Brevet FR3160522A1 — publié le 20250926

L’invention concerne une unité autonome de stockage d'énergie électrique (1), autrement appelée batterie, présentant une borne externe négative (BX-) et une borne externe positive (BX+), l’unité comprenant un ensemble de cellules électrochimiques (5), l’ensemble de cellules présentant une borne interne négative (BC-) et une borne interne positive (BC+), l’unité comprenant au moins capteur de courant (4), une unité de commande (3), l’unité comprenant un commutateur principal (2) interposé entre la borne positive (BC+) et la borne positive négative (BX+), commandé par l’unité de commande, le commutateur principal étant un organe à semiconducteurs, et optionnellement un interrupteur d’isolation de pied (6) interposé entre la borne interne négative (BC-) et la borne externe négative. Figure 1 UNITE AUTONOME DE STOCKAGE D’ENERGIE ELECTRIQUE AVEC PROTECTION ELECTRONIQUE POUR VEHICULE La présente invention concerne une unité autonome de stockage d'énergie électrique. Dans la pratique, cette unité autonome de stockage d'énergie électrique est aussi appelée batterie électrique autonome. Une telle unité autonome de stockage présente une borne négative et une borne positive auxquelles peuvent être généralement raccordés des consommateurs électriques. Dans certaines circonstances de vie, un équipement de recharge peut aussi être raccordé aux bornes négative et positive, afin de recharger l’unité autonome de stockage. Il peut s’agir d’un chargeur de bord (OBC) dans le cas d’un véhicule, mais d’autres situations de recharge sont aussi englobées dans la présente invention. Dans le contexte de la présente invention, on s’intéresse notamment à des batteries pour des véhicules de type électromobilité légère. Bien entendu, d'autres types de véhicules ne sont pas exclus de l'utilisation des batteries présentées ici. Habituellement, ces batteries comprennent un ensemble de cellules électrochimiques à base de chimie Lithium-Ion. L’unité autonome de stockage d’intérêt ici est équipé d’un calculateur électronique, aussi appelé ici unité de commande, et appelé dans le jargon du métier BMS (pour ‘Battery Management System’). Dans les architectures électriques des véhicules connus, le chargeur de bord échange avec le calculateur BMS pour recevoir du BMS quelle est la puissance de recharge possible. Le chargeur adapte alors le niveau de tension injecté vers la batterie. Il est donc requis un dialogue entre deux calculateurs pour que la recharge se produise correctement. Ceci implique qu'il y ait une compatibilité du dialogue entre les deux calculateurs, ce qui s'avère être une limitation de flexibilité dans la pratique. Ainsi il subsiste un besoin de proposer de nouvelles solutions pour rendre la batterie plus indépendante de l'architecture du véhicule, et plus flexible vis-à-vis des différents moyens et équipements de recharge. A cet effet, la présente invention propose une unité autonome de stockage d'énergie électrique présentant une borne externe négative et une borne externe positive, l’unité autonome de stockage comprenant un ensemble de cellules électrochimiques, l’ensemble de cellules présentant une borne interne négative et une borne interne positive, l’unité autonome de stockage comprenant au moins un capteur de courant, une unité de commande, l’unité autonome de stockage comprenant un commutateur principal interposé entre la borne interne positive et la borne externe positive, commandé par l’unité de commande. L’unité autonome de stockage est caractérisée en ce que le commutateur principal est un organe à semiconducteurs, et l'unité de commande est configurée pour commander le commutateur principal en fonction d'une valeur de courant délivré par le capteur de courant. Avantageusement, grâce au capteur de courant et à une commande modulée (PWM ou autre) du commutateur principal, l’unité de commande peut ajuster la puissance électrique qui entre et qui sort de la batterie. Grâce aux dispositions ci-dessus, quelle que soit la configuration du chargeur, la recharge peut être réalisée tout en protégeant l'unité de stockage autonome, même si la tension et/ou le courant transmis par le chargeur sont trop élevées. On peut ainsi parler réellement d'une fonction d’autonomie de l'unité de stockage qui s'adapte elle-même à toutes les sources de recharge. Il faut noter que, outre la régulation de la charge discutée ci-dessus, l'unité de commande peut aussi protéger l'unité de stockage pour des courants en sortie trop importants, sans forcément couper totalement la sortie, c'est-à-dire en utilisant une commande modulée pour limiter le courant délivré par la batterie. L’unité autonome de stockage peut être installée à demeure dans un véhicule, mais compte tenu de son aspect autonome, l'unité peut aussi être formée comme une cartouche échangeable de réserve d'énergie. Selon une réalisation, il est prévu en outre un interrupteur d’isolation de pied interposé entre la borne interne négative et la borne externe négative. Cet interrupteur d'isolation de pied permet d’isoler la batterie dans le cas où l'interrupteur principal ne peut plus interrompre efficacement la ligne positive, si des conditions d'isolation de la batterie sont requises. Il faut comprendre qu’en l'absence d'interrupteur d'isolation de pied, la borne externe négative est reliée directement à la borne interne négative. Selon une réalisation, il est prévu un circuit câblé de surveillance, configuré pour commander l’interrupteur d’isolation de pied. Ce circuit câblé est indépendant de tout fonctionnement de logiciel, et permet une protection extrêmement rustique et fiable de la batterie. L'isolation par ouverture de l'interrupteur d'isolation de pied est obtenue simplement en logique câblée en fonction d'une tension aux bornes de la batterie voire d'une image du courant transitant en entrée ou en sortie de la batterie. Selon une réalisation, l’interrupteur d’isolation de pied est un organe à semiconducteurs. Cette solution s'avère économiquement pertinente. L'interrupteur à semi-conducteurs peut être ouvert de façon fiable alors qu'un courant conséquent le traverse. Selon une réalisation, l’interrupteur d’isolation de pied est commandé de manière bistable, par exemple via à une bascule. Grâce à une telle commande bistable, on peut minimiser la consommation électrique en fonctionnement nominal et/ou en régime permanent. Selon une réalisation alternative, l’interrupteur d’isolation de pied prend la forme d’un relais. L'ouverture du contact de relais génère une isolation galvanique. Il s'agit d'une solution rustique et de très bonne efficacité et fiabilité. Selon une réalisation, le commutateur principal comprend au moins un transistor MOSFET. Cette solution permet les commandes en tout-ou-rien et aussi bien entendu les commandes modulées de type PWM dont il sera question en détail plus loin. On note qu'il n'est pas exclu d'utiliser d'autres solutions de semi-conducteur comme des IGBT. Selon une réalisation, les cellules électrochimiques sont à base de chimie Lithium-Ion. Cette solution présente une très bonne compacité du point de vue de l'énergie stockée vis-à-vis du volume occupé. D'autres couples électrochimiques sont bien entendu possibles. Selon une réalisation, l’unité autonome de stockage peut comprendre en outre un ou plusieurs fusibles de protection, et/ou un convertisseur de tension. Selon une réalisation, l’unité autonome de stockage peut présenter une tension nominale comprise entre quelques dizaines de volts et quelques centaines de volts. Selon un exemple particulier, la tension nominale peut être de 48V. L'invention concerne en outre un procédé pour protéger une unité autonome de stockage d'énergie électrique présentant une borne externe négative et une borne externe positive, l’unité comprenant un ensemble de cellules électrochimiques, au moins une unité de commande, un commutateur principal à semiconducteurs interposé entre la borne externe positive et l’ensemble de cellules électrochimiques, le procédé comprenant : - commander au moyen de l’unité de commande le commutateur principal de manière modulée avec un rapport cyclique variable pour assurer une fonction de précharge de circuits consommateurs et une fonction de régulation de recharge. Selon une réalisation, l’unité autonome de stockage peut comprendre en outre un interrupteur d’isolation de pied interposé entre la borne externe négative et l’ensemble de cellules électrochimiques, le procédé prévoyant alors de commander, au moyen d’un circuit câblé de surveillance, au moins une ouverture de l’interrupteur d’isolation de pied. L'invention concerne en outre un véhicule automobile comprenant une unité autonome de stockage telle que décrite précédemment. L'invention concerne en outre un système de stockage d'énergie électrique comprenant au moins deux unités autonomes de stockage telles que décrites précédemment, branchées en parallèle. 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 : FIG. 1 est une représentation schématique d’une unité autonome de stockage d'énergie électrique selon un premier exemple de réalisation de l'invention ; FIG. 2 est une représentation schématique d’une unité autonome de stockage d'énergie électrique selon un deuxième exemple de réalisation ; FIG. 3 illustre un schéma bloc fonctionnel relatif à l’unité de commande ; FIG. 4 montre schématiquement un système de stockage d'énergie électrique, comprenant trois unités autonomes de stockage, rechargées en parallèle par des chargeurs utilisant diverses sources d’énergie. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Pour des raisons de clarté de l'exposé, certains éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle. On s’intéresse ici à une batterie de stockage d'énergie électrique repérée 1, aussi appelé ici ‘unité de stockage’ ou simplement ‘batterie’. Cette unité comprend un ensemble de cellules électrochimiques 5. Selon un exemple, les cellules électrochimiques sont à base de chimie Lithium-Ion. Toutefois, il faut noter que l’invention couvre tous les types de couples électrochimiques possibles pour les cellules de la batterie. Le nombre de cellules électrochimiques peut être quelconque ; elles sont généralement agencées en série. L’ensemble de cellules présentant une borne interne négative BC- et une borne interne positive BC+. L’unité autonome de stockage comprend une borne externe positive BX+ et une borne externe négative BX-. Ce sont les bornes accessibles depuis l'extérieur de l'unité de stockage. Selon un exemple particulier, ce sont les seules bornes accessibles. La tension électrique sur la borne externe négative BX- correspond à la masse du véhicule notée V-. La tension électrique qui prévaut sur la borne externe positive BX+ est notée V+. Selon le premier mode de réalisation, il est prévu un interrupteur d’isolation de pied 6 interposé entre la borne interne négative BC- et la borne externe négative BX-. On verra plus loin la logique de commande appliquée à cet interrupteur. L’unité comprend un capteur de courant 4. Il peut s'agir d’un capteur de courant à effet Hall. D'autres types technologiques de capteurs de courant peuvent aussi convenir. On note qu'il est possible que le capteur de courant soit agencé sur la ligne de la borne négative de la batterie. Le capteur de courant délivre une valeur de courant noté ii. Le courant ii est mesuré en temps réel par le capteur de courant 4. L’unité comprend une unité de commande 3, (aussi repérée et appelée BMS). L'unité de commande 3 est un calculateur électronique en charge de la protection de la batterie. L'unité de commande 3 collecte les informations de température au moins de certaines cellules, les informations de tension aux bornes de chaque cellule, et le courant total ii qui sort ou et qui rentre dans la batterie. L'unité de commande 3 est alimentée électriquement localement à partir de l'ensemble des cellules électrochimiques. L’unité comprend un commutateur principal 2 interposé entre la borne interne positive BC+ et la borne externe positive BX+. Le commutateur principal 2 est commandé par l’unité de commande via la ligne de commande 20. Avantageusement, le commutateur principal 2 est un organe à semiconducteurs. Il peut s'agir par exemple d'un ou plusieurs composant transistor MOSFET. D'autres solutions de type IGBT ne sont pas non plus exclues. Il est prévu un capteur de température placé sur certaines cellules. Il est prévu une prise de tension aux bornes de chaque cellule, cette tension étant remontée vers l'unité de commande 3. L'ensemble des capteurs est relié à l'unité de commande 3 via un faisceau de conducteurs repéré 35 à la FIG. 1 . Comme illustré à la FIG. 3 , l'unité de commande 3 reçoit en entrée la tension positive externe V+, la valeur de courant mesurée ii par le capteur de courant 4, la tension Vcell prévalant aux bornes de chaque cellule électrochimique, la température Tcell de chacune des cellules sur laquelle est installé un capteur de température. Par ailleurs, l'unité de commande 3 comprend en mémoire des tables de calibrations 30 ou des informations de cartographie qui caractérisent le fonctionnement normal des cellules électrochimiques de la batterie, notamment par rapport au courant maximum de décharge et au courant maximum de recharge, en fonction d'une pluralité de paramètres dont notamment la tension aux bornes et la température. L'unité de commande 3 peut commander le commutateur principal 2 en mode tout ou rien, c'est-à-dire OFF ou ON, mais aussi en commande cyclique pulsée/modulée. On a illustré sur la FIG. 3 une commande modulée selon un signal un rapport cyclique d'ouverture variable et fréquence fixe connue dans le jargon du métier sous le terme PWM. La période du signal de commande est notée T1. Selon un exemple de réalisation T1 a pour valeur 1 milliseconde, ce qui correspond à une fréquence de commande de 1 kHz. La modulation de la commande permet de limiter le courant moyen sortant de la batterie d'une part, et d'autre part elle permet aussi de limiter le courant entrant lors de la recharge. Les inventeurs ont remarqué qu’une commande pulsée pour finir la recharge sur un état de charge proche de 100% était avantageuse, meilleure qu’une fin de recharge à tension constante. Selon un exemple de réalisation optionnel, l’interrupteur d’isolation de pied 6 est un organe à semiconducteurs. Selon une solution alternative, l’interrupteur d’isolation de pied prend la forme d’un relais. Selon un aspect avantageux, le circuit de commande de l'interrupteur d'isolation de pied peut être de type bistable. Toujours selon le premier mode de réalisation, il est prévu un circuit câblé de surveillance 7, configuré pour commander l’interrupteur d’isolation de pied 6. Dans le circuit câblé de surveillance 7, il est prévu un comparateur de tension 70, qui permet de déclencher une action d’isoler la batterie par ouverture de l’interrupteur d’isolation de pied si la tension assez sur la borne V+ devient supérieure à un seuil critique et accessoirement que du courant circule sur la ligne positive. Il est prévu une bascule bistable 71 pour implémenter la commande bistable de l’interrupteur d’isolation de pied comme déjà mentionné ci-dessus. Réarmement de l’interrupteur d’isolation de pied 6 L'unité autonome de stockage comprend dans l’exemple illustré un fusible 14, ce qui forme une sécurité secondaire contre un possible court-circuit en aval de l'unité autonome de stockage 1. L'unité autonome de stockage comprend dans l’exemple illustré un convertisseur de tension 9. Dans l'exemple illustré, le convertisseur de tension 9, aussi appelé convertisseur DC/DC, délivre une tension de 12 volts. Les consommateurs présents en aval de la batterie présentent une capacité électrique équivalente 16 assez importante qui doit être chargée lorsque l'on met sous tension à partir de 0 le réseau de bord. Il est prévu à cet effet une fonction de précharge pour limiter l'appel de courant sur la batterie. A cette fin, l'unité de commande 3 pilote le commutateur principal 2 avec un rapport cyclique d'ouverture croissant en partant d'une valeur faible, le cas échéant avec un critère de courant sortant ii maximum. Cette régulation pour gérer la charge initiale des condensateurs 16 en aval est une phase assez courte qui dure quelques millisecondes ou quelques dizaines de millisecondes. L'unité autonome de stockage 1 est notamment rechargée par un chargeur 10 CHG. L'exemple illustré montre un chargeur fonctionnant à partir du réseau 220 volts. L’unité comprend un carter de protection 8. Le carter de protection forme une enveloppe de protection vis-à-vis de l’environnement mécanique et physico-chimique. Ladite enveloppe peut avoir le niveau de protection qualifié de IP67. Les cellules électrochimiques 5, l'unité de commande 3, le commutateur principal 2, et lorsqu'il est présent, l'interrupteur d'isolation de pied 6, sont hébergés dans le carter de protection 8. Toujours selon le premier mode de réalisation, le carter de protection héberge aussi le convertisseur de tension 9. Dans cette configuration, l'unité autonome de stockage 1 comprend une troisième borne repérée 19 correspondant à la sortie du convertisseur de tension 9. La batterie, autrement nommée unité autonome de stockage, peut être installée à bord de véhicules automobiles électriques ou hybrides, ou de tout type d’engin de petite électromobilité. Les véhicules en question peuvent être des véhicules particuliers ou des véhicules utilitaires, ils peuvent être des véhicules routiers ou non routiers, par exemple un quad, une voiture sans permis, etc. Selon le deuxième mode de réalisation illustré à la FIG. 2 , l’unité autonome de stockage est dépourvue d’interrupteur d’isolation de pied La borne externe négative BX- est reliée directement à la borne interne négative BC-. Les autres éléments du deuxième mode de réalisation sont identiques ou similaires à ceux du premier mode de réalisation et donc non décrits à nouveau ici. Selon un aspect avantageux, l'unité autonome de stockage d'énergie électrique 1 peut se présenter comme une cartouche échangeable qui peut être rechargée dans un équipement spécifique dédié à la recharge et qui peut être utilisée à bord d'un véhicule de type petit électromobilité. Comme illustré à la FIG. 4 , plusieurs unités de stockage 1A,1B,1C peuvent être associées en parallèle, soit dans un véhicule, soit dans un équipement d'une autre nature, par exemple dans un équipement de recharge. Cela produit un équilibrage naturel, chaque unité autonome de stockage régule sa propre recharge, soit à partir du chargeur soit à partir d’unité(s) voisine(s). On remarque que la recharge peut être faite via un chargeur 10 à partir d'énergie renouvelable comme des panneaux photovoltaïques 82 ou des éoliennes 84. Unité autonome de stockage d'énergie électrique (1) présentant une borne externe négative (BX-) et une borne externe positive (BX+), l’unité autonome de stockage comprenant un ensemble de cellules électrochimiques (5), l’ensemble de cellules présentant une borne interne négative (BC-) et une borne interne positive (BC+), l’unité autonome de stockage comprenant au moins un capteur de courant (4), une unité de commande (3,BMS), l’unité autonome de stockage comprenant un commutateur principal (2) interposé entre la borne interne positive (BC+) et la borne externe positive (BX+), commandé par l’unité de commande, caractérisée en ce que le commutateur principal (2) est un organe à semiconducteurs, et l'unité de commande est configurée pour commander le commutateur principal en fonction d'une valeur de courant délivré par le capteur de courant. Unité autonome de stockage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’il est prévu en outre un interrupteur d’isolation de pied interposé entre la borne interne négative (BC-) et la borne externe négative (BX-). Unité autonome de stockage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’il est prévu un circuit câblé de surveillance (7), configuré pour commander l’interrupteur d’isolation de pied (6). Unité autonome de stockage selon l’une des revendications 2 à 3, caractérisée en ce l’interrupteur d’isolation de pied est un organe à semiconducteurs. Unité autonome de stockage selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le commutateur principal (2) comprend au moins un transistor MOSFET. Unité autonome de stockage selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les cellules électrochimiques (5) sont à base de chimie Lithium-Ion. Procédé pour protéger une unité autonome de stockage d'énergie électrique présentant une borne externe négative (BX-) et une borne externe positive (BX+), l’unité comprenant un ensemble de cellules électrochimiques, au moins une unité de commande (3), un commutateur principal (2) à semiconducteurs interposé entre la borne externe positive (BX+) et l’ensemble de cellules électrochimiques, le procédé comprenant : - commander au moyen de l’unité de commande (3) le commutateur principal de manière modulée avec un rapport cyclique variable (PWM) pour assurer une fonction de précharge de circuits consommateurs et une fonction de régulation de recharge. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l’unité autonome de stockage comprend en outre un interrupteur d’isolation de pied (6) interposé entre la borne externe négative (BX-) et l’ensemble de cellules électrochimiques, caractérisé en ce le procédé prévoit de commander, au moyen d’un circuit câblé de surveillance (7), au moins une ouverture de l’interrupteur d’isolation de pied (6). Véhicule automobile comprenant une unité autonome de stockage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. Système de stockage d'énergie électrique, comprenant au moins deux unités autonomes de stockage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, branchées en parallèle.