Brevet FR2925783A1 — publié le 20090626

Système de charge/décharge d'un groupe d'au moins une cellule de stockage. La présente invention concerne un système de charge/décharge d'un groupe d'au moins une cellule de stockage pour un véhicule, notamment un véhicule automobile, à traction électrique ou à traction mixte thermique/électrique. On connaît déjà de tels systèmes de charge/décharge qui généralement comportent un dispositif de stockage d'énergie électrique qui est généralement constitué d'une pluralité d'unités de stockage élémentaires, également appelées dans le domaine de la technique "cellules de stockage", identiques et reliées entre elles en série de manière à obtenir aux bornes dudit dispositif de stockage une tension suffisamment élevée pour pouvoir alimenter les organes électriques dudit véhicule. Cependant, du fait de disparités dans le processus de fabrication de ces cellules de stockage, les caractéristiques des cellules peuvent varier sensiblement d'une cellule à l'autre. Il en résulte des problèmes dus à des différences de charge et donc de tension entre cellules d'un même dispositif de stockage. Par exemple, alors qu'une cellule a atteint sa charge maximale et qu'elle délivre sa tension maximale, une cellule autre du même dispositif de stockage peut être chargée au-dessus de sa charge maximale admissible et donc délivrer une tension supérieure à celle qui est délivrée par la première cellule. Cela peut être particulièrement dommageable dans le cas d'utilisation de cellules de stockage de certaines technologies, par exemple des cellules de stockage constituées de supercondensateurs, dont la tension aux bornes doit rester dans une plage déterminée de tensions sous peine de détérioration. Pour résoudre ce problème, et ainsi permettre à la tension aux bornes de chaque cellule de stockage d'un même dispositif de stockage de ne pas dépasser une tension maximale, il est courant d'utiliser des circuits d'équilibrage, chacun connecté aux bornes d'une cellule de stockage à laquelle il est associé. Ces circuits d'équilibrage sont prévus pour dériver le courant qui parcourt la cellule de stockage associée lorsque la tension aux bornes de cette cellule dépasse un seuil prédéterminé. Néanmoins, du fait que l'intensité du courant de charge ou de décharge des cellules de stockage est élevée, pouvant être de l'ordre de 100 ampères, ces circuits d'équilibrage utilisent des composants qui peuvent laisser passer de tels courants et qui sont donc coûteux et encombrants (en termes électriques : câblage, etc. que thermiques radiateur, etc.), ce qui est préjudiciable à l'exploitation industrielle de certaines technologies de cellules. Il existe également des circuits d'équilibrage prévus pour dériver des courants de plus faible intensité, mais, dans ce cas, le seuil de déclenchement de l'équilibrage doit ménager une marge par rapport à la limite de tension des cellules, cette marge étant nécessaire pour compenser les fluctuations lors de la phase d'équilibrage. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en proposant un système de charge/décharge d'un groupe d'au moins une cellule de stockage, ledit système comprenant un dispositif de charge/décharge relié aux bornes dudit groupe d'au moins une cellule de stockage et un dispositif d'équilibrage relié aux bornes de chaque cellule de stockage dudit groupe d'au moins une cellule de stockage, ledit ou chaque dispositif d'équilibrage étant prévu pour dériver tout ou partie du courant de charge/décharge de la cellule de stockage associée lorsque des conditions prédéterminées d'arrêt de charge ou de décharge de ladite cellule sont atteintes. A cet effet, ledit système est caractérisé en ce que ledit dispositif de charge/décharge est prévu pour pour appliquer à la ou aux cellules de stockage associées un courant de charge ou de décharge d'intensité limitée lorsque des conditions particulières sont remplies et alors que les conditions d'arrêt de charge ou de décharge ne sont pas atteintes pour une quelconque cellule de stockage et ce, de manière que l'intensité du courant dérivé par un dispositif d'équilibrage alors que les conditions d'arrêt de charge ou de décharge sont atteintes pour la cellule associée, soit limitée. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de charge/décharge est prévu pour pour appliquer à la ou aux cellules de stockage associées un courant de charge ou de décharge d'intensité limitée lorsque la tension à ses bornes est supérieure et/ou inférieure à au moins une tension seuil. Selon un autre mode de réalisation, ledit dispositif de charge/décharge est prévu pour pour appliquer à la ou aux cellules de stockage associées un courant de charge ou de décharge d'intensité limitée lorsque la phase de vie du véhicule y est propice. Selon un mode de réalisation, ledit ou chaque dispositif d'équilibrage est constitué d'un interrupteur électronique dont les bornes actives sont respectivement reliées aux bornes de la cellule de stockage associée et la borne de commande est reliée au point commun de deux résistances, elles-mêmes reliées aux bornes de la ou les cellule de stockage associées. Selon un autre mode de réalisation, ledit ou chaque dispositif d'équilibrage est constitué de deux diodes, dont l'une est une diode Zener, leurs anodes étant reliées entre elles de façon équipotentielle et leurs cathodes étant respectivement reliées aux bornes de la ou les cellules de stockage 10 associées. Avantageusement, ledit dispositif de charge/décharge est constitué d'un onduleur de traction piloté de façon à contrôler le courant de charge et de décharge de manière à limiter le courant de charge/décharge qu'il délivre lorsque la tension à ses bornes est supérieure à une première valeur seuil et/ou est inférieure à une seconde valeur seuil. Avantageusement, ledit dispositif de charge/décharge est constitué d'un convertisseur continu/continu, dit également DC/DC, dont les entrées sont reliées à une source d'alimentation que la ou lesdites cellules de stockage et dont les sorties sont reliées au groupe de cellules de stockage, ledit convertisseur DC/DC étant prévu pour limiter le courant de charge/décharge qu'il délivre lors de phases prolongées de non-utilisation dudit groupe d'au moins une cellule de stockage. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, illustrant des modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique d'un système de charge/décharge selon la présente invention, - la figure 2 est un schéma synoptique d'un premier mode de réalisation particulier d'un dispositif d'équilibrage d'un système de charge/décharge selon la présente invention, et - la figure 3 est un schéma synoptique d'un second mode de réalisation particulier d'un dispositif d'équilibrage d'un système de charge/décharge selon la présente invention. Un système de charge/décharge est destiné à assurer la charge et/ou la décharge d'au moins une cellule de stockage 10. L'exemple de réalisation d'un dispositif de charge/décharge selon l'invention, tel qu'il est représenté à la figure 1, est composé, d'une part, d'au moins un dispositif d'équilibrage de charge 11 et, d'autre part, d'un dispositif de charge/décharge 12. A la figure 1, le système de charge/décharge est destiné à un groupe de trois cellules 101 à 103 et comporte trois dispositifs d'équilibrage 111 à 113 respectivement connectés en parallèle aux bornes des cellules 101 à 103. Chaque dispositif d'équilibrage 11 est prévu pour dériver le courant de charge de la cellule 10 auquel il est connecté lorsque la tension à ses bornes (et donc aux bornes de la cellule de stockage 10 correspondante) est supérieure et/ou inférieure, selon le type de dispositif d'équilibrage, à au moins une tension seuil. Quant au dispositif de charge/décharge 12, il est pourvu de moyens (non représentés) pour, lorsque la tension à ses bornes est supérieure et/ou inférieure, selon le type de dispositif de charge/décharge, à au moins une tension seuil, limiter le courant de charge/décharge qu'il délivre à une valeur inférieure à sa valeur de charge/décharge lorsque cette tension seuil n'est pas atteinte. Le fonctionnement du système de charge/décharge est le suivant, appliqué au cas de la charge et à une pluralité de cellules de stockage, par exemple au nombre de dix, dont la tension maximale par cellule en fonctionnement est de 2,5 volts. Tant que la tension aux bornes du dispositif de charge/décharge 12 est inférieure à 10 x 2,5 volts = 25 volts, le courant de charge est maximal, par exemple 100 A. Par contre, dès que la tension aux bornes du dispositif de charge/décharge 12 devient supérieure à 25 volts, l'intensité du courant délivré par le dispositif de charge/décharge 12 chute à une valeur inférieure, par exemple 1 A. Cette tension de 25 volts peut être atteinte, par exemple, parce que cinq cellules de stockage 10 ont une tension de charge de 2,4 volts et les autres cellules de stockage ont une tension de charge de 2,6 volts. Supposons que la valeur seuil de chaque dispositif d'équilibrage soit de 2,7 volts. Plus tard, lorsque la tension aux bornes des cellules de stockage 10 qui était à 2,6 volts devient égale à 2,7 volts, le courant de charge de ces cellules, qui a une valeur relativement faible comparée à la valeur normale de charge de la cellule, est dérivé vers le dispositif d'équilibrage correspondant. On notera que la puissance dissipée par ce dispositif d'équilibrage est de 2,7 volts x 1 A, soit 2,7 watts. Quant aux autres cellules de stockage, elles continuent à se charger par un courant de 1 A qui les traverse. Plus tard encore, c'est l'ensemble des cellules de stockage qui ont des tensions à leurs bornes de 2,7 volts. Le courant alors délivré par le dispositif de charge/décharge ne passe plus par aucune d'entre ces cellules. Les exemples numériques donnés ici le sont uniquement à titre d'illustration pour expliquer le fonctionnement du système de charge/décharge selon l'invention. On comprendra également que ledit système de charge/décharge 12 peut également fonctionner pour la décharge des cellules de stockage. Ainsi, lorsque la tension aux bornes du dispositif de charge/décharge 12 devient inférieure à une valeur seuil, l'intensité du courant de décharge chute à une valeur inférieure. De même, lorsque la tension aux bornes de chaque dispositif d'équilibrage 11 devient inférieure à une valeur seuil, le courant de décharge est dérivé dans ledit dispositif d'équilibrage 11. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de charge/décharge 12 comporte des moyens pour limiter l'intensité du courant de charge/décharge qu'il délivre lorsque la tension à ses bornes est supérieure à une première valeur seuil et est inférieure à une seconde valeur seuil. On notera que l'on pourrait utiliser en tant que dispositif de charge/décharge 12 l'onduleur de traction déjà présent sur le véhicule mais piloté de façon à contrôler le courant de charge et de décharge de la manière ci-dessus expliquée, c'est-à-dire de manière à limiter le courant de charge/décharge qu'il délivre lorsque la tension à ses bornes est supérieure à une première valeur seuil et/ou est inférieure à une seconde valeur seuil. On pourrait également utiliser un onduleur associé à une génératrice ou même une génératrice dont on piloterait le courant qu'elle débite. De même, il pourrait s'agir d'un convertisseur continu/continu dont les entrées sont reliées à une autre source d'alimentation telle que des batteries électriques déjà présentes dans le véhicule ou à un chargeur secteur dans le cas d'un véhicule rechargeable et dont les sorties sont reliées au groupe de cellules de stockage 10. Un tel convertisseur continu/continu pourrait être prévu pour effectuer l'équilibrage d'un groupe de cellules de stockage 10 lors de phases prolongées de non-utilisation du véhicule par échange d'énergie entre l'autre source d'alimentation et les cellules. On a représenté à la Fig. 2 un exemple de réalisation d'un dispositif d'équilibrage 11 qui est prévu pour dériver le courant de charge qui traverse la cellule de stockage 10 aux bornes de laquelle il est relié lorsque la tension à ses bornes devient inférieure à une valeur seuil. Il est constitué d'un interrupteur électronique 110 (ici constitué d'un transistor FET ou équivalent) dont les bornes actives 110a et 110b sont respectivement reliées aux bornes de la cellule de stockage 10 associée et la borne de commande 110c est reliée au point commun de deux résistances 111a et 111b elles-mêmes reliées aux bornes de la cellule de stockage 10 associée. Lorsque la tension aux bornes de la cellule de stockage 10 est haute, la différence de potentiel entre la borne active 110b et la borne de commande 110c est supérieure à la tension de seuil si bien que l'interrupteur 110 est ouvert (le transistor n'est pas passant). Par contre, lorsque la tension aux bornes de la cellule de stockage 10 est inférieure à une tension telle que la différence de potentiel entre la borne active 110b et la borne de commande 110c devient inférieure à la tension de seuil, l'interrupteur 110 se ferme (le transistor est passant) et le courant de charge de la cellule 10 passe maintenant par l'interrupteur 110. On a représenté à la Fig. 3 un autre exemple de réalisation d'un dispositif d'équilibrage 11 qui est lui prévu pour dériver le courant de charge qui traverse la cellule de stockage 10 aux bornes de laquelle il est relié lorsque la tension à ses bornes devient supérieure à une valeur seuil. Il est constitué de deux diodes 112 et 113 dont l'une est une diode Zener, les anodes desdites deux diodes étant reliées entre elles de manière équipotentielle et les cathodes étant respectivement aux bornes de la cellule de stockage 10 associée. Lorsque la tension aux bornes de la cellule de stockage 10 est basse, aucune des diodes 112 et 113 n'est conductrice. Par contre, lorsque la tension aux bornes de la cellule de stockage 10 est supérieure à la tension de Zener de la diode 112 augmentée de la tension directe de la diode 113 (environ 0,7 volts), les deux diodes 112 et 113 conduisent, autorisant le courant de charge de la cellule 10 à maintenant passer par les diodes 112 et 113. L'avantage de la présente invention résulte du fait que le dispositif de charge/décharge 12 permet de limiter le courant de charge ou de décharge lorsque des conditions de charge de l'ensemble des cellules de stockage 10 sont remplies ou lorsque la phase de vie du véhicule y est propice et alors que les conditions d'arrêt de charge ou de décharge ne sont pas atteintes pour une quelconque cellule de stockage 10. Lorsque ces dernières conditions sont atteintes pour une au moins des cellules de stockage 10, le dispositif d'équilibrage 11 associé peut dériver le courant de charge ou de décharge dont la relativement faible intensité du moment autorise l'utilisation de dispositifs d'équilibrage 11 plus simples, moins coûteux, moins encombrants d'un point de vue électrique (composants plus petits, câblage plus petit, etc.) mais aussi d'un point de vue thermique (pas de radiateur de refroidissement, notamment) que les dispositifs d'équilibrage utilisés dans les systèmes de charge/décharge de l'art antérieur. REVENDICATIONS 1. Système de charge/décharge d'un groupe d'au moins une cellule de stockage, ledit système comprenant un dispositif de charge/décharge relié aux bornes dudit groupe d'au moins une cellule de stockage et un dispositif d'équilibrage relié aux bornes d'au moins une cellule de stockage dudit groupe d'au moins une cellule de stockage, ledit ou chaque dispositif d'équilibrage étant prévu pour dériver tout ou partie du courant de charge/décharge de la ou les cellules de stockage associées lorsque des conditions prédéterminées d'arrêt de charge ou de décharge de ladite cellule sont atteintes, caractérisé en ce que ledit dispositif de charge/décharge est prévu pour appliquer à la ou aux cellules de stockage associées un courant de charge ou de décharge d'intensité limitée lorsque des conditions particulières sont remplies et alors que les conditions d'arrêt de charge ou de décharge ne sont pas atteintes pour une quelconque cellule de stockage et ce, de manière que l'intensité du courant dérivé par un dispositif d'équilibrage alors que les conditions d'arrêt de charge ou de décharge sont atteintes pour la ou les cellules associées soit limitée. 2. Système de charge/décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de charge/décharge est prévu pour appliquer à la ou aux cellules de stockage associées un courant de charge ou de décharge d'intensité limitée lorsque la tension à ses bornes est supérieure et/ou inférieure à au moins une tension seuil. 3. Système de charge/décharge selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de charge/décharge est prévu pour appliquer à la ou aux cellules de stockage associées un courant de charge ou de décharge d'intensité limitée lorsque la phase de vie du véhicule y est propice. 4. Système de charge/décharge selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ou chaque dispositif d'équilibrage est constitué d'un interrupteur électronique 110 dont les bornes actives 110a et 110b sont respectivement reliées aux bornes de la cellule de stockage 10 associée et la borne de commande 110c est reliée au point commun de deux résistances 111a et 111b elles-mêmes reliées aux bornes de la ou les cellules de stockage 10 associées. 5. Système de charge/décharge selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ou chaque dispositif d'équilibrage est constitué de deux diodes (112 et 113) dont l'une est une diode Zener, leurs anodes étant reliées entre elles de façon équipotentielle et leurs cathodes étant respectivement reliées aux bornes de la ou les cellules de stockage 10 associées. 6. Système de charge/décharge selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif de charge/décharge 12 est constitué d'un onduleur de traction piloté de façon à contrôler le courant de charge et de décharge de manière à limiter le courant de charge/décharge qu'il délivre lorsque la tension à ses bornes est supérieure à une première valeur seuil et/ou est inférieure à une seconde valeur seuil. 7. Système de charge/décharge selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif de charge/décharge 12 est constitué d'un convertisseur DC/DC dont les entrées sont reliées à un autre organe de stockage que la ou lesdites cellules de stockage et dont les sorties sont reliées au groupe de cellules de stockage 10, ledit convertisseur DC/DC étant prévu pour limiter le courant de charge/décharge qu'il délivre lors de phases prolongées de non-utilisation .