique différente, soit due à une dispersion initiale naturelle entre éléments soit due à un vieillissement. Toutes ces différences de comportement se traduisent par un temps de recharge et des tensions qui varient. Si on gère la recharge du dispositif de stockage en observant la tension à ses bornes, si une cellule se recharge plus vite que les autres, elle va se retrouver en surcharge ( tension supérieure à 4 volts pour une cellule au lithium). Inversement, une cellule beaucoup plus lente à se recharger va se retrouver en sous-charge (tension en dessous de 3,5 volts pour une cellule au lithium). Dans les deux cas, ce sont des conditions très défavorables à la fiabilité de ces cellules, et par voie de conséquence, du dispositif de stockage lui-même. En outre, les différences d'état de charges qui peuvent exister initialement vont s'accentuer au fil des cycles de charge/décharge, induisant un mauvais fonctionnement du dispositif, par dégradation prématurée de ses performances. Pour ces différentes raisons, une gestion rigoureuse d'un tel dispositif de stockage d'énergie pour en améliorer la fiabilité ne peut se baser sur le seul contrôle de la tension disponible aux bornes terminales du dispositif. On utilise ainsi une unité de contrôle de batterie généralement dénommée BMU selon l'acronyme anglais pour "Battery Monitoring Unit" (signifiant unité de contrôle de batterie) qui agit comme un mécanisme de protection. Cette BMU vérifie que chacun des éléments de stockage ne dépasse pas une tension de seuil critique en charge et/ou décharge. En outre, elle contrôle l'activation d'un système d'équilibrage des éléments série du dispositif de stockage d'énergie. La fonction d'un tel système d'équilibrage est de maintenir une tension identique sur tous les éléments de stockage. Le principe de base de l'équilibrage consiste en la surveillance par la BMU de toutes les différences de tension entre les éléments série du dispositif de stockage, pour déclencher le système d'équilibrage dès que au moins une de ces différences de tension dépasse une certaine valeur critique. Par exemple, si on dépasse 60 millivolts entre l'élément de stockage le plus chargé et l'élément de stockage le moins chargé, le système d'équilibrage est déclenché. Le système d'équilibrage sera arrêté lorsque la différence de tension repassera à une valeur acceptable, par exemple 30 millivolts. De manière générale, un module de transfert de charge entre deux dipôles prélève une quantité d'énergie sur le dipôle le plus chargé pour la transférer sur l'autre dipôle qui l'est moins. Dans l'invention, on s'intéresse aux modules qui assurent un transfert de charge bidirectionnel, et linéaire au premier ordre à proximité de la zone d'équilibre de tensions. Le courant injecté dans le dipôle sur lequel s'opère le transfert, qui présente la tension à ses bornes la plus faible, doit être proportionnel à la différence de tension entre les deux dipôles lorsque ces tensions sont proches l'une de l'autre. Des non linéarités peuvent être introduites pour des raisons de sécurité, en particulier du type limitation de courant, lorsque l'on s'écarte trop de la zone d'équilibre de tension. En effet, injecter un courant trop élevé si les tensions sont trop déséquilibrées peut se révéler dangereux pour les cellules de stockage énergétique ainsi que pour le système de compensation. Un module de transfert de charges habituellement utilisé est du type à pompe de charges. Une illustration d'un module de ce type, est donnée sur la figure 1. Dans cet exemple, le module de transfert 1 est du type tripôle: il a trois bornes A, B et C. Il est connecté à une paire de dipôles El et E2 ayant un point de connexion en commun N et deux bornes externes PI, P2. Les bornes A, B, C sont chacune respectivement connectées à PI, P2 et N. Le module de transfert doit fournir sur le dipôle le moins chargé, un courant I proportionnel à la différence de tension AV= VAC VBc. Dans l'exemple, ce module est formé d'un condensateur 2 et de deux paires d'interrupteurs haut et bas (T1, B1) (T2, B2), par lesquels le condensateur 2 est alternativement connecté en parallèle sur un dipôle El, par les bornes A et C, puis sur l'autre E2, par les bornes C et B. La commutation des interrupteurs suit la fréquence horloge d'un signal de commande com, fourni typiquement par un circuit de commande tel un circuit BMU d'une batterie. L'application d'un signal de commande com de type binaire, à la fréquence f, provoque la commutation alternative des deux paires, la 5 première paire (Ti, B1) sur le niveau haut ("1") du signal com et la deuxième paire (T2, B2) sur le niveau bas ("0"). Ces modules de transfert ont un inconvénient majeur lié à la forme du courant lors des échanges de charge. En effet, comme représenté sur la figure 2, un pic de courant instantané apparaît à la commutation du condensateur d'un dipôle (VI) sur l'autre (V2). En pratique, le courant crête instantané le peut ainsi être 10 fois la valeur moyenne du courant de charge imoy. Ceci entraîne une perte d'environ la moitié de l'énergie stockée dans le condensateur du module de transfert. Par ailleurs, les interrupteurs doivent être surdimensionnés pour ne pas être endommagés. Enfin, cela oblige généralement à prévoir des éléments de filtrage EMI contre les interférences électromagnétiques ( ElectroMagnetic Interference ) (non représentés), de taille importante, disposés entre les interrupteurs et les dipôles. En outre, s'agissant de cellules de batterie de type Lithium-Ion ou de supercapacités, une variation de tension de l'ordre de moins de 1% représentant plus de 10% de la capacité de la batterie, le module de compensation de charge doit présenter un très fort gain en courant, donné par le ratio entre la différence de tension AV sur le courant de compensation. Ceci s'avère très difficile à réaliser d'un point de vue technologique (taille de la capacité, résistance parasites, ...) Un but de l'invention est un module de transfert de charge qui n'a pas les inconvénients précités. Un autre but de l'invention est un module de transfert de charge qui présente un fort gain courant/tension et qui soit facilement réglable sans être sensible aux éléments parasites. Ce but est atteint par un module de transfert de charge entre deux dipôles, ayant une borne en commun, ledit module étant du type tripôle avec une première, une deuxième et une troisième électrodes de compensation, connectées à des bornes correspondantes des dipôles. Selon l'invention, le module comprend un étage de compensation connecté aux dites électrodes de compensation, comprenant un interrupteur haut et un interrupteur bas en série entre la première électrode et la deuxième électrode et une inductance connectée entre la troisième électrode reliée à la borne commune des dipôles, et le noeud de connexion entre lesdits interrupteurs, lesdits interrupteurs étant chacun commandés par un circuit de commande fournissant un signal de commutation des interrupteurs dont le rapport cyclique est asservi à la différence entre une mesure du courant moyen dans ladite inductance et une consigne en courant proportionnelle à la différence de tension entre les dipôles. Les interrupteurs sont de préférence commandés par un circuit de modulation de la durée de l'impulsion (PWM) en fonction de l'écart entre le courant moyen dans l'inductance et la consigne en courant. Le module comprend un circuit de mesure de tension aux bornes des dipôles, fournissant en sortie la consigne en courant. De préférence, ce circuit de mesure est connecté aux dipôles par des fils de connexion différents de ceux utilisés pour la compensation de charge. Dans un perfectionnement, le module de transfert comporte deux étages de compensation et deux circuits de modulation de la durée de l'impulsion déphasés de 180 . L'invention concerne aussi un système électronique comprenant un chargeur et un dispositif de stockage d'énergie rechargeable par ce 25 chargeur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels: -la figure 1 déjà décrite est un schéma d'un module de transfert du type à pompe de charges selon l'état de la technique; -la figure 2 illustre le courant d'appel à la commutation d'un tel module; -la figure 3 est un schéma d'un module transfert de charge asservi 35 selon un premier mode de réalisation de l'invention; -la figure 4 illustre les formes d'onde aux bornes de l'inductance d'un tel module; la figure 5 est un schéma d'un module transfert de charge asservi selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; -la figure 6 illustre les formes d'onde aux bornes de l'inductance d'un tel module; et - la figure 7 est un schéma bloc d'un système d'équilibrage d'un dispositif de stockage d'énergie utilisant un module de transfert de charge selon l'invention. Sur la figure 3 est représenté un module de transfert de charge entre deux dipôles ayant un point en commun, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans la suite, les éléments communs dans les figures portent les 15 mêmes références. Le module de transfert 10 est du type tripôle A, B, C. II est connecté aux bornes PI, P2 et N des deux dipôles El et E2 qui ont le point N en commun. Le module comprend une inductance L, un interrupteur haut ST et 20 un interrupteur bas SB, qui forment un circuit de compensation. Les deux interrupteurs ST et SB sont connectés en série entre les bornes A et B. L'inductance L est connectée à une extrémité, à la borne C, et à l'autre extrémité, au noeud de connexion 11 entre les deux interrupteurs. Chaque interrupteur est commandé par un signal de commande, noté comT pour l'interrupteur ST et coma pour l'interrupteur SB. Les deux interrupteurs ST, et SB sont commandés de façon non recouvrante avec un rapport cyclique asservi à l'écart de courant entre le courant moyen mesuré 'mes dans l'inductance L et une consigne en courant cons. La mesure du courant moyen Imes dans l'inductance sera typiquement réalisé par une résistance de mesure de courant mise en série avec l'inductance, ou par tout autre dispositif de mesure Dmes adéquat. Le courant de consigne I,,ns doit être proportionnel à la différence de tension V[p1_Nl V[p2_N] entre les deux dipôles. Pour ne pas être perturbé par les fils de connexion fi, f2, f3 entre les dipôles et le module de transfert de charge, on utilise une technique de mesure de consigne de type kelvin. Un dispositif de mesure de tension 20 est ainsi prévu, connecté aux dipôles par ses propres fils de mesure fi, f2, f3, et disposé physiquement au plus près de ces dipôles. Ainsi, la mesure de la consigne en courant n'est pas perturbée par la résistance parasite des fils f1, f2, f3 assurant la compensation. On a ainsi un module de transfert asservi, contrairement au module de l'état de la technique présenté sur la figure 1 qui fonctionne en boucle ouverte. Avec un tel montage séparant les fils de mesure de tension (fi, f2, f'3), des fils de compensation (fi, f2, f3), on obtient un module de transfert de charge particulièrement adapté aux applications dans lesquelles il est nécessaire de faire passer un courant de plusieurs ampères, par exemple de l'ordre de 10 ampères, pour compenser une faible différence de tension, typiquement de l'ordre de 50 millivolts, entre les dipôles. En effet, ce montage permet de mesurer exactement la différence de tension entre les dipôles sans être perturbé par les chutes de tension dues au courant de compensation passant à travers les résistances parasites des fils de compensation (fi, f2, f3). Le circuit de mesure de tension 20 comprend typiquement un amplificateur opérationnel 21, dont une entrée + est connectée au noeud commun N des dipôles, et dont l'autre entrée est connectée au point milieu 22 d'un pont diviseur résistif RI, R2, connecté entre les bornes P1 et P2 des dipôles. En pratique, il faut R1=R2. Le gain est réglé de manière connue par une résistance RG 25 connectée entre la sortie de l'amplificateur opérationnel et son entrée -. La sortie fournit la consigne en courant I . Selon un mode de réalisation de l'invention, les signaux de commande comT, coma pour commander les interrupteurs ST et SB de manière non recouvrante, en fonction de l'écart entre la mesure du courant moyen dans l'inductance et la consigne en courant sont fournis par un circuit de modulation de la largeur d'impulsion PWM, recevant un signal de synchronisation en fréquence SYNC en entrée. En pratique, le rapport cyclique est proche de '/2 car les tensions aux bornes de El et de E2 sont très voisines. Sur la figure 4, on a représenté la forme d'onde IL dans l'inductance, les courants IEI, IE2 dans les dipôles El et E2, la tension VL aux bornes de l'inductance, ainsi que les signaux de commande comT et comB. Le courant IEl, respectivement IE2 circulant dans El, respectivement E2 est haché à 50%, ce qui nécessite la mise en place d'un filtre EMI, mais de taille modeste comparé à celui nécessaire pour un système à base de pompe de charge. Avec un tel système, on peut utiliser des composants (inductance, interrupteurs) de taille réduite, le facteur de crête des courants étant 1 o particulièrement performant. Dans un perfectionnement de l'invention, particulièrement adapté aux dipôles sur lesquels les écarts en tension à compenser sont très faibles, on prévoit de doubler le module de transfert. Un tel perfectionnement est représenté sur la figure 5. Le module de transfert comprend en fait deux étages de compensation: un premier étage comprenant une inductance LI, et deux interrupteurs ST1 et SB1 ' ; un deuxième étage comprenant une inductance L2, et deux interrupteurs ST2 et SB2. A chaque étage est associé un circuit de commande des interrupteurs propre: PWM1 pour le premier étage (L1, ST1, SB1) et PWM2 pour le deuxième étage (L2, ST2, SB2). Le premier circuit PWM1 reçoit un signal de synchronisation en fréquence SYNC1. Le deuxième circuit PWM2 reçoit un signal de synchronisation en fréquence SYNC2 en opposition de phase avec le premier signal SYNC1. Les deux circuits de commande travaillent ainsi en opposition de phase. Un seul circuit de mesure de tension 20 est nécessaire, qui envoie la même consigne de courant aux deux circuits PWM, et le courant moyen dans les deux inductances est égal au courant de consigne. On obtient alors un module de transfert biphasé et les formes d'onde dans l'inductance LI, et IL2 dans l'inductance L2, les courants IE1, 1E2 dans les dipôles El et E2, ainsi que les signaux de commande, comT1, comB1 et comT2, comB2) sont représentées sur la figure 6. Les courants IEl et IE2 dans les dipôles El et E2 sont alors quasiment continus. Le filtre EMI n'est quasiment plus nécessaire. II est facile de limiter le courant de compensation lorsque la différence de tension entre les deux dipôles est trop élevée. Cela peut se faire de plusieurs façons. Une première implémentation est de limiter la tension à la sortie 5 de l'amplificateur opérationnel 21 donnant la consigne courant lems. Elle sera en particulier limitée à sa tension d'alimentation. Une deuxième implémentation consiste à utiliser le circuit de limitation de courant intégré dans la plupart des circuits PWM du commerce. o Un module de transfert de charge selon l'invention qui vient d'être décrite est particulièrement adapté à des applications d'équilibrage de cellules d'une batterie comprenant une pluralité de cellules (cellules lithium-ion, supercapacités) en série. Dans une telle application, et comme représenté schématiquement sur la figure 7, on prévoit une pluralité de modules de transfert MI, M2, .., pour compenser deux à deux les cellules de la batterie B, lorsqu'un circuit de contrôle de type BMU détecte un trop grand écart de tension entre deux cellules de la batterie. L'invention qui vient d'être décrite est particulièrement intéressante pour tous les systèmes utilisant des modules de transfert de charges où l'on cherche à améliorer les performances à moindre coût. Elle s'applique notamment aux dipôles nécessitant un fort courant de charge/décharge sous faible tension, car elle permet un fonctionnement à fréquence très élevé, ce qui permet de réduire les dimensions des composants utilisés (inductances, interrupteurs). Les phénomènes de surtensions étant supprimés, les interrupteurs peuvent être de dimensions réduites. L'invention s'applique notamment à tout système d'équilibrage de cellules de batterie rechargeables, notamment celles à cellules de Lithium-Ion ou supercapacités. REVENDICATIONS 1. Module de transfert de charge (10) entre deux dipôles (El, E2) ayant une borne en commun (N), ledit module étant du type tripôle avec une première (A), une deuxième (B) et une troisième (C) électrodes de compensation, connectées à des bornes correspondantes des dipôles (PI, P2, N), caractérisé en ce qu'il comprend un étage de compensation connecté aux dites électrodes de compensation, comprenant un interrupteur haut (ST) et un interrupteur bas (SB) en série entre la première électrode (A) et la deuxième électrode (B) et une inductance (L) connectée entre la troisième électrode (C) reliée à la borne (N) commune des dipôles, et le noeud (11) de connexion entre lesdits interrupteurs, lesdits interrupteurs étant chacun commandés par un circuit de commande (PWM) fournissant un signal de commutation des interrupteurs dont le rapport cyclique est asservi à la différence entre une mesure du courant moyen dans ladite inductance et une consigne en courant (Irons) proportionnelle à la différence de tension entre les dipôles. 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit circuit de commande est un circuit de modulation de largeur d'impulsion (PWM) recevant un signal de synchronisation en fréquence (SYNC) appliqué en entrée. 3. Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de mesure de tension 20 aux bornes (PI, P2, N) des dipôles, fournissant en sortie la consigne en courant (bons). 4. Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit (20) de mesure de tension et l'étage de compensation (L, ST, SB) sont connectés 25 aux bornes des dipôles par des fils différents. 5. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux étages de compensation ({L1, STE, SB1}, {L2, ST2, SB2}) et deux circuits de commande (PWM1, PWM2) recevant chacun un signal de synchronisation, lesdits signaux de synchronisation (SYNC1, SYNC2) étant en opposition de phase, chaque circuit commandant un étage de compensation respectif. 6. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en que lesdits dipôles sont des cellules de type électrochimique. 7. Module selon l'une quelconque des revendications 6, caractérisé en que lesdits dipôles sont des cellules de type Lithium-Ion. 8. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits dipôles sont des supercapacités. 9. Dispositif de stockage d'énergie du type rechargeable, comprenant une pluralité de dipôles en série, et un système d'équilibrage des dipôles, caractérisé en ce que ledit système d'équilibrage comprend une pluralité de modules de transfert de charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Système électronique comprenant un chargeur et un dispositif de 15 stockage d'énergie selon la revendication 9, rechargeable par ledit chargeur.