FR3144700A1 - Procede d’equilibrage actif de cellules d’une batterie - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé d’équilibrage de cellules électrochimiques d’une batterie munie d’unités d’équilibrage actifs des cellules comportant des boucles de configuration des unités d’équilibrage où chaque boucle exécute les étapes successives suivantes de détermination (E1) d’une première cellule (C1i) à équilibrer dans une pluralité de NS cellules reliées en série, de sélection (E2) d’une deuxième cellule (C2i_am ; C2i_av) qui est apte à participer à l’équilibrage de la première cellule (C1i) en fonction d’un critère électrique, ladite deuxième cellule (C2i_am ; C2i_av) étant la plus proche de la première cellule (C1i) jusqu’à une portée de NB cellules maximum en amont ou en aval de la première cellule (C1i), avec NB strictement inférieur à NS, le pilotage (E3) en courant de chaque unité d’équilibrage intervenant entre la deuxième cellule sélectionnée (C2i_am ; C2i_av) et la première cellule à équilibrer (C1i). Figure 2.

Description

PROCEDE D’EQUILIBRAGE ACTIF DE CELLULES D’UNE BATTERIE

Le domaine de l’invention concerne un procédé d’équilibrage des cellules électrochimiques d’un système de batterie. L’invention s’applique aux systèmes de stockage d’énergie stationnaires et les applications d’électromobilité.

Lorsque des cellules d’une batterie présentent des états de charge non homogènes, les cellules les moins chargées ou les plus chargées peuvent limiter la capacité de décharge ou de charge de l’ensemble des cellules du fait qu’elles atteignent leur limite d’état de charge en maximum ou minimum avant les autres. Afin d’optimiser l’énergie disponible d’un système de batterie, il existe des solutions d’équilibrage (« balancing » en anglais) de type passif où le système dissipe de l’énergie afin d’obtenir un équilibre en état de charge sur l’ensemble du pack de cellules composant la batterie et des solutions de type actif où le système peut transférer de l’énergie d’une cellule ou d’un groupe de cellule à d’autres.

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 système de batterie ne peut être maintenu que sur un état particulier. En général, l’équilibre est recherché à un état élevé de charge pour maximiser l’énergie acceptable pour le pack. A la différence, le système actif sur l’ensemble d’un pack permet de mieux exploiter l’énergie de toutes les cellules. En effet, en transférant dynamiquement de l’énergie entre les cellules, il va tendre à maintenir un équilibre quel que soit l’état de charge du pack. Si le courant d’équilibrage est suffisant pour maintenir le pack équilibré quelle que soit la sollicitation, toute l’énergie des cellules sera exploitable. Il faudra cependant y soustraire les pertes du système d’équilibrage.

Dans le cas des packs de batterie automobile, les capacités des cellules sont de plus en plus grandes et en vieillissant nécessiteront donc de forts courants d’équilibrage pour compenser les écarts de capacité important en valeur absolue ce qui impliquent des coûts et volumes importants. Les systèmes d’équilibrage de type proche en proche ont l’avantage d’être flexibles au nombre de cellules et relativement économiques. Cependant, le rendement global de ces systèmes se dégrade rapidement si les cellules à équilibrer sont éloignées. Par ailleurs, un système d’équilibrage actif proche en proche cherche à réaliser un équilibre simultané de toutes les cellules. Chaque cellule en dessous de la moyenne de la grandeur à équilibrer (tension, état de charge…) reçoit une part de l’énergie transférée. Les chemins de transferts d’énergie peuvent faire intervenir un grand nombre d’unités d’équilibrage et ainsi générer beaucoup de pertes. La stratégie classique a aussi pour effet de ne pas utiliser les unités d’équilibrage à leur courant maximum. Son utilisation sur des packs composés d’un grand nombre de cellules de forte capacité nécessiterait de très forts courants d’équilibrage et le système serait couteux et difficilement intégrable dans un volume restreint.

On connait par exemple le document brevet WO-A2-2013061001 décrivant une solution d’équilibrage actif combinant un mode d’équilibrage sur l’ensemble du pack de cellules visant à isoler les cellules où groupes de cellules limitant la recharge ou la charge et un mode d’équilibrage local faisant intervenir des unités d’équilibrage agissant localement entre des cellules d’un même groupe lorsque ce groupe est isolé du pack. Cette solution présente l’inconvénient que le mode d’équilibrage global intervient uniquement en cas de présence d’un courant de charge et décharge. En outre, cette technique prévoit d’isoler les groupes de cellules limitant et d’opérer l’action de l’équilibrage local lorsqu’ils sont déconnectés. Ce type de solution présente l’inconvénient de limiter la capacité disponible du pack durant l’équilibrage.

Il existe donc un besoin d’améliorer les solutions d’équilibrage d’un système de batterie. L’invention vise à pallier les problèmes précités. Un objectif de l’invention est d’assurer l’équilibrage d’un système de batterie en toute situation d’utilisation, c’est-à-dire en charge, en décharge et au repos. Un autre objectif est de permettre l’usage de moyen d’équilibrage actif sur l’ensemble du pack tout en évitant les limitations de courant pouvant induire ce type d’équilibrage.

Plus précisément, l’invention concerne un procédé d’équilibrage de cellules électrochimiques d’une batterie munie d’unités d’équilibrage actifs des cellules, le procédé comportant des boucles de configuration des unités d’équilibrage où chaque boucle exécute les étapes successives suivantes :

- A) la détermination d’une première cellule à équilibrer dans une pluralité de NS cellules reliées en série,

- B) la sélection d’une deuxième cellule qui est apte à participer à l’équilibrage de la première cellule en fonction d’un critère électrique, ladite deuxième cellule étant la plus proche de la première cellule jusqu’à une portée de NB cellules maximum en amont ou en aval de la première cellule, NB étant strictement inférieur à NS,

- C) le pilotage en courant de chaque unité d’équilibrage intervenant entre la deuxième cellule sélectionnée et la première cellule à équilibrer pour transférer l’énergie entre la première et la deuxième cellule.

Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

- l’unité d’équilibrage la plus proche de la deuxième cellule sélectionnée est pilotée à sa consigne de courant maximale et les unités d’équilibrage intermédiaires sont pilotés à des consignes décroissantes dans le sens de la deuxième cellule sélectionnée vers la première cellule à équilibrer ;

- les consignes des unités d’équilibrages intermédiaires sont pilotés en valeur absolue selon la relation CS_eq_i= Imax * Rdt^d, où CS_eq_iest la consigne de courant d’une unité d’équilibrage intermédiaire, Imax est la valeur de courant maximale de l’unité d’équilibrage, Rdt est le rendement énergétique de l’unité d’équilibrage et l’exposant d est l’écart de position entre l’unité d’équilibrage intermédiaire et la deuxième cellule sélectionnée ;

- la détermination d’un classement des NS cellules par ordre d’état de charge en fonction d’un paramètre électrique représentatif de l’état de charge de chaque cellule et la commande d’une boucle de configuration d’équilibrage pour chaque cellule à équilibrer du classement dans l’ordre du classement ;

- la détermination d’un classement des NS cellules en ordre croissant d’état de charge en fonction d’un paramètre électrique représentatif de l’état de charge de chaque cellule, la détermination du signe du courant traversant la batterie, si le courant est un courant de décharge, la commande d’une boucle de configuration d’équilibrage pour chaque cellule à équilibrer du classement par ordre croissant du classement, et si le courant est un courant de charge, la commande d’une boucle de configuration d’équilibrage pour chaque cellule à équilibrer du classement par ordre décroissant du classement ;

- dans lequel le critère électrique de l’étape B) de sélection consiste à comparer la tension ou la capacité de la deuxième cellule par rapport à une valeur dépendante de la tension de la première cellule ;

- comportant en outre, lors de l’étape B) de sélection, une étape de vérification d’un paramètre représentatif d’état d’utilisation d’une unité d’équilibrage intermédiaire entre la première cellule et la deuxième cellule, et dans lequel la sélection est autorisée seulement si ledit paramètre informe un état de non utilisation ;

- comportant en outre lors de l’étape C), le pilotage du paramètre d’utilisation de chaque cellule d’équilibrage intervenant entre la deuxième cellule sélectionnée et la première cellule à équilibrer dans un état utilisé de manière à interdire son utilisation pour l’équilibrage d’une troisième cellule à équilibrer lors d’une boucle de configuration suivante.

Il est envisagé en outre selon l’invention une unité de commande d’un système de batterie de cellules électrochimiques munie d’unités d’équilibrage actifs des cellules, ladite unité de commande étant configurée pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’une quelconque des modes de réalisation précédents.

On prévoit en outre un système de batterie comportant une pluralité de N cellules électrochimiques reliées en série, des unités d’équilibrages interconnectées aux cellules pilotables en courant de manière à commander des configurations d’équilibrage permettant le transfert d’énergie entre des cellules, et une unité de commande apte à piloter la consigne de courant de chaque unité d’équilibrage, l’unité de commande étant configurée pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Il est envisagé un programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande d’un système de batterie, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé d’équilibrage selon l’invention.

L’invention prévoit un véhicule électrifié comprenant un système de batterie configuré pour la mise en œuvre de l’un quelconque des modes de réalisation du procédé d’équilibrage des cellules selon l’invention.

L’invention présente les avantages suivants :

- Augmentation de l’énergie utile d’un pack, ce qui augmente l’autonomie d’un véhicule.

- Réduction du coût du système d’équilibrage actif de type proche en proche du fait qu’on améliore le rendement énergétique d’une chaine de transfert d’énergie. En effet, celles-ci se configurent uniquement selon une stratégie locale.

- Réduction du volume du système d’équilibrage actif de type proche en proche via la réduction du courant maximum d’équilibrage. L’intégration est donc de moindre coût et facilitée.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :

représente schématique un circuit électrique de cellules électrochimiques reliées en série dans une batterie et une unité de commande configurée pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention ;

est un diagramme représentant un algorithme de mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’invention durant une phase de décharge ;

est un diagramme représentant un algorithme de mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’invention durant une phase de charge ;

est une représentation schématique d’un circuit électrique de cellules connectées en série représentant une configuration d’équilibrage selon l’invention localement à une cellule C1 d’indice i utilisant des cellules C2 en amont et en aval dans un pack de système de batterie équipées de NS cellules.

L’invention s’applique aux systèmes de stockage d’énergie à cellules électrochimiques comprenant des unités d’équilibrage actif de type proche en proche. L’invention s’application au domaine des systèmes de stockage stationnaire et aux applications d’électromobilité, notamment aux véhicules électrifiés, c’est-à-dire comprenant une machine électrique motrice et de l’électronique de puissance, 100% électriques ou hybrides, de préférence les véhicules automobiles, mais pas seulement tels un avion, tracteur, vélo électrique, navires.

En référence à la on a représenté schématiquement une batterie BAT prévue pour mettre en œuvre le procédé d’équilibrage selon l’invention. Elle comporte une pluralité de NS cellules électrochimiques C, indexées par l’indice i (i allant de 1 à NS), qui sont reliées en série de manière à former le pack. Les cellules C peuvent être de type Lithium ion, Nickel Cadmium ou Nickel-Métal-Hydrure par exemple. Une cellule est un accumulateur d’énergie électrique ayant deux bornes, une électrode positive et une électrode négative, et présentant une tension de quelques volts, le plus souvent comprise entre 2,3V et 4,2V, environ. Le pack est formé de cellules reliées les unes aux autres en série, ou il est formé de clusters de cellules reliés les uns aux autres en série, où les cellules peuvent être reliées en parallèle au sein de chaque cluster.

La batterie BAT comporte en outre des unités d’équilibrage eq, indexées par l’indice i en lien avec les cellules. Une unité d’équilibrage actif eq_iest de type proche en proche et est connectée entre deux cellules C_iet Ci₊₁ou deux clusters de cellules. Elle a pour fonction le transfert d’énergie depuis une cellule vers une cellule voisine, ou un cluster de cellules vers un cluster voisin. Elle accumule de l’énergie pour la transférer. Une unité d’équilibrage eq est formée d’inductances ou de capacités et est pilotable en courant. Chaque unité d’équilibrage eqi est adressable par une unité de commande BU du système de batterie BAT et est pilotée par une consigne de courant CS_eq_i.

Une cellule C_ipeut être équilibrée en état de charge en prenant en compte le paramètre électrique de la tension de la cellule exprimé en Volt ou la capacité de la cellule exprimée en Ampère-heure, ou bien tout paramètre électrique représentatif de son état de charge, éventuellement la tension à vide. Le procédé d’équilibrage agit localement car pour une cellule donnée C_i, seules les cellules de la série NS, à proximité jusqu’à une portée de NB cellules en amont et en aval peuvent lui donner de l’énergie ou lui en prélever. Ainsi, pour une cellule C_i, seules les cellules de C_i-NBà C_i+NBsont habilitées à lui transférer de l’énergie en faisant intervenir les unités d’équilibrage Eq_i-NBà Eq_i+(NB-1).

En outre, le procédé d’équilibrage est hiérarchisé au sens qu’en phase de décharge, les cellules limitant la décharge du pack, celles les plus basses en tension, sont prioritairement rechargées, et inversement en charge, les cellules limitant la charge du pack, celles les plus hautes en tension, sont prioritairement déchargées. La hiérarchisation est mise en œuvre par le procédé au moyen d’un classement des cellules en fonction d’un paramètre électrique représentatif de l’état de charge. On notera en outre que durant la charge ou décharge les cellules à équilibrer restent connectées dans la série NS. Cela permet de conserver la capacité disponible de la batterie BAT.

Par ailleurs, le procédé d’équilibrage de la batterie BAT vise à piloter des configurations d’équilibrage des unités d’équilibrage eq_iqui sont calculées et rafraichies selon une période donnée. La période est paramétrable et dépend de la capacité des cellules C_idu courant maximum pilotable par les unités d’équilibrage eq_iet de la précision de la mesure de la tension de chaque cellule. Par exemple, la période d’une configuration d’équilibrage est d’environ une dizaine de secondes pour un courant maximum d’environ quelques ampères pour des capacités individuelles de cellules de 50 Ampères-heures. D’autres valeurs sont envisageables selon l’architecture et le dimensionnement électrique de la batterie BAT.

L’unité de commande BU comporte les moyens de mesure et détermination à chaque instant de paramètres électriques de la batterie BAT, pouvant être la tension, la capacité des cellules, la tension à vide, la température, le courant des cellules C_iet des unités d’équilibrage eq_i, la tension de la batterie BAT, l’état de charge de la batterie, l’état de vieillissement, la tension moyenne de la batterie BAT, le signe du courant traversant les cellules C_i, le rendement électrique des unités d’équilibrage eq_i, l’état d’utilisation des unités d’équilibrage eq_i, notamment.

En référence aux figures 2 et 3, on a représenté un diagramme du procédé d’équilibrage selon l’invention pour respectivement une phase de décharge et une phase de recharge de la batterie, car de préférence, en phase de décharge, le procédé est configuré pour recharger prioritairement les cellules les moins chargées, et inversement en phase de recharge. En outre, le procédé est configuré pour équilibrer les cellules localement jusqu’à une portée de NB cellules autour de la cellule à équilibrer C_i. NB est dépendant du rendement énergétique des cellules d’équilibrage. Plus ce rendement est élevé, plus NB peut être grand, et inversement. NB peut être compris entre 1 et 5, pouvant être égal à 1, 2, 3, 4 ou 5 par exemple. NB peut être supérieur à 5. Dans tous les cas NB est strictement inférieur à NS. NB est paramétrable.

Le procédé d’équilibrage est exécuté de préférence en décharge et recharge de la batterie mais est exécutable également au repos. Au repos, le procédé d’équilibrage peut s’exécuter similairement à la séquence d’équilibrage en décharge décrite en ou en recharge décrite en . Le procédé d’équilibrage est mis en œuvre par l’unité de commande de la batterie laquelle est munie d’un calculateur à circuits intégrés et de mémoires électroniques. Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, le calculateur pourrait être externe à l’unité de commande, tout en étant couplé à cette dernière. Dans ce dernier cas, il peut être lui-même agencé sous la forme d’un calculateur dédié comprenant un éventuel programme dédié, par exemple. Par conséquent, l’unité de commande, selon l’invention, peut être réalisé sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels.

A une première étape d’initialisation E0, le procédé comporte la détermination d’un classement des cellules par ordre d’état de charge. Le classement est déterminé en fonction de la tension individuelle de chaque cellule C_ide la série NS ou de la capacité. Le classement est mis en œuvre sous la forme par exemple d’un vecteur V_class ordonnant les indices des cellules C_ipar ordre croissant ou décroissant. Le vecteur est enregistré en mémoire de l’unité de commande et actualisé à chaque période de pilotage de configuration d’équilibrage. Le classement permet de configurer les unités d’équilibrage en priorisant les cellules les moins chargées ou les plus chargées. L’étape E0 comporte en outre la détermination du courant CR traversant la batterie afin de déterminer la hiérarchisation d’équilibrage des cellules.

Le procédé comporte ensuite une étape de vérification de la valeur du courant CR, et si le courant CR est un courant de décharge, par convention un courant négatif, le procédé commande la phase PH1 représentée en . Si le courant est un courant de recharge, par convention un courant positif, le procédé commande la phase PH2 représentée en . L’étape de vérification du signe du courant CR n’est pas obligatoire au repos.

La phase PH1, entourée en trait en pointillé sur la , comporte une étape E1 de détermination des cellules C1_ià équilibrer dans le classement V_class pour i allant de 1 à NS. Selon la hiérarchisation, en décharge de la batterie le procédé scrute le classement V_class par ordre croissant d’état de charge des cellules. L’équilibrage se réalise donc en priorité pour les cellules ayant la charge la plus faible, celles qui limitent la décharge de la batterie. La détermination E1 consiste à comparer la tension UC_ide chaque cellule C_idans le classement avec la tension moyenne Vm des NS cellules de la série. De préférence, on compare la tension UC_ipar rapport à la tension Vm-S1, où S1 est un écart de tension prédéterminé. S1 a une valeur de quelques millivolts, par exemple 5mV. Si la tension UC_iest inférieure à Vm-S1 alors on détermine que la cellule C_idoit être rechargée. On référence cette cellule C1_i. Dans le cas contraire, la cellule C_in’est pas retenue pour être rechargée. Alternativement, cette comparaison peut être opérée par vérification du paramètre de la capacité utile restante de chaque cellule avec une valeur moyenne de capacité de la batterie par cellule.

Ensuite, pour chaque cellule C1_i pouvant être rechargée par équilibrage, la phase PH1 comporte en outre une première séquence SQ1 comprenant une étape de recherche et sélection E2 d’une cellule C2_i_am ayant le potentiel pour équilibrer parmi les NB cellules en amont de la cellule C1_iet une deuxième séquence SQ2 de recherche et sélection d’une cellule C2_i_av ayant le potentiel pour équilibrer parmi les NB cellules en aval de C1_i, le sens amont et aval étant pris en référence par rapport à l’ordre des cellules dans le circuit électrique en série de la batterie. SQ1 et SQ2 se déroulent l’une après l’autre, SQ1 puis SQ2 ou alternativement SQ2 puis SQ1. Eventuellement, seule la séquence SQ1 ou SQ2 est réalisée.

La recherche et sélection E2 consiste à comparer un paramètre électrique de la cellule C1_iavec un paramètre électrique des cellules en amont. Plus précisément, le procédé consiste à comparer la tension des cellules en amont, jusqu’à une portée de NB cellules dans le circuit électrique en série de la batterie, avec une valeur correspondant à la tension de C1_iaugmentée du seuil S1, en commençant par les cellules les plus proches en amont. Plus précisément, le procédé vérifie si la tension UC2_i_am est supérieure à la valeur : UC1_i+ S1, UC1_iétant la tension de la cellule C1_i, UC2_i_am étant la tension d’une cellule en amont pour laquelle on vérifie son potentiel d’équilibrage.

La sélection E2 retient une unique cellule C2_i_am. Le critère de sélection est celle qui a le potentiel pour équilibrer et qui est la plus proche. La comparaison s’arrête dès qu’on sélectionne une cellule C2_i_am. La recherche et sélection E2 s’opère logiciellement par une boucle itérative utilisant un indice propre à cette boucle amont.

L’équilibrage est avantageux car celui-ci se fait localement. On peut donc rééquilibrer en exploitant le courant maximum des unités d’équilibrage sans ou avec peu de pertes dans les chemins de transfert d’énergie par rapport à une solution où l’équilibrage est réalisé globalement dans la série entière NS. Alternativement, la comparaison pour la sélection E2 se base sur le paramètre de capacité de charge des cellules.

Ensuite, une fois qu’une cellule C2_i_am est sélectionnée, le procédé comporte une étape de configuration E3 des unités d’équilibrage Eq_ipositionnées entre les cellules C2_i_am et C1_i. La configuration E3 consiste à piloter chaque consigne de courant CS_eq_ides unités d’équilibrage. Si une seule unité d’équilibrage est nécessaire, le transfert d’énergie se fait au courant maximum Imax de l’unité d’équilibrage eq_i. Si deux unités d’équilibrage ou plus interviennent, la plus éloignée est pilotée au courant maximum Imax et celles intermédiaires à des consignes de courant de valeur décroissante prenant en compte le rendement des unités d’équilibrage et leur position dans la chaine de transfert d’énergie. Ce pilotage prend judicieusement en compte le rendement pour éviter de prélever du courant aux cellules intermédiaires. En effet, si on pilote un courant supérieur au courant délivré par l’unité d’équilibrage amont, le courant résiduel serait prélevé à l’autre cellule connectée.

Plus précisément, les consignes des unités d’équilibrages intermédiaires sont calculées et pilotées aux consignes respectives en valeur absolue CS_eq_i= Imax * Rdt^d, où CS_eq_iest la consigne de courant d’une unité d’équilibrage intermédiaire, Imax est la valeur de courant maximale de l’unité d’équilibrage, Rdt est le rendement énergétique d’une unité d’équilibrage et l’exposant d est un entier représentatif de l’écart de position de l’unité d’équilibrage avec la cellule sélectionnée C2_i_am. L’exposant d peut être égal à 1, 2, 3, ou 4 par exemple pour une configuration où NB = 5. Le signe du courant est positif pour les cellules en amont.

Une fois que la configuration des unités d’équilibrage en amont est calculée pour une cellule C1_ià équilibrer, le procédé comporte la deuxième séquence SQ2 de sélection de la cellule la plus proche en aval ayant le potentiel pour recharger la cellule C1_i.

La séquence SQ2 comporte la même étape E2 de recherche et sélection précédente à la différence qu’on sélectionne une cellule en aval dans le circuit électrique en série de la batterie. Plus précisément, le procédé consiste à comparer la tension de chaque cellule en aval, jusqu’à une portée de NB cellules, avec la tension de C1_iaugmentée du seuil S1, en commençant par les cellules les plus proches en aval. Plus précisément, le procédé vérifie si la tension UC2_i_av est supérieure à la valeur UC1_i+ S1. La sélection E2 de la séquence SQ2 retient une unique cellule C2_i_av. Le critère de sélection est celle qui a le potentiel pour équilibrer et qui est la plus proche. La comparaison s’arrête dès qu’on sélectionne une cellule C2_i_av.

Ensuite, identiquement à la séquence SQ1, mais cette fois en aval, une fois qu’une cellule C2_i_av est sélectionnée, le procédé comporte pour la séquence SQ2 une étape de configuration E3 des unités d’équilibrage eq_ipositionnées entre les cellules C2_i_av et C1_i. La configuration E3 consiste à piloter chaque consigne de courant CS_eq_ides unités d’équilibrage. Si une seule unité d’équilibrage est nécessaire, le transfert d’énergie se fait au courant maximum Imax de l’unité d’équilibrage Eq_i. Si deux unités d’équilibrage ou plus interviennent, la plus éloignée en aval est pilotée au courant maximum Imax et celles intermédiaires à des consignes de courant de valeur décroissante prenant en compte le rendement des unités d’équilibrage et leur position dans la chaine de transfert d’énergie.

Par ailleurs, on notera que les unités d’équilibrage en amont d’une cellule à équilibrer sont pilotées par une consigne de courant de valeur positive de manière à charger l’unité d’équilibrage et transférer l’énergie vers la cellule à équilibrer. Les unités d’équilibrage en aval sont pilotées à une consigne de courant négatif de manière à transférer l’énergie vers la cellule à équilibrer C1_i. Les signes des consignes de courant sont exprimés en fonction de la convention de cette architecture. Les valeurs peuvent être de signe inverse en prenant l’hypothèse d’une convention de signe inverse.

Par ailleurs, lors de l’étape de pilotage E3 des consignes de courant, à chaque fois qu’une cellule C2_i_am et C2_i_av est sélectionnée, le procédé prévoit de configurer un paramètre d’état informant que les unités d’équilibrage sont utilisées. Cet état permet de réserver les unités d’équilibrage prioritairement pour les cellules les moins chargées grâce à la mise en œuvre du classement. En parallèle, lors de la recherche et sélection E2 une vérification est tout d’abord réalisée pour déterminer si le chemin de transfert d’énergie est libre en se basant sur l’état d’utilisation des unités d’équilibrage. A cet effet, le paramètre d’état d’utilisation pour chaque unité d’équilibrage est administré par l’unité de commande.

Une fois que la configuration des unités d’équilibrage pour une cellule C1_iest réalisée en amont et en aval, l’indice i passe à une itération suivante du vecteur de classement V_class de manière à exécuter à nouveau les séquences SQ1 et SQ2 pour chaque cellule à équilibrer. Les itérations se font jusqu’à ce que i soit égal à NS dans le vecteur de classement V_class.

Lorsque la recherche des cellules à équilibrer est faite dans l’ensemble du classement V_class (i est égal à NS) et que les configurations des unités d’équilibrage de chaque cellule à équilibrer sont pilotées aux consignes de courant respectives, ces configurations sont maintenues à l’étape E4 durant une période prédéterminée, par exemple d’une durée d’une dizaine de secondes. Ensuite, la configuration des unités d’équilibrage est recalculée pour une nouvelle période. La période est paramétrable par l’unité de commande de la batterie. Le procédé revient ensuite à l’étape E0 d’initialisation.

En revenant à la phase d’initialisation E0. Si le courant CR est un courant de décharge, la phase PH1 est répétée. Si le courant CR est un courant de recharge, par convention un courant positif, le procédé commande la phase PH2, représentée en .

Plus précisément, la phase PH2 se déroule similairement à la phase PH1, à la différence que le vecteur de classement V_class est scruté par ordre décroissant depuis l’indice NS à 1 de manière à prioriser les cellules les plus chargées et les décharger vers des cellules moins chargées.

Dans la phase PH2, le critère électrique de détermination lors de l’étape E1 est la vérification de la tension d’une cellule C_ipar rapport à la valeur de moyenne de tension augmentée du seuil S1. La détermination E1 consiste à comparer la tension UC_ide chaque cellule C_idans le classement avec la tension moyenne Vm des NS cellules de la série. De préférence, on compare la tension UC_ipar rapport à la tension Vm+S1, où S1 est un écart de tension prédéterminé. S1 a une valeur de quelques millivolts, par exemple 5mV. Si la tension UC_iest supérieure à Vm+S1 alors on détermine que la cellule C_idoit être déchargée. On référence cette cellule C1_i. Dans le cas contraire, la cellule C_in’est pas retenue pour être déchargée. Alternativement, cette comparaison est opérée par vérification du paramètre de la capacité utile restante de chaque cellule avec une valeur moyenne de capacité de la batterie par cellule.

De même, l’étape de recherche et sélection E2 durant la phase PH2 se réalise similairement à la phase PH1, jusqu’à une portée de NB cellules par rapport au critère électrique de tension des cellules. La sélection E2 retient la cellule la plus proche en aval qui a une tension inférieure à la tension de la cellule à équilibrer avec un écart S1. Plus précisément, le procédé consiste à comparer la tension de chaque cellule en amont et/ou en aval, jusqu’à une portée de NB cellules, avec la valeur égale à la tension de C1_isoustraite du seuil S1, en commençant par les cellules les plus proches en amont et/ou en aval. Le critère de sélection se réalise en fonction de la tension des cellules en amont et/ou en aval par rapport à la cellule à équilibrer. On sélectionne cette fois les cellules de tension inférieure.

Identiquement à la phase PH1, une fois qu’une cellule C2_i_am et/ou C2i_av est sélectionnée en amont et/ou en aval d’une cellule à équilibrer, le procédé comporte, pour chaque séquences SQ1 et SQ2, une étape de configuration E3 des unités d’équilibrage eq_iintervenant entre les cellules amont C2_i_am et C1_i, et les cellules aval C2_i_av et C1_i. Si une seule unité d’équilibrage est nécessaire, le transfert d’énergie se fait au courant maximum Imax de l’unité d’équilibrage eq_i. Si deux unités d’équilibrage ou plus interviennent, la plus éloignée est pilotée au courant maximum Imax et les suivantes à des consignes de courant de valeur décroissante prenant en compte le rendement des unités d’équilibrage et leur position dans la chaine de transfert d’énergie.

Par ailleurs, en phase PH2, les unités d’équilibrage en amont d’une cellule à équilibrer sont pilotées par une consigne de courant de valeur négative de manière à décharger la cellule à équilibrer C1_ivers la cellule de tension inférieure C2_i_am. Les unités d’équilibrage en aval sont pilotées à une consigne de courant positif de manière à les charger et transférer l’énergie vers la cellule C2_i_av en aval.

Dans la phase PH2, une fois que la configuration des unités d’équilibrage pour une cellule C1_iest réalisée en amont et en aval, l’indice i passe à une itération suivante (i-1) du vecteur de classement V_class de manière à exécuter à nouveau les séquences SQ1 et SQ2 pour chaque cellule devant être équilibrée. Les itérations se font jusqu’à ce que i soit égal à 1 dans le vecteur de classement V_class.

Enfin, lorsque la recherche des cellules à équilibrer est faite dans l’ensemble du classement V_class (i est égal à 1) et que les configurations des unités d’équilibrage de chaque cellule à équilibrer sont pilotées aux consignes de courant respectives, ces configurations sont maintenues à l’étape E4 durant une période prédéterminée. Ensuite, la configuration des unités d’équilibrage est recalculée pour une nouvelle période. Le procédé revient à l’étape E0 d’initialisation.

Pour les phases PH1 et PH2, on notera que les séquences SQ1 et SQ2 peuvent être opérées dans l’ordre inverse. On envisage que SQ1 puisse être opérée seule sans SQ2, ou inversement, SQ2 peut être opérée seule sans SQ1.

En on a illustré un exemple illustratif d’une configuration d’équilibrage pour une cellule C1_idans un circuit de NS cellules reliées en série. La cellule C1_iest une cellule à équilibrer parmi la série NS. Il s’agit d’une phase de décharge. Le procédé a détecté que sa tension est inférieure à la valeur égale à la tension moyenne de la batterie soustraite de la valeur du seuil. Elle est choisie dans l’ordre du vecteur de classement. Des unités d’équilibrage eq0 à eq7 sont référencées pour cet exemple.

Lors des séquence SQ1 et SQ2, le procédé a déterminé que la cellule C1_ipeut être équilibrée par la cellule C2_i_am en amont et C2_i_av en aval, au regard du critère de tension ou de capacité des cellules et du critère de proximité dans les cellules positionnées jusqu’à une portée NB de la série. Au-delà d’un écart NB, aucune cellule ne peut participer à l’équilibrage. Cela permet d’utiliser le courant maximal des unités d’équilibrage tout en limitant leur dimensionnement. On facilite donc l’intégration de la solution d’équilibrage actif dans un pack d’une batterie. Par ailleurs, dans cette situation, eq0 et eq7 ne sont pas disponibles (indiquées d’une croix) car elles sont déjà utilisées par des cellules dont la configuration d’équilibrage a été mise œuvre en dans une boucle précédente de configuration. Le procédé empêche donc l’usage de cellules positionnées au-delà des eq0 et eq7.

Plus précisément, lors de l’étape de pilotage des consignes de courant des unités d’équilibrage de la séquence amont SQ1, l’unité d’équilibrage eq1 est pilotée par la consigne de courant CS_eq1 égale à Imax et l’unité d’équilibrage eq2 est pilotée par la consigne de courant CS_eq2 dont la valeur est égale à Imax*Rdt, où Imax est le courant maximal d’une unité d’équilibrage et RDt le rendement énergétique exprimé en %. Cette configuration des courant est maintenue durant une période de configuration.

Pour les unités d’équilibrage en aval, l’unité d’équilibrage eq6 est pilotée par la consigne de courant CS_eq6 égale à -Imax et l’unité d’équilibrage eq5 est pilotée par la consigne de courant CS_eq5 dont la valeur est égale à -Imax*RDt, l’unité d’équilibrage eq4 est pilotée par la consigne de courant CS_eq4 dont la valeur est égale à -Imax*RDt²et enfin l’unité d’équilibrage eq3 est pilotée par la consigne de courant CS_eq3 dont la valeur est égale à -Imax*RDt³.

A l’issue de la période de configuration, les paramètres d’état d’utilisation des unités d’équilibrage eq0 à eq7 sont réinitialisés à l’état « non utilisé » et les consignes de courant sont calculées à nouveau dans une nouvelle boucle en fonction des cellules à équilibrer et des unités d’équilibrage sélectionnées.

Le procédé d’équilibrage s’applique aux systèmes de batterie et aux véhicules électrifiés par exemple comportant une ou plusieurs machines électriques motrices alimentées par un système de batterie de traction. Les cellules de la batterie peuvent être équilibrées conformément au procédé selon l’invention, de préférence en phase de décharge ou de charge afin d’augmenter la capacité utile de la batterie.

L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que la personne de l’art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (10)

1. Procédé d’équilibrage de cellules électrochimiques (C_i) d’une batterie (BAT) munie d’unités d’équilibrage actifs (eq_i) des cellules (C_i) caractérisé en ce qu’il comporte des boucles de configuration des unités d’équilibrage (eq_i) où chaque boucle exécute les étapes successives suivantes :

   • A) la détermination (E1) d’une première cellule à équilibrer (C1_i) dans une pluralité de NS cellules (C_i) reliées en série,
   • B) la sélection (E2) d’une deuxième cellule (C2_i_am ; C2_i_av) qui est apte à participer à l’équilibrage de la première cellule en fonction d’un critère électrique, ladite deuxième cellule (C2_i_am ; C2_i_av) étant la plus proche de la première cellule (C1_i) jusqu’à une portée de NB cellules maximum en amont ou en aval de la première cellule (C1_i), NB étant strictement inférieur à NS,
   • C) le pilotage (E3) en courant de chaque unité d’équilibrage intervenant entre la deuxième cellule sélectionnée (C2_i_am ; C2_i_av) et la première cellule (C1_i) à équilibrer pour transférer l’énergie entre la première et la deuxième cellule.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’unité d’équilibrage (eq_i) la plus proche de la deuxième cellule sélectionnée (C2_i_am ; C2_i_av) est pilotée à sa consigne de courant maximale (Imax) et les unités d’équilibrage intermédiaires sont pilotés à des consignes décroissantes dans le sens de la deuxième cellule sélectionnée (C2_i_am ; C2_i_av) vers la première cellule (C1_i) à équilibrer.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les consignes des unités d’équilibrages intermédiaires sont pilotés en valeur absolue selon la relation CS_eq_i= Imax * Rdt^d, où CS_eq_iest la consigne de courant d’une unité d’équilibrage intermédiaire, Imax est la valeur de courant maximale de l’unité d’équilibrage, Rdt est le rendement énergétique de l’unité d’équilibrage et l’exposant d est l’écart de position entre l’unité d’équilibrage intermédiaire et la deuxième cellule sélectionnée.
4. Procédé selon la revendication 1 à 3, comportant en outre :

   • la détermination (E0) d’un classement (V_class) des NS cellules (C_i) par ordre d’état de charge en fonction d’un paramètre électrique représentatif de l’état de charge de chaque cellule,
   • la commande d’une boucle de configuration d’équilibrage (PH1 ;PH2) pour chaque cellule (C1_i) à équilibrer du classement (V_class) dans l’ordre du classement.
5. Procédé selon la revendication 1 à 3 comportant en outre :

   • la détermination (E0) d’un classement (V_class) des NS cellules (C_i) en ordre croissant d’état de charge en fonction d’un paramètre électrique représentatif de l’état de charge de chaque cellule (C_i),
   • la détermination du signe du courant traversant la batterie,
   • si le courant est un courant de décharge, la commande d’une boucle de configuration d’équilibrage (PH1) pour chaque cellule à équilibrer (C1_i) du classement (V_class) par ordre croissant du classement,
   • si le courant est un courant de charge, la commande d’une boucle de configuration d’équilibrage (PH2) pour chaque cellule à équilibrer (C1_i) du classement (V_class) par ordre décroissant du classement.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le critère électrique de l’étape B) de sélection (E2) consiste à comparer la tension ou la capacité utile restante de la deuxième cellule (C2_i_am ; C2_i_av) par rapport à une valeur dépendante de la tension de la première cellule (C1_i).
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comportant en outre, lors de l’étape B) de sélection (E2), une étape de vérification d’un paramètre représentatif d’un état d’utilisation d’une unité d’équilibrage intermédiaire (eq_i) entre la première cellule (C1_i) et la deuxième cellule (C2_i_am ; C2_i_av), et dans lequel la sélection (E2) est autorisée seulement si ledit paramètre informe un état de non utilisation.
8. Procédé selon la revendication 7, comportant en outre lors de l’étape C), le pilotage du paramètre d’utilisation de chaque cellule d’équilibrage (eq_i) intervenant entre la deuxième cellule sélectionnée (C2_i_am ;C2_i_av) et la première cellule (C1_i) à équilibrer dans un état utilisé de manière à interdire son utilisation pour l’équilibrage d’une troisième cellule à équilibrer lors d’une boucle de configuration suivante.
9. Unité de commande (BU) d’un système de batterie (BAT) de cellules électrochimiques (C_i) muni d’unités d’équilibrage actifs (eq_i) des cellules, caractérisé en ce qu’elle est configurée pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Système de batterie (BAT) comportant une pluralité de N cellules électrochimiques (C_i) reliées en série, des unités d’équilibrages (eq_i) interconnectées aux cellules pilotables en courant de manière à commander des configurations d’équilibrage permettant le transfert d’énergie entre des cellules (Ci), et une unité de commande (BU) apte à piloter la consigne de courant (CS_eq_i) de chaque unité d’équilibrage (eq_i), caractérisé en ce que l’unité de commande (BU) est configurée pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.