Brevet FR2977083A1 — publié le 20121228

ARCHITECTURE DE BATTERIE AVEC TRANSMISSION MAGNETIQUE DE PUISSANCE ET EQUILIBRAGE EN TENSION L'invention se rapporte à une architecture de batterie avec transmission magnétique de puissance et équilibrage en tension. Plus précisément, l'invention se rapporte à une architecture de batterie de puissance incluant un dispositif permettant de véhiculer l'énergie entre une ou plusieurs cellules de la batterie et le circuit de puissance et permettant d'équilibrer en tension les différentes cellules de la batterie. L'invention appartient au domaine des batteries de puissance. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des batteries de traction utilisées dans les véhicules automobiles hybrides ou électriques. Une batterie est communément constituée d'une pluralité de cellules de batterie, souvent électrochimiques, mais pouvant également être constituées par des supercondensateurs, et reliées électriquement entre elles en série et/ou en parallèle. Les batteries connues présentent divers inconvénients. Tout d'abord, la constitution d'un circuit de puissance doit être revue à chaque changement de cellules. En effet, le circuit de puissance est généralement constitué d'une multitude de barrettes de connexion appelées "bus bars" reliant les bornes des cellules entre elles et devant cheminer en fonction de la position des bornes. En outre, la mise en série des cellules impose des charges et des décharges sous le même courant, ce qui rend complexe la correction d'éventuels déséquilibres en tension entre les cellules d'un même ensemble ou "pack" batterie. Ce phénomène est responsable d'un vieillissement non homogène de la batterie et cause aussi des pertes d'énergie. Par ailleurs, cette configuration fonctionne en tout ou rien, c'est-à-dire qu'il est impossible de moduler la puissance délivrée par la batterie. Enfin, dans les applications de traction, les batteries présentent de la haute tension, potentiellement dangereuse. Elles nécessitent donc la prise de précautions particulièrement lourdes pour assurer la sécurité des personnes qui interviennent dessus. La connectique doit également être adaptée à la haute tension (par exemple en mettant en oeuvre une isolation dite I P2x) et, au-dessus de 60 V, la batterie doit être électriquement isolée. Un contrôleur permanent d'isolation (dit CPIE) est alors nécessaire pour s'assurer de l'absence de défaut d'isolation électrique. Le document FR-A-2 817 087 décrit un dispositif d'équilibrage de la tension dans une batterie constituée d'un ensemble de cellules, chacune des cellules étant reliée à ses bornes à un circuit électrique comprenant un interrupteur et un bobinage propre. Ces bobinages, propres à chaque cellule, forment un primaire de transformateur en vis-à-vis d'un bobinage secondaire unique relié à un circuit électrique possédant également un interrupteur. Les interrupteurs disposés au niveau des bobinages primaire et secondaire sont commutés en alternance pour l'égalisation des tensions dans les cellules de la batterie. Dans ce document, les cellules sont reliées électriquement en série et le dispositif décrit ne permet pas de transmettre de la puissance entre les cellules de la batterie et un circuit de puissance qui serait destiné par exemple à la traction d'un véhicule. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur. Dans ce but, l'invention propose une batterie de puissance comportant une pluralité de cellules de batterie, remarquable en ce qu'elle comporte un circuit magnétique commun dans lequel sont placées toutes les cellules de la pluralité de cellules et en ce que chaque cellule de la pluralité de cellules fait partie d'un circuit électrique comportant un moyen de commutation et un enroulement électrique, les cellules de la pluralité de cellules n'étant pas reliées électriquement entre elles. Ainsi, la batterie conforme à l'invention autorise l'utilisation de composants génériques, l'ajout d'une cellule se faisant en la couplant simplement sur ce circuit magnétique. En outre, cette architecture empêche les cellules de se déséquilibrer en fonctionnement. De plus, la batterie intègre de par sa nature un système d'équilibrage, ce qui permet de régler pour chaque cellule le courant débité. Cette batterie offre donc la possibilité de réguler sa puissance, ce qui permet une gestion plus fine et plus sécuritaire de l'organe. Au surplus, tous les éléments sont à la tension cellule, soit environ entre 2 et 4 V et, hors fonctionnement, la batterie ne contient pas d'éléments haute tension. Elle est d'autant plus sûre et facile à monter et son montage n'exige plus de former un technicien habilité à travailler sous haute tension. Il s'ensuit un gain de temps et des économies. Par ailleurs, lorsque cette batterie est utilisée comme batterie de traction d'un véhicule automobile hybride ou électrique, étant donné que cette batterie n'est plus à proprement parler "haute tension", elle ne nécessite pas d'être isolée du reste du véhicule. On peut donc référencer toutes les cellules à la masse et s'affranchir du contrôleur permanent d'isolation (CPIE). La batterie est isolée galvaniquement du circuit de puissance du véhicule par le transformateur. Enfin, la tension de sortie est indépendante du nombre de cellules. On pourrait même imaginer embarquer un nombre très important de cellules dont la tension en série serait de l'ordre du kV. En configurant la batterie de façon à assurer une tension de 400 V en sortie (tension couramment utilisée sur les chaînes de traction actuelles), on obtiendrait un courant très faible sur chaque cellule, ce qui diminuerait les pertes et l'échauffement et prolongerait la durée de vie de la batterie. Selon une caractéristique particulière, le moyen de commutation est un transistor. Selon une caractéristique particulière, les enroulements électriques de toutes les cellules de la pluralité de cellules ont tous le même nombre de spires. Selon une caractéristique particulière, la batterie comporte en outre un moyen de contrôle adapté à commander les moyens de commutation des circuits électriques. Selon une caractéristique particulière, le moyen de contrôle est adapté à commander de façon identique tous les moyens de commutation des circuits électriques. En variante, le moyen de contrôle est adapté à commander de façon individuelle chaque moyen de commutation. Selon une caractéristique particulière, la batterie comporte en outre un enroulement électrique de sortie faisant partie du circuit magnétique commun et ayant deux extrémités servant de bornes à la batterie. Selon une caractéristique particulière, la batterie comporte en outre un onduleur monophasé réversible connecté aux deux extrémités de l'enroulement électrique de sortie, les commandes de l'onduleur et des moyens de commutation étant synchrones, de façon à produire un courant continu monophasé. En variante, les cellules de la pluralité de cellules sont regroupées en trois branches de circuit magnétique commandées avec un déphasage de 120° entre elles et la batterie comporte en outre trois enroulements électriques respectivement associés à chacune des branches de circuit magnétique, de façon à produire un courant alternatif triphasé. Dans le même but que celui indiqué plus haut, l'invention propose également un véhicule automobile hybride ou électrique, remarquable en ce qu'il comporte une batterie de puissance telle que succinctement décrite ci-dessus. D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs et en référence aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma du circuit électrique élémentaire de chaque cellule d'une batterie conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation ; - la figure 2 est un schéma d'ensemble du circuit électrique d'une batterie conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation ; - la figure 3 est un schéma d'ensemble du circuit électrique d'une batterie conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation où la batterie produit un courant continu monophasé ; - les figures 4 et 5 présentent des résultats de simulation illustrant le comportement d'une batterie conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation ; et - la figure 6 est un schéma d'ensemble du circuit électrique d'une batterie conforme à la présente invention, dans un mode particulier de réalisation où la batterie produit un courant alternatif triphasé. Une batterie de puissance conforme à l'invention comporte une pluralité de cellules de batterie 101. Comme le montre la figure 1, dans un mode particulier de réalisation, chaque cellule 101 fait partie d'un circuit électrique comportant un moyen de commutation 102, tel qu'un transistor, et un enroulement électrique ou bobinage 103. Conformément à la présente invention, on utilise un circuit magnétique commun à toutes les cellules pour véhiculer l'énergie. Chaque cellule 101 est connectée au circuit magnétique via le bobinage 103 et le moyen de commutation 102, qui permet de faire circuler ou d'interrompre le courant dans le bobinage 103. Ainsi, les enroulements des cellules forment une inductance avec le circuit magnétique et forment un primaire de transformateur. Sur le circuit magnétique, on monte un autre enroulement permettant d'envoyer l'énergie vers la chaîne de traction lorsque la batterie est utilisée comme batterie de traction dans un véhicule automobile hybride ou électrique et cet autre enroulement joue le rôle du secondaire de transformateur. Comme le montre la figure 2, tous les enroulements de ces circuits élémentaires 101, 102, 103 sont couplés sur un seul et même circuit magnétique 201 et ont tous le même nombre de spires. Ces circuits élémentaires peuvent être à des potentiels flottants. Cependant, de façon avantageuse, on référencera toutes les bornes négatives des cellules à la masse. Toujours sur le même circuit magnétique, on place un autre enroulement 202 ou enroulement électrique de sortie, dont les deux extrémités 204 peuvent faire office de bornes pour la batterie. Un dispositif de contrôle 203 vient piloter les transistors 102. Selon la stratégie retenue, on peut utiliser la même commande pour tous les transistors ou commander chacun individuellement. Conformément à la présente invention, les cellules 101 ne sont pas reliées électriquement entre elles. Dans le mode particulier de réalisation de la figure 2, les deux bornes de la batterie sortent un courant alternatif monophasé. Si ce n'est pas le type de courant recherché, on peut ajouter un dispositif d'adaptation. C'est le cas pour l'alimentation d'une machine à induction, synchrone ou asynchrone, pour laquelle on a besoin d'un courant alternatif triphasé provenant d'un onduleur triphasé alimenté par une batterie en courant continu. Comme le montre la figure 3, on place alors sur les bornes provenant de l'enroulement 202 un onduleur monophasé réversible 301 pour obtenir une conversion alternatif-continu. Dans cette variante, la batterie fournit alors un courant continu monophasé. L'interaction entre les cellules et le circuit magnétique peut être décrite comme suit, lorsqu'on considère une batterie dans le mode de réalisation de la figure 2. Les moyens de commutation 102 sur les cellules 101 sont commandés à haute fréquence. Les enroulements 103 sont alors soumis à un courant alternatif haute fréquence. On peut alors, en première approche, considérer que le système se comporte comme un transformateur monophasé, les enroulements 103 des cellules 101 faisant office de primaire et l'enroulement de sortie 202 de secondaire. Soit Nc le nombre de cellules de la batterie, n, le nombre de spires sur un enroulement 103 de cellule et n2 le nombre de spires de l'enroulement de sortie 202. On a alors un transformateur de rapport de transformation : m= N, X ni n2 La tension de sortie V en fonction des tensions cellules v; et du rapport cyclique a; est donnée par : V = N' ~Gr~nw~ n2 Il peut y avoir une certaine dispersion des tensions cellules v; lorsque la batterie est déséquilibrée. On s'intéresse donc au comportement du système en cas de déséquilibre. Tous les enroulements sont couplés au même circuit magnétique. Selon la loi de Lenz-Faraday : V =_dom dt où V est la tension induite aux bornes d'une spire et cl) est le flux traversant la spire. Les enroulements cellules présentent tous le même nombre de spires et sont tous traversés par le même flux. Ils présentent donc tous la même tension, qui est une moyenne de toutes les tensions cellule. Il en résulte que toutes les cellules dont la tension est inférieure à la moyenne se voient imposer une tension supérieure à la leur et donc une circulation de courant en inverse, c'est-à-dire un courant de charge ou d'équilibrage. Il y a donc transfert d'énergie entre les cellules, des plus chargées vers les moins chargées, en cours de fonctionnement. Conformément à la présente invention, les courants des cellules présentant des tensions différentes sont différents, contrairement à une architecture électrique série où le courant est le même dans toute la branche, et donc dans toutes les cellules. Il en découle que les cellules s'équilibrent d'elles-mêmes en cours de fonctionnement. Néanmoins, si tous les moyens de commutation 102 sont commandés de façon identique, les courants d'équilibrage sont non contrôlables et dépendront du déséquilibre et de la puissance demandée par la charge. On s'expose alors à des courants d'équilibrage très forts et potentiellement dangereux, risquant de faire surchauffer les cellules. Il est donc préférable de moduler la fréquence ou le rapport cyclique des moyens de commutation 102 séparément, afin de contrôler le courant débité par les cellules de façon individuelle et ne pas les surcharger. Par exemple, une cellule plus déchargée que les autres pourrait n'être sollicitée qu'une fois sur 5, donc à une fréquence 5 fois plus faible que les autres, c'est-à-dire qu'on commanderait son moyen de commutation moins souvent. Ainsi, la présente invention permet d'ajuster finement le courant de chaque cellule, de contrôler les phases d'équilibrage en cours de fonctionnement et de lancer des équilibrages pendant les longues périodes de repos. En outre, on contrôle par le même biais la puissance de sortie de la batterie. Les figures 4 et 5 présentent des résultats de simulation pour aider à comprendre le comportement de cette architecture. L'exemple comporte trois cellules V6, V7 et V8. Les cellules V6 et V7 sont chargées à une tension de 4 V et la cellule V7 présente un léger déséquilibre, n'étant qu'à 3,9 V. En regard des cellules, on a disposé un simple pont redresseur à diodes. Tous les éléments sont supposés parfaits, en dehors des cellules, qui présentent une résistance de 1 mn et des moyens de commutation, qui présentent également une résistance de 1 mO. Les interrupteurs S5, S6 et S7 contrôlent respectivement les courants des cellules V6, V7 et V8. Le système fonctionne à 5 kHz (t = 200 µs). Le rapport cyclique est réglé sur 0,25 (a = 50 µs). Comme la cellule V7 présente un léger déséquilibre, elle risque d'être exposée à un violent courant d'équilibrage. On va donc limiter ce courant en commandant le moyen de commutation S6 à 0,25 kHz (t10 = 20 t), soit une fois sur 20, pour moins solliciter la cellule V7. La simulation est effectuée sur une durée de 500 ms pour permettre une intégration avec un effet négligeable du transitoire. Celle-ci permet de calculer le courant moyen. On constate donc qu'on consomme 54 mA dans la charge, qui est une résistance R1 de 100 0, soit environ 0,3 W. Chacune des cellules V6 et V8 fournit un courant moyen de 280 mA, soit une puissance de 1,12 W chacune. On constate que la cellule V7 absorbe 450 mA, soit environ 1,76 W. Des pics de courant très brefs (50 µs) apparaissent toutes les 4 ms et sont causés par le transfert d'énergie vers la cellule déséquilibrée V7. Un bilan de puissance montre qu'on a fourni une puissance de 2,24 W tirée sur les cellules V6 et V8. Une puissance de 0,3 W a été consommée dans la charge et une puissance de 1,76 W a servi à recharger la cellule V7. Une puissance de 0,1 W a été dissipée dans les imperfections du modèle (résistance des cellules et des moyens de commutation). On a donc bien équilibré la batterie en cours de fonctionnement puisque la cellule déséquilibrée a reçu de la puissance. D'autres essais sur le même circuit montrent que pour une même charge, le courant de sortie (et donc la puissance fournie à la charge) ne dépend que du rapport cyclique de commande des interrupteurs si la dispersion des tensions cellules est relativement faible sur l'ensemble du pack batterie. Cela signifie que dans l'exemple détaillé ci-dessus, que la cellule V7 soit à une tension de 3,9 ou 4 V, la puissance fournie à la charge est toujours 300 mW, mais dans le cas où toutes les cellules sont à 4 V, les cellules V6 et V8 sont moins sollicitées, car non seulement elles ne fournissent plus de puissance à V7, mais en plus, V7 fonctionne également en générateur. Lorsque la batterie conforme à l'invention est couplée à la chaîne de traction d'un véhicule automobile hybride ou électrique, on récupère en sortie du transformateur (constitué par les enroulements cellule 103 qui forment le primaire et l'enroulement 202 qui forme le secondaire) un courant alternatif variable. Ce courant est redressé par l'onduleur 301 qui, dans ce cas, fonctionne en redresseur par l'intermédiaire des diodes et peut alimenter une charge. Il convient que le dispositif soit réversible pour permettre la recharge et la récupération d'énergie. Le mode de connexion des cellules, qui est un mode commuté, impose alors que les commandes de l'onduleur 301 et des moyens de commutation 102 des cellules 101 soient synchrones, pour permettre à la majorité des cellules (pas nécessairement toutes les cellules, s'il y a en même temps équilibrage) d'être reliées au transformateur au moment du transfert de puissance. Dans une variante de réalisation, la batterie conforme à l'invention peut produire un courant alternatif triphasé. A cet effet, comme l'illustre la figure 6, on regroupe les cellules 101 en trois branches de circuit magnétique comportant respectivement trois enroulements électriques 601, 602 et 603, au lieu de l'enroulement unique 202 des modes de réalisation décrits précédemment. Les trois branches sont commandées avec un déphasage de 120 degrés entre elles, comme dans un transformateur triphasé. Le courant alternatif triphasé obtenu en sortie de ce transformateur peut être utilisé directement pour alimenter une machine ou peut être redressé via un onduleur-redresseur, de façon à obtenir un courant continu. Cette dernière variante avec courant continu peut présenter selon les applications des avantages par rapport à l'architecture monophasée, vis-à- vis du couple tension-courant demandé. Par exemple, en triphasé, les enroulements verront un courant plus faible dans un rapport -Nh, ce qui limite l'échauffement de l'enroulement. REVENDICATIONS1. Batterie de puissance comportant une pluralité de cellules de batterie (101), caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit magnétique commun dans lequel sont placées toutes les cellules (101) de ladite pluralité de cellules et en ce que chaque cellule (101) de ladite pluralité de cellules fait partie d'un circuit électrique comportant un moyen de commutation (102) et un enroulement électrique (103), les cellules (101) de ladite pluralité de cellules n'étant pas reliées électriquement entre elles. 2. Batterie de puissance selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit moyen de commutation (102) est un transistor. 3. Batterie de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les enroulements électriques (103) de toutes les cellules (101) de ladite pluralité de cellules ont tous le même nombre de spires. 4. Batterie de puissance selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un moyen de contrôle (203) adapté à commander les moyens de commutation (102) desdits circuits électriques. 5. Batterie de puissance selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit moyen de contrôle (203) est adapté à commander de façon identique tous les moyens de commutation (102) desdits circuits électriques. 6. Batterie de puissance selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit moyen de contrôle (203) est adapté à commander de façon individuelle chaque moyen de commutation (102). 7. Batterie de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un enroulement électrique de sortie (202) faisant partie dudit circuit magnétique commun et ayant deux extrémités (204) servant de bornes à la batterie. 8. Batterie de puissance selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un onduleur monophasé réversible (301) connecté aux deux extrémités de l'enroulement électrique de sortie (202), les commandes de l'onduleur et des moyens de commutation étant synchrones, de façon à produire un courant continu monophasé. 9. Batterie de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les cellules (101) de ladite pluralité de cellules sont regroupées en trois branches de circuit magnétique commandées avec un déphasage de 120° entre elles et en ce qu'elle comporte en outre troisenroulements électriques (601, 602, 603) respectivement associés à chacune desdites branches de circuit magnétique, de façon à produire un courant alternatif triphasé. 10. Véhicule automobile hybride ou électrique, caractérisé en ce qu'il 5 comporte une batterie de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes.