Brevet FR3141123A1 — publié le 20240426

L’invention concerne un véhicule automobile comprenant un pack batterie qui comprend des modules de batterie, chaque module de batterie comprenant des cellules connectées à un système d’équilibrage actif, les systèmes d’équilibrage actif étant connectés à un moyen de gestion d’équilibrage, le moyen de gestion d’équilibrage étant configuré pour envoyer un signal d’activation (A) et/ou un signal de dissipation (D) à des ratios respectifs complémentaires en tant que consigne à chaque système d’équilibrage actif), dans des délais spécifiques (S A , S B , S C ), à savoir 100% du signal d’activation (A) et 0% du signal de dissipation (D), puis faire décroitre le ratio du signal d’activation (A) jusqu’à 0%, puis 100% du signal de dissipation (D). L’invention concerne également un procédé et un programme sur la base d’un tel véhicule. Figure 2 VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN PACK BATTERIE EQUIPE D’UN SYSTEME D’EQUILIBRAGE ACTIF DE MODULES DE BATTERIE, PROCEDE ET PROGRAMME SUR LA BASE D’UN TEL VEHICULE L'invention se rapporte au domaine du stockage d’énergie électrique en particulier pour des véhicules automobiles, et plus précisément celui des batteries électriques composées de plusieurs cellules électrochimiques. Pour optimiser l'énergie disponible d'une batterie, il existe plusieurs types de systèmes d'équilibrage : - passif : le système ne peut que dissiper de l'énergie afin d'obtenir un équilibre en état de charge ou autre grandeur sur l'ensemble des cellules composant un pack batterie ; - actif : le système peut transférer de l'énergie d'une cellule ou d'un groupe de cellule à d'autres. On peut distinguer deux grandes familles de systèmes d'équilibrage actif : - ceux capables de transférer de l'énergie entre un nombre non restreint de cellules ou groupes de cellules. Par exemple, système d'équilibrage de proche en proche ; - ceux uniquement capables de transférer de l'énergie entre un nombre restreint de cellules ou de groupes de cellules. On parlera de « module » d’équilibrage actif. Malheureusement, le système passif ne permet pas d'exploiter le maximum d'énergie de toutes les cellules. Les courants de dissipation étant en général très faibles vis-à-vis des capacités des cellules et des écarts de capacité entre cellules, l'équilibre d'un pack ne peut être maintenu que sur un état particulier. En général, l'équilibre est recherché à haut état de charge pour maximiser l'énergie acceptable pour le pack. 1% d'état de charge à fort état de charge est plus énergétique qu'1% d'état de charge à faible état de charge en raison d'une tension plus élevée cellule chargée que déchargée. A faible état de charge, le pack sera bridé par sa cellule de plus faible capacité qui atteindra la tension minimum en premier. L'énergie restante dans les autres cellules sera inexploitable. Le système actif au "niveau pack" permet de mieux exploiter l'énergie de toutes les cellules mais son rendement est fortement lié au nombre de cellule Le système actif "module" est plus efficient mais limité à un nombre restreint de cellules. Son application à des packs est délicate : Il nécessite de décomposer les packs en sous modules avec un système par sous module et d'ajouter un autre système d'équilibrage au niveau module pour gérer l'équilibre entre les modules. Ce dernier système peut rapidement être onéreux et volumineux à cause des contraintes de tensions. L’utilisation de systèmes d’équilibrage actif, limités à un nombre restreint de cellules, à des packs batterie est délicat. En effet, il est nécessaire de découper le pack en modules et d’associer un système actif par module. Chaque module a un besoin d’un équilibrage qui lui est propre en raison de la dispersion de fabrication des cellules qui les compose. Chaque système d’équilibrage génère donc des pertes différentes dans chaque module et crée ainsi des déséquilibres entre les modules. Pour compenser ces déséquilibres, il est nécessaire d’ajouter un autre système d’équilibrage supplémentaire entre les modules. Ce système est désavantageux et volumineux en raison des niveaux de tension qu’il adresse. Un objectif de la présente invention est d’éviter l’ajout de ce système d’équilibrage supplémentaire entre les modules. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un véhicule automobile comprenant un pack batterie qui comprend des modules de batterie, chaque module de batterie comprenant des cellules connectées à un système d’équilibrage actif, les systèmes d’équilibrage actif étant connectés à un moyen de gestion d’équilibrage, le moyen de gestion d’équilibrage étant configuré pour envoyer un signal d’activation et/ou un signal de dissipation à des ratios respectifs complémentaires en tant que consigne à chaque système d’équilibrage actif, caractérisé en ce que quand le signal d’activation est à un ratio de 100%, un premier système d'équilibrage actif est activé, quand le signal d’activation est à un ratio de 0%, le premier système d'équilibrage actif est désactivé, quand le signal de dissipation est à un ratio de 100%, le premier système d'équilibrage actif génère le maximum de pertes sans modifier l'équilibrage interne du module, et en ce que le moyen de gestion d’équilibrage est configuré pour que - dans un premier délai, le signal d’activation est à un ratio de 100% et le signal de dissipation est à un ratio de 0%, - puis dans un deuxième délai ultérieur, le signal d’activation est à un ratio qui décroit de manière linéaire et le signal de dissipation est à un ratio de 0%, - puis dans un troisième délai ultérieur, le signal d’activation et le signal de dissipation sont à un ratio de 0%, - puis après le troisième délai, le signal d’activation est à un ratio de 0% et le signal de dissipation est à un ratio de 100%. Ainsi, afin d'éviter l'ajout d'un système d'équilibrage supplémentaire au niveau pack, l'invention propose une méthode de gestion spécifique de chaque système module qui conserve un équilibre global pack. Cette dernière gère en continus le temps d'activation de chaque système d'équilibrage et les utilise si besoin pour dissiper de l'énergie au niveau d'un ou plusieurs modules. Avantageusement, la méthode permet de contrôler les pertes des systèmes d'équilibrage module pour maintenir un équilibre au niveau pack tout en assurant un équilibrage intra-module. En outre, l'invention permet d'utiliser des systèmes d'équilibrage actif à nombre restreint de cellules sur des packs batteries sans ajout de composant et ainsi de réduire le cout total et faciliter son intégration. L'invention permet d'optimiser l'équilibrage au niveau module et pack. Selon une variante, le ratio du signal d’activation est déterminé par les formules : - D A = MAX(P AM ) - P Ai ; - R Ai = 1 – MAX[0,MIN[1,(D A – S A )/(S B – S A )]], avec : P AM , un paramètre de cellule sur lequel on souhaite équilibrer les cellules entre elles (tension / état de charge) ; P Ai , une moyenne desdits paramètres des cellules du module de batterie correspondant au premier système d'équilibrage actif ; D A , un écart dudit paramètre par rapport à une valeur maximale de ladite moyenne ; R Ai , le rapport pour les cellules du module « i » ; S A , un premier seuil de temps pour avoir un déséquilibre entre des moyennes desdits paramètres des cellules correspondant à un équilibrage intra module ; S B , un deuxième seuil de temps pour avoir ledit déséquilibre ; et S A B . Cela permet de calculer précisément le ratio du signal d’activation. Selon une variante, une demande de signal de dissipation est déterminée par les formules : - D D = (P A i - MIN(P A M ) ; Si D A > S C , alors, D Diss = 1 Sinon D Diss = 1 avec en outre : D D , un écart dudit paramètre par rapport à une valeur minimale de ladite moyenne ; S C , un troisième seuil de temps pour avoir ledit déséquilibre et pour activer une dissipation intra module, D Diss , une demande de dissipation d’énergie, et S A B C . Cela permet de calculer précisément la demande de signal de dissipation. L’invention porte en outre sur un procédé d’équilibrage de modules de batterie, pour un véhicule automobile selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes de gestion d’équilibrage suivantes : - dans un premier délai, mettre le signal d’activation à un ratio de 100% et le signal de dissipation à un ratio de 0% ; - puis dans un deuxième délai ultérieur, faire décroitre linéairement le ratio du signal d’activation, et mettre le signal de dissipation à un ratio de 0%, - puis dans un troisième délai ultérieur, mettre le signal d’activation et le signal de dissipation à un ratio de 0%, - puis après le troisième délai, mettre le signal d’activation à un ratio de 0% et le signal de dissipation à un ratio de 100%. Un autre objet de l’invention concerne un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’équilibrage selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L'invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l'invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement un des modules de batterie associée à leur système d’équilibrage pour un véhicule automobile convenant à l’invention ; - illustre schématiquement des évolutions de signaux d’activation et des signaux de dissipation dans le cadre de la mise en œuvre d’une variante préférée de l’invention. L'invention concerne un véhicule automobile comprenant un pack batterie qui comprend des modules de batterie (M). Chaque module de batterie (M) comprend des cellules connectées à un système d’équilibrage actif (1, i, n). Les systèmes d’équilibrage actif (1, i, n) sont connectés à un moyen de gestion d’équilibrage (E). Le moyen de gestion d’équilibrage (E) est configuré pour envoyer un signal d’activation (A) périodique ou un signal de dissipation (D) en tant que consigne à chaque système d’équilibrage actif (1, i, n). La méthodologie détermine pour chaque système d'équilibrage module deux consignes : Premièrement, un signal d’activation(i) (ou signal « PWM » - pour Pulse Width Modulation » en langue anglaise) est utilisé. Il prend deux états binaires 0 (désactivé) et 1(activé) de façon périodique, et est caractérisé par sa période et par son ratio : - quand il vaut 1, le système d'équilibrage actif module d'indice 'i' est activé ; - quand il vaut 0, le système d'équilibrage actif module d'indice 'i' est désactivé. La période du signal d’activation peut être calculée en fonction de la capacité des cellules et du courant maximal d'équilibrage par cellule. Le ratio du signal d’activation est déterminé par la stratégie. Deuxièmement, la demande de dissipation : quand cette consigne vaut 1, le système d'équilibrage actif module d'indice 'i' doit générer le maximum de pertes sans modifier l'équilibrage interne du module. Concernant maintenant le calcul des consignes : On définit : - P A M : paramètre cellule sur lequel on souhaite équilibrer les cellules entre elles (par exemple la tension, l’état de charge) ; - P A i : la moyenne desdits paramètres des cellules du module indice 'i' ; - Seuil S A : seuil de déséquilibre entre des moyennes desdits paramètres correspondant à un équilibrage intra module 100% du temps ; - Seuil S B : seuil de déséquilibre entre les moyennes desdits paramètres pour désactiver un équilibrage intra module ; - Seuil S C : seuil de déséquilibre entre les moyennes desdits paramètres pour activer une dissipation intra module ; avec Seuil S A B C . La référence Mes concerne un moyen de mesure de paramètres de cellules, et la référence Est concerne un moyen d’estimation des paramètres. Concernant le calcul des ratios des signaux d’activation, les formules suivantes sont utilisées : D A = MAX(P A M ) - P A i ; - R A i = 1 – MAX[0,MIN[1,(D A – S A )/(S B – S A )]]. avec : D A , un écart dudit paramètre par rapport à une valeur maximale de ladite moyenne ; R A i , le rapport pour les cellules du module « i ». Concernant le calcul des demandes de dissipation, les formules suivantes sont utilisées : - D D = (P A i - MIN(P A M ) ; Si D A > S C , alors, D Diss = 1 Sinon D Diss = 1 avec en outre D D , un écart dudit paramètre par rapport à une valeur minimale de ladite moyenne ; D Diss , une demande de dissipation d’énergie. L’invention porte en outre sur un procédé de contrôle et un programme d’équilibrage correspondants. Le procédé et le programme correspondants peuvent être mis en œuvre dans un système de contrôle de type ordinateur. Véhicule automobile comprenant un pack batterie qui comprend des modules de batterie (M), chaque module de batterie (M) comprenant des cellules connectées à un système d’équilibrage actif (1, i, n), les systèmes d’équilibrage actif (1, i, n) étant connectés à un moyen de gestion d’équilibrage (E), le moyen de gestion d’équilibrage (E) étant configuré pour envoyer un signal d’activation (A) et/ou un signal de dissipation (D) à des ratios respectifs complémentaires en tant que consigne à chaque système d’équilibrage actif (1, i, n), caractérisé en ce que quand le signal d’activation (A) est à un ratio de 100%, un premier système d'équilibrage actif (i) est activé, quand le signal d’activation (A) est à un ratio de 0%, le premier système d'équilibrage actif (i) est désactivé, quand le signal de dissipation (D) est à un ratio de 100%, le premier système d'équilibrage actif (i) génère le maximum de pertes sans modifier l'équilibrage interne du module, et en ce que le moyen de gestion d’équilibrage (E) est configuré pour que - dans un premier délai (S A ), le signal d’activation (A) est à un ratio de 100% et le signal de dissipation (D) est à un ratio de 0%, - puis dans un deuxième délai ultérieur (S B ), le signal d’activation (A) est à un ratio qui décroit de manière linéaire et le signal de dissipation (D) est à un ratio de 0%, - puis dans un troisième délai ultérieur (S C ), le signal d’activation (A) et le signal de dissipation (D) sont à un ratio de 0%, - puis après le troisième délai (S C ), le signal d’activation (A) est à un ratio de 0% et le signal de dissipation (D) est à un ratio de 100%. Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ratio du signal d’activation (A) est déterminé par les formules : - D A = MAX(P AM ) - P Ai ; - R Ai = 1 – MAX[0,MIN[1,(D A – S A )/(S B – S A )]], avec : P AM , un paramètre de cellule sur lequel on souhaite équilibrer les cellules entre elles (tension / état de charge) ; P Ai , une moyenne desdits paramètres des cellules du module de batterie correspondant au premier système d'équilibrage actif ; D A , un écart dudit paramètre par rapport à une valeur maximale de ladite moyenne ; R Ai , le rapport pour les cellules du module « i » ; S A , un premier seuil de temps pour avoir un déséquilibre entre des moyennes desdits paramètres des cellules correspondant à un équilibrage intra module ; S B , un deuxième seuil de temps pour avoir ledit déséquilibre ; et S A B . Véhicule automobile selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’une demande de signal de dissipation (D) est déterminée par les formules : - D D = (P Ai - MIN(P AM ) ; Si D A > S C , alors, D Diss = 1 Sinon D Diss = 1 avec en outre D D , un écart dudit paramètre par rapport à une valeur minimale de ladite moyenne ; S C , un troisième seuil de temps pour avoir ledit déséquilibre et pour activer une dissipation intra module, D Diss , une demande de dissipation d’énergie, et S A B C . Procédé d’équilibrage de modules de batterie, pour un véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes de gestion d’équilibrage suivantes : - dans un premier délai (S A ), mettre le signal d’activation (A) à un ratio de 100% et le signal de dissipation (D) à un ratio de 0% ; - puis dans un deuxième délai ultérieur (S B ), faire décroitre linéairement le ratio du signal d’activation (A), et mettre le signal de dissipation (D) à un ratio de 0%, - puis dans un troisième délai ultérieur (S C ), mettre le signal d’activation (A) et le signal de dissipation (D) à un ratio 0%, - puis après le troisième délai (S C ), mettre le signal d’activation (A) à un ratio de 0% et le signal de dissipation (D) à un ratio de 100%. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé d’équilibrage selon la revendication 4, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.