L'invention concerne un système d'équilibrage de charge pour batterie de puissance à accumulateurs électrochimiques et un procédé d'équilibrage de charge correspondant.

Une telle batterie peut être utilisée notamment dans le domaine des transports électriques, hybrides et les systèmes embarqués. L'invention concerne en particulier les batteries de type lithium-ion (Li-ion) adaptées pour ce genre d'applications, du fait de leur possibilité de stocker une forte énergie avec une faible masse. L'invention est également applicable aux super-condensateurs.

Un accumulateur électrochimique a une tension nominale de l'ordre de quelques volts, et plus précisément 3.3 V pour les batteries Li-ion à base de phosphate de Fer et 4.2 V pour une technologie Li-ion à base d'oxyde de cobalt. Si cette tension est trop faible par rapport aux exigences du système à alimenter, plusieurs accumulateurs sont placés en série. Il est également possible de disposer en parallèle de chaque accumulateur associé en série, un ou des accumulateurs afin d'augmenter la capacité disponible et donc de fournir un courant et une puissance supérieurs. Les accumulateurs associés en parallèle forment ainsi un étage. Un étage est constitué au minimum d'un accumulateur. Les étages sont mis en série pour atteindre le niveau de tension désiré. L'association des accumulateurs est appelée une batterie d'accumulateurs.

La charge ou décharge d'un accumulateur se traduit respectivement par une croissance ou décroissance de la tension à ses bornes.

On considère un accumulateur chargé ou déchargé lorsque celui-ci a atteint un niveau de tension défini par le processus électrochimique. Dans un circuit utilisant plusieurs étages d'accumulateurs, le courant circulant à travers les étages est le même.

Le niveau de charge ou de décharge des étages dépend donc des caractéristiques intrinsèques des accumulateurs, à savoir la capacité intrinsèque et les résistances internes parasites séries et parallèles, de l'électrolyte ou de contact entre les électrodes et l'électrolyte. Des différences de tension entre les étages sont dès lors possibles du fait des disparités de fabrication et de vieillissement des accumulateurs. Pour un accumulateur de technologie Li-ion, une tension trop élevée ou trop faible, dite tension de seuil, peut endommager ou détruire ce dernier. Pour exemple, la surcharge d'un accumulateur Li-ion à base d'oxyde de Cobalt, peut entraîner son emballement thermique et un départ de feu. Pour un accumulateur Li-ion à base de phosphate, une surcharge se traduit par une décomposition de l'électrolyte qui diminue sa durée de vie ou peut détériorer l'accumulateur.

Une décharge trop profonde qui amène à une tension inférieure à 2 V, par exemple, entraine entre autres une oxydation du collecteur de courant de l'électrode négative lorsque celui-ci est en cuivre et donc une détérioration de l'accumulateur.

En conséquence, la surveillance des tensions aux bornes de chaque étage d'accumulateurs est obligatoire lors de la charge et décharge pour une question de sécurité et de fiabilité. Un dispositif dit de surveillance en parallèle de chaque étage permet d'assurer cette fonction.

Le dispositif de surveillance a pour fonction de suivre l'état de charge et décharge de chaque étage d'accumulateurs et de transmettre l'information à un circuit de contrôle afin d'arrêter la charge ou la décharge de la batterie lorsqu'un étage a atteint sa tension de seuil.

Cependant, sur une batterie avec plusieurs étages d'accumulateurs disposés en série, si la charge est arrêtée lorsque l'étage le plus chargé atteint sa tension de seuil, les autres étages peuvent ne pas être totalement chargés. Inversement, si la décharge est arrêtée lorsque l'étage le plus déchargé atteint sa tension de seuil, les autres étages peuvent ne pas être totalement déchargés. La charge de chaque étage d'accumulateurs n'est dès lors pas exploitée, ce qui représente un problème majeur dans des applications de types transports et embarqués ayant de fortes contraintes d'autonomie. Pour palier ce problème, le dispositif de surveillance est généralement associé à un système d'équilibrage.

Le système d'équilibrage a pour fonction d'optimiser la charge de la batterie et donc son autonomie en amenant les étages d'accumulateurs mis en série à un état de charge et/ou décharge identique.

II existe deux catégories de systèmes d'équilibrage, les systèmes d'équilibrage dits à dissipation d'énergie, ou dits à transfert d'énergie.

Avec les systèmes d'équilibrage à dissipation d'énergie, la tension aux bornes des étages est uniformisée en détournant le courant de charge d'un ou des étages ayant atteint la tension de seuil et en dissipant l'énergie dans une résistance. En variante, la tension aux bornes des étages est uniformisée en déchargeant un ou des étages ayant atteint la tension de seuil.

Cependant, de tels systèmes d'équilibrage à dissipation d'énergie présentent l'inconvénient majeur de consommer plus d'énergie que nécessaire pour charger la batterie. En effet, il faut décharger plusieurs accumulateurs ou dériver le courant de charge de plusieurs accumulateurs pour que le ou les derniers accumulateurs un peu moins chargés terminent leur charge. L'énergie dissipée peut donc être très supérieure à l'énergie de la ou des charges devant être terminées. De plus, ils dissipent l'énergie excédentaire en chaleur, ce qui n'est pas compatible avec les contraintes d'intégration dans les applications de types transport et embarquées, et le fait que la durée de vie des accumulateurs baisse fortement lorsque la température s'élève.

Les systèmes d'équilibrage à transfert d'énergie quant à eux échangent de l'énergie entre la batterie d'accumulateurs ou un réseau auxiliaire d'énergie et les étages d'accumulateurs.

Le transfert d'énergie peut s'effectuer soit de manière unidirectionnelle, de la batterie aux étages ou des étages à la batterie, ou soit de manière bidirectionnelle, de la batterie aux étages et des étages à la batterie ou d'étage à étage adjacents.

En ce qui concerne le transfert bidirectionnel, dans les systèmes d'équilibrage d'étage à étage adjacents, l'énergie parcourt un nombre de dispositifs sensiblement égal à l'éloignement des cellules à équilibrer. En résulte les deux inconvénients majeurs de ces dispositifs, à savoir la nécessité d'un temps long pour équilibrer une batterie et le faible rendement du transfert d'énergie à cause du cumul des pertes des dispositifs sollicités.

Des systèmes d'équilibrage de transfert d'énergie des étages à la batterie et/ou de la batterie à des étages permettent de résoudre ces problèmes. Cependant, pour des raisons de complexité de mise en œuvre, de tels systèmes sont peu ou pas utilisés. En ce qui concerne le transfert unidirectionnel, on connaît par exemple du brevet CN1905259 un dispositif permettant le transfert d'énergie des étages à la batterie et qui utilise quant à lui une inductance par accumulateur comme élément de stockage. Cependant, ce dispositif n'opte pas pour un transfert d'énergie optimisé pour l'équilibrage des batteries dans les applications de types transports et embarquées. En effet, la fin de charge d'une batterie est déterminée par le dernier étage qui atteint la tension de seuil. Pour terminer la charge d'une batterie, l'énergie est prélevée sur un ou plusieurs étage(s) et elle est restituée à l'ensemble des étages. Lorsqu'un ou plusieurs étage(s) d'accumulateurs est ou sont un peu moins chargé(s), l'énergie n'est dès lors pas transférée en priorité à ce ou ces derniers qui en a ou ont besoin mais également à ou aux étages auxquels l'énergie est prélevée. L'équilibrage nécessite donc de prélever de l'énergie à l'ensemble des étages en fin de charge afin d'éviter de les charger à une tension trop élevée. L'équilibrage se fait donc à pertes élevées à cause du nombre de convertisseurs importants en fonctionnement. De plus, les accumulateurs déjà en fin de charge sont traversés par des composantes de courant alternatives ou continues non utiles.

L'invention a donc pour objectif de proposer un système d'équilibrage amélioré ne présentant pas ces inconvénients de l'état de l'art de la technique.

À cet effet, l'invention a pour objet un système d'équilibrage de charge pour batterie de puissance comprenant au moins deux étages d'accumulateur(s) mis en série, chaque étage d'accumulateur(s) comprenant au moins un accumulateur, caractérisé en ce que ledit système d'équilibrage comporte au moins un convertisseur flyback comprenant:

- un transformateur avec :

· au moins un enroulement primaire configuré pour être connecté aux bornes d'un étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance, et

• un enroulement secondaire configuré pour être connecté à une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance, et

- pour chaque étage d'accumulateur(s), un commutateur associé connecté à un enroulement primaire dudit transformateur et à la borne négative de l'étage d'accumulateur(s), et en ce que ledit système comporte en outre :

- un dispositif de surveillance de la tension aux bornes desdits étages d'accumulateur(s), et

- un dispositif de commande dudit convertisseur flyback comprenant au moins un moyen de traitement pour :

• recevoir les informations de tension dudit dispositif de surveillance, et

• lorsqu'au moins un étage présente une tension supérieure à la tension des autres étages d'accumulateur(s), commander la fermeture d'au moins un commutateur associé à un étage d'accumulateur(s) et le transfert d'énergie dudit étage vers ladite batterie auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages d'accumulateurs.

Ledit système d'équilibrage peut comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :

- ledit système comporte un nombre prédéfini de convertisseurs flyback respectivement associés à un nombre prédéfini de modules en série de ladite batterie de puissance, lesdits modules comportant des étages d'accumulateur(s) mis en série,

- ledit système comporte un convertisseur flyback commun connecté à un nombre prédéfini de modules en série de ladite batterie de puissance, lesdits modules comportant des étages d'accumulateur(s) mis en série,

- ledit système comporte pour chaque étage d'accumulateur(s), une diode de blocage reliée par son anode à l'enroulement primaire du transformateur, et reliée par sa cathode au commutateur associé,

- la diode de blocage est une diode Schottky,

- ledit système comporte pour chaque étage d'accumulateur(s) une diode et un transistor en parallèle, tels que la diode soit reliée par son anode à l'enroulement primaire du transformateur et reliée par sa cathode au commutateur associé de l'étage d'accumulateur(s),

- les commutateurs dudit au moins un convertisseur flyback sont commandés de façon commune par ledit dispositif de commande de manière à être fermés en même temps lorsqu'au moins un étage d'accumulateur(s) présente une tension supérieure aux tensions respectives des autres étages d'accumulateur(s), les commutateurs dudit au moins un convertisseur flyback sont commandés de façon individuelle par ledit dispositif de commande de façon à commander la fermeture du commutateur associé à un étage d'accumulateur(s) dont la tension est supérieure aux tensions respectives des autres étages d'accumulateur(s), ledit dispositif de commande comprend au moins un moyen de traitement pour

• calculer pour chaque étage d'accumulateur, un temps de fermeture du commutateur associé à partir du taux de charge déterminé, et

• commander la fermeture des commutateurs respectivement pendant les temps de fermeture associés,

ledit au moins un convertisseur flyback est dimensionné pour un transfert d'énergie de la batterie de puissance vers la batterie auxiliaire de façon à alimenter la batterie auxiliaire,

ledit système est configuré pour l'équilibrage de charge des étages d'accumulateur(s) d'une batterie de puissance Lithium-ion,

ledit système est configuré pour l'équilibrage de charge des étages d'accumulateur(s) d'une batterie de puissance alimentant le moteur d'un véhicule automobile électrique et/ou hybride.

Ledit système d'équilibrage peut encore comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :

- ledit système d'équilibrage comporte aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s)

• un convertisseur flyback associé comprenant un transformateur avec : un enroulement primaire configuré pour être connecté aux bornes dudit étage d'accumulateur(s) associé, et un enroulement secondaire configuré pour être connecté à un réseau auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance, et pour chaque étage d'accumulateur(s), un commutateur associé connecté à un enroulement primaire dudit transformateur et à la borne négative de l'étage d'accumulateur(s), et ledit système comporte en outre :

• un dispositif de surveillance de la tension aux bornes desdits étages d'accumulateur(s), et

• un dispositif de commande desdits convertisseurs flyback comprenant respectivement au moins un moyen de traitement pour : recevoir les informations de tension dudit dispositif de surveillance, et lorsqu'au moins un étage présente une tension supérieure à la tension des autres étages d'accumulateur(s), commander la fermeture d'au moins un commutateur d'un convertisseur flyback associé à un étage d'accumulateur(s) et le transfert d'énergie dudit étage vers le réseau auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages d'accumulateurs;

- ledit transformateur est un transformateur de technologie planar,

- ledit système comporte une pluralité de diodes respectivement montées en série avec lesdits transformateurs, lesdites diodes étant respectivement connectées par leur anode à l'enroulement secondaire d'un transformateur et par leur cathode audit réseau auxiliaire;

- ledit dispositif de commande est configuré pour commander lesdits convertisseurs de façon à transférer l'énergie d'équilibrage desdits étages vers ledit réseau auxiliaire, et lesdits convertisseurs flyback présentent une isolation galvanique,

- ledit dispositif de commande est configuré pour commander lesdits convertisseurs de façon à transférer l'énergie d'équilibrage desdits étages vers une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance,

- lesdits commutateurs sont commandés de façon individuelle,

- ledit dispositif de commande est configuré pour commander la fermeture du commutateur associé à un étage d'accumulateur(s) dont la tension est supérieure aux tensions respectives des autres étages d'accumulateur(s), - ledit dispositif de commande comporte au moins un moyen de traitement pour calculer pour chaque étage d'accumulateur, un temps de fermeture du commutateur associé, et commander la fermeture des commutateurs respectivement pendant les temps de fermeture associés,

- ledit dispositif de commande est configuré pour commander lesdits convertisseurs de façon à alimenter ledit réseau auxiliaire à partir de l'énergie d'équilibrage de ladite batterie de puissance,

- ledit dispositif de commande comporte au moins un moyen de traitement pour déterminer la puissance à délivrer respectivement par lesdits étages.

L'invention concerne également un procédé d'équilibrage de charge pour batterie de puissance comprenant au moins deux étages d'accumulateur(s) mis en série, chaque étage d'accumulateur(s) comprenant au moins un accumulateur, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes :

- on mesure la tension aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s),

- on compare les tensions mesurées, et

- lorsqu'une tension mesurée est supérieure aux autres tensions mesurées, on commande la fermeture d'au moins un commutateur d'un convertisseur flyback dont le transformateur présente au moins un enroulement primaire connecté aux bornes d'un étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance et relié audit commutateur, et un enroulement secondaire connecté à une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance, pour un transfert d'énergie dudit étage associé audit au moins un commutateur dont la fermeture est commandée vers ladite batterie auxiliaire, de façon à équilibrer la charge des étages d'accumulateurs.

Selon un mode de réalisation préféré un tel procédé est un procédé combiné d'équilibrage de charge pour batterie de puissance et d'alimentation d'une batterie auxiliaire dont la tension est inférieure à la tension de ladite batterie de puissance

Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend les étapes suivantes : - pour chaque étage d'accumulateur(s), on calcule un temps de fermeture du commutateur associé d'un convertisseur flyback dont le transformateur présente un enroulement primaire connecté aux bornes de l'étage d'accumulateur(s) et relié audit commutateur, et un enroulement secondaire connecté à la batterie auxiliaire, et

- on commande la fermeture des commutateurs respectivement pendant les temps de fermeture calculés.

Ledit procédé d'équilibrage de charge peut comprendre les étapes préliminaires suivantes :

- on mesure la tension aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance,

- on compare les tensions mesurées à une tension de seuil prédéfinie,

- on détermine le taux de charge de chaque étage d'accumulateur(s) à partir des résultats de comparaison, permettant de calculer le temps de fermeture.

Selon une alternative, ledit procédé d'équilibrage de charge peut comprendre les étapes préliminaires suivantes :

- on mesure la tension aux bornes de chaque étage d'accumulateur(s) de ladite batterie de puissance,

- on compare les tensions mesurées entre elles, et

- on détermine les étages d'accumulateur(s) les plus chargés de façon à calculer des temps de fermeture plus longs pour les étages d'accumulateur(s) plus chargés.

Selon un mode de réalisation particulier, on mesure les tensions aux bornes des étages d'accumulateur(s) à un instant prédéfini, tel que la fin de la charge de ladite batterie de puissance.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 représente de façon schématique un premier mode de réalisation d'un système d'équilibrage pour batterie de puissance, - les figures 2a et 2b représentent plus en détail le système d'équilibrage de la figure 1,

- la figure 3 représente une variante du système d'équilibrage pour une batterie de puissance comportant plusieurs modules d'étages d'accumulateur(s) en série, - la figure 4 représente une variante du système d'équilibrage avec un redressement synchrone,

- la figure 5 illustre de façon schématique différentes étapes d'un procédé d'équilibrage de charge d'une batterie de puissance selon le premier mode de réalisation,

- la figure 6 représente de façon schématique un deuxième mode de réalisation du système d'équilibrage pour batterie de puissance permettant l'alimentation d'une batterie auxiliaire,

- la figure 7 représente plus en détail le système d'équilibrage de la figure 6,

- la figure 8 illustre de façon schématique différentes étapes d'un procédé combiné d'équilibrage de charge de la batterie de puissance et d'alimentation de la batterie auxiliaire,

- la figure 9 représente plus en détail la batterie de puissance, une batterie auxiliaire et le système d'équilibrage selon un troisième mode de réalisation,

- la figure 10 représente un dispositif de surveillance et une dispositif de commande aux bornes de la batterie de puissance de la figure 9,

- la figure 11 représente de façon schématique un quatrième mode de réalisation du système d'équilibrage pour batterie de puissance permettant l'alimentation de la batterie auxiliaire, et

- la figure 12 illustre de façon schématique différentes étapes d'un procédé d'équilibrage de charge d'une batterie de puissance selon le troisième mode de réalisation.

Sur ces figures et dans la suite de la description, les éléments sensiblement identiques sont identifiés par les mêmes numéros de référence. On a représenté de façon schématique sur la figure 1 :

- une batterie de puissance 1 de tension élevée comprise par exemple entre 48V et 750V, par exemple pour l'alimentation du moteur d'un véhicule hybride ou électrique, et isolée du châssis du véhicule,

- un système d'équilibrage 3 pour la batterie de puissance 1 ,

- une batterie auxiliaire 5 de tension inférieure à celle de la batterie de puissance 1, par exemple de tension de 12V, pour l'alimentation par exemple des auxiliaires A1,A2 à An dans le véhicule, et

- un convertisseur DC/DC 7 entre les deux batteries 1 et 5 pour permettre l'alimentation de la batterie auxiliaire 5 par la batterie de puissance 1 et réalisé avec un isolement galvanique pour assurer la sécurité des auxiliaires Al à An.

La batterie de puissance 1 est une batterie d'accumulateur(s) 9 (voir figures 2a,2b). Cette batterie 1 peut comporter plusieurs accumulateurs 9 mis en série. Cette batterie 1 peut également comporter un ou plusieurs accumulateurs supplémentaires placés en parallèle des accumulateurs 9 en série de façon à former des étages d'accumulateur(s) 11. Chaque étage 11 peut donc comporter un accumulateur 9 ou plusieurs accumulateurs en parallèle.

Comme on le remarque sur la figure 3, la batterie 1 peut comporter plusieurs modules 13 mis en série, chaque module 13 comportant un nombre prédéfini d'étages 11 d'accumulateur(s). Dans l'exemple illustré, la batterie 1 présente deux modules 13 ayant chacun quatre étages 11 d'accumulateur(s). Avec une telle association en série de modules 13, on peut aisément remplacer un module 13 défectueux.

Bien entendu, d'autres configurations sont possibles avec des modules comprenant par exemple huit, dix ou encore douze étages 11 en série, et chaque étage 11 comprenant deux, quatre voire dix accumulateurs en parallèle selon les besoins.

De plus, chaque module 13 peut encore être connecté en parallèle d'un autre module 13. 1.1 Premier mode de réalisation :

On décrit maintenant un premier mode de réalisation du système d'équilibrage 3. En se référant à nouveau aux figures 2a,2b, on constate que le système d'équilibrage 3 comporte :

- un convertisseur flyback 15 encadré par des tirets,

- un dispositif de surveillance 17 de la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s) 9, et

- un dispositif de commande 19 pour commander le convertisseur flyback 15 de façon à équilibrer la charge des étages 11.

Dans le cas où la batterie 1 comporte plusieurs modules 13, le système d'équilibrage 3 peut comporter un seul convertisseur flyback 15 pour l'ensemble de la batterie 1 ou plusieurs convertisseurs flyback 15 respectivement associés à un module 13 comme l'illustre la figure 3. On peut facilement remplacer un convertisseur flyback 15 défectueux. Dans le cas d'un seul convertisseur flyback 15 pour tous les modules, un équilibrage entre les cellules d'un même module peut être réalisé par dissipation dans des résistances ou tout autre système pour limiter le coût.

En référence aux figures 2a à 3, le ou les convertisseurs flyback 15 comprennent respectivement un transformateur 21 entouré en pointillé, avec :

- plusieurs enroulements primaires 23 respectivement associés à un étage 11 d'accumulateur(s), et

- un enroulement secondaire 25 relié à la batterie auxiliaire 5.

Un convertisseur flyback 15 comporte en outre du côté de chaque enroulement primaire 23, un commutateur 27 réalisé par exemple par un transistor de puissance par exemple MOSFET et une diode antiparallèle de protection. Ce commutateur 27 est relié à la borne négative (-) de l'étage 11 associé.

Le convertisseur flyback 15 comporte également du côté de l'enroulement secondaire 25 une diode 29 et un condensateur 31 en série.

En outre, une diode de blocage 33, telle qu'une diode Schottky, peut permettre d' éviter un transfert d'énergie entre les étages 11 d'accumulateur(s). De plus, l'utilisation d'une diode Schottky permet de limiter la chute de tension au passage de la diode et permet également d'avoir un seuil de tension plus faible par rapport aux diodes classiques, par exemple de l'ordre de 0,3V.

Afin d'améliorer le rendement et d'éviter les pertes dans la diode Schottky 33, on peut prévoir en variante d'utiliser un redressement synchrone comme l'illustre la figure 4 en connectant à la place de la diode Schottky 33 une diode 35 et un transistor 37 en parallèle.

Toutefois, par exemple dans le cas d'accumulateurs de technologie Lithium-ion à base de phosphate de fer (LiFeP04), les écarts de tension sont très faibles pendant la charge : les tensions sont généralement autour de 3.2V. En fin de charge, ces écarts augmentent pour atteindre 0.5V au maximum, la tension maximum de charge étant de 3.7V. La diode de protection du transistor dans le commutateur 27, a un seuil de tension de 0.7V, l'écart étant de 0,5V elle empêche toute décharge d'un étage plus chargé vers un étage moins chargé. Il n'est alors pas nécessaire de mettre une diode Schottky ou encore d'utiliser un redressement synchrone pour s'assurer qu'un étage d'accumulateur(s) ne se décharge pas dans un étage d'accumulateur(s) moins chargé et que l'énergie est bien transférée vers la batterie auxiliaire.

En fin de décharge, on pourra soit limiter la tension minimale à 2.7V pour avoir un écart de 0.5V avec la tension plateau de 3.2V, soit décider de ne pas équilibrer à ce moment. Ceci permet d'augmenter singulièrement le rendement et de diminuer les coûts. Cette solution est valable pour les écarts de tension entre accumulateurs ne dépassant pas en fonctionnement normal 0.6 à 0.7V.

En ce qui concerne le dispositif de surveillance 17 de tension des accumulateurs 9, il comprend un moyen de mesure 17' aux bornes de chaque étage 11. Ces moyens de mesure 17' sont configurés pour transmettre leurs résultats de mesure au dispositif de commande 19.

Le dispositif de commande 19 comporte quant à lui au moins un moyen de traitement pour :

- recevoir les mesures de tension, - comparer les tensions mesurées, et

- commander la fermeture des commutateurs 27.

L'étage 11 de plus haute tension impose alors sa tension aux enroulements primaires 23. Les autres étages 11 ne se déchargent pas du fait de la présence de la diode Schottky 33. L'énergie de cet étage 11 est donc transférée via le transformateur 21 vers la batterie auxiliaire 5.

On peut prévoir en variante de commander individuellement les commutateurs 27. Ainsi, c'est le commutateur 27 associé à l'étage 11 le plus chargé qui est commandé pour être fermé.

On va maintenant décrire un exemple de procédé d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 en se référant aux figures 2b et 5.

Lors d'une première étape El, on mesure la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s). Chaque étage 11 présente une tension respective V1,V2,V3,V4.

Prenons l'exemple dans lequel la tension VI est égale à 3,5V et les tensions V2,V3,V4 à 3,2V, la tension de seuil étant par exemple 3,6V.

Le moyen de mesure 17' aux bornes du premier étage 11 mesure donc une tension VI de 3,5V, tandis que les autres moyens de mesure 17' mesurent respectivement une tension V2,V3,V4 de 3,2V.

Le dispositif de commande 19 compare à l'étape E2 les tensions mesurées.

La tension VI aux bornes du premier étage 11 est supérieure aux tensions V2 à

V4 des autres étages 11. Par conséquent, le dispositif de commande 19 commande la fermeture des commutateurs 27 à l'étape E3. Ces commutateurs 27 sont commandés de façon commune et sont donc fermés en même temps selon un temps de fermeture prédéfini.

La tension VI de 3,5V est imposée aux enroulements primaires 23. Cette tension

VI étant supérieure aux tensions V2,V3,V4 des autres étages 11, les diodes Schottky pour les étages 11 de tension respective V2,V3,V4 sont bloquées ce qui empêche la décharge de ces étages 11. Les enroulements primaires 23 sont donc reliés à l'étage 11 le plus chargé et il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21. En variante, seul le commutateur 27 associé à l'étage 11 le plus chargé de tension VI est fermé. Il en résulte également une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21 dont l'enroulement primaire 23 est relié à cet étage 11 plus chargé.

De plus, la tension aux bornes du secondaire est négative bloquant ainsi la diode 29.

Lorsque le ou les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante et permet également le redressement de la tension qui est ensuite filtrée par le condensateur 31.

On équilibre alors la charge des accumulateurs 9 en transférant l'énergie de l'étage 11 le plus chargé vers la batterie auxiliaire 5.

Cet équilibrage peut se faire à tout moment de fonctionnement du véhicule dès lors qu'une consommation est observée sur la batterie auxiliaire 5 ou qu'il est possible de charger la batterie auxiliaire 5. 1.2 Deuxième mode de réalisation :

Un deuxième mode de réalisation est illustré de façon schématique sur la figure 6. Ce deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation par le fait que le système d'équilibrage 3 remplace complètement le convertisseur DC/DC 7 du premier mode de réalisation permettant d'alimenter la batterie auxiliaire 5 et assurant l'isolation galvanique pour la sécurité des auxiliaires.

Les coûts d'un convertisseur DC/DC étant supprimé, le système d'équilibrage peut être plus grand et l'équilibrage plus puissant. Dans ce cas, le dimensionnement des composants du système d'équilibrage 3 est adapté pour un tel transfert d'énergie de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5.

Selon ce deuxième mode de réalisation (figure 7), le dispositif de commande 19 comporte au moins un moyen de traitement pour :

- recevoir les mesures de tension des moyens de mesure 17',

- comparer les tensions mesurées à une tension de seuil prédéfinie,

- déterminer un taux de charge t _x à partir des résultats de comparaison, - calculer un temps de fermeture t _f pour chaque commutateur 27 en fonction du taux de charge t _x de l'étage 11 associé, et

- commander individuellement la fermeture des commutateurs 27 selon les temps de fermeture t _f calculés.

On va maintenant décrire un exemple de procédé combiné d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 et d'alimentation de la batterie auxiliaire 5 en référence aux figures 7 et 8.

Lors d'une première étape El 00, on mesure la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s). Chaque étage 11 présente une tension respective V1,V2,V3,V4. Cette mesure de tension peut se faire à un instant prédéfini comme la fin de charge ou à un moment de repos.

De façon à simplifier l'exemple, nous considérerons que la tension de l'accumulateur reflète son état de charge. Ce n'est pas toujours le cas mais cela permet d'illustrer plus facilement le propos. Pour les accumulateurs de technologie LiFeP04 par exemple, les écarts d'état de charge ne peuvent être estimés à partir de la tension qu'en fin de charge et/ou de décharge. Autrement, les différences de tension entre accumulateurs sont souvent trop faibles pour être mesurées à un coût raisonnable.

Prenons l'exemple dans lequel la tension VI est égale à 3,3V, les tensions V2,V3 à 3,2V, et la tension V4 à 3,5V, la tension de seuil étant par exemple 3,6V.

Le moyen de mesure 17' aux bornes du premier étage 11 mesure donc une tension VI de 3,3V, tandis que les deuxièmes et troisièmes moyens de mesure 17' mesurent respectivement une tension V2,V3 de 3,2V, et le quatrième moyen de mesure 17' mesure une tension V4 de 3,5V.

Le dispositif de commande 19 compare à l'étape E200 chaque tension mesurée à la tension de seuil de 3,6V de façon à déterminer le taux de charge t _x de chaque étage 11. On détermine donc pour le premier étage 11 de tension VI de 3,3V, un taux de charge de 91%, pour les deuxième et troisième étages 11 de tensions respectives V2,V3 de 3,2V un taux de charge de 88%, et pour le dernier étage 11 de tension V4 de 3,5V un taux de charge de 97%>.

On calcule alors à l'étape E300 un temps de fermeture t _f des commutateurs 27 associés en fonction de ces taux de charge t _x des étages 11. Le temps de fermeture t _f des commutateurs 27 associés aux deuxième et troisième étages 11 de tension V2 et V3 sera donc inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au premier étage 11 de tension VI, lui même inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au dernier étage 11 de tension V4.

Selon une variante de réalisation, au lieu de comparer les tensions mesurées à une tension de seuil à l'étape E200, on les compare entre elles de façon à identifier les étages les plus chargés.

Dans l'exemple donné, la tension V4 de 3,5V est supérieure à la tension VI de 3,3V, elle-même supérieure aux tensions V2,V3 de 3,2V (V4>V1>V2=V3). Il en résulte que l'étage 11 de tension V4 est plus chargé que l'étage 11 de tension VI qui est plus chargé que les étages 11 de tension V2 et V3.

Selon cette variante, on calcule alors à l'étape E300 un temps de fermeture des commutateurs associés en fonction de ces résultats de comparaison de façon à plus décharger les étages 11 les plus chargés. Comme précédemment, le temps de fermeture t _f des commutateurs 27 associés aux deuxième et troisième étages 11 de tension V2 et V3 sera donc inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au premier étage 11 de tension VI, lui même inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au dernier étage 11 de tension V4.

Enfin, on commande à l'étape E400, la fermeture par intermittence des commutateurs 27 selon les temps de fermeture calculés de manière à décharger plus les étages 11 d'accumulateur(s) les plus chargés jusqu'à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge que l'étage 11 d'accumulateur(s) le moins chargé.

Dans l'exemple illustré on décharge plus les étages 11 de tensions respectives V4 et VI de façon à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge des étages 11 moins chargés de tensions V2 et V3.

Comme précédemment, il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21, et lorsque les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante et permet également le redressement de la tension qui est ensuite filtrée par le condensateur 31. On alimente ainsi la batterie auxiliaire 5 tout en équilibrant la charge des étages 11 d'accumulateur(s) 9 en transférant l'énergie de l'étage 11 le plus chargé vers la batterie auxiliaire 5.

En outre, dans le cas où la batterie 1 comporte plusieurs modules 13, les puissances fournies par les systèmes d'équilibrages associés à ces modules 13 s'additionnent pour alimenter la batterie auxiliaire 5.

On comprend donc que l'énergie transférée de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5 sert à équilibrer le niveau de charge des étages 11 d'accumulateur(s) de la batterie de puissance 1. De plus, une seule électronique peut réaliser les deux fonctions d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 et d'alimentation de la batterie auxiliaire 5.

II.1 Troisième mode de réalisation : On décrit maintenant un troisième mode de réalisation.

En se référant aux figures 9 et 10, le système d'équilibrage 3 comporte pour chaque étage d'accumulateur(s) 11, un convertisseur flyback 15 encadré en pointillé, et un dispositif de commande 19 pour commander les convertisseurs flyback 15 de façon à équilibrer la charge des étages 11.

Ce troisième mode de réalisation diffère donc du premier mode de réalisation, en ce que le système d'équilibrage 3 présente un convertisseur flyback 15 pour chaque étage d'accumulateur(s) 11 et non un convertisseur 15 pour un module 13 ou pour l'ensemble de la batterie 1. Ainsi, le système d'équilibrage 3 comprend une pluralité de convertisseurs 15 montés en parallèle entre les deux batteries 1 et 5.

Chaque convertisseur 15 est réalisé avec une isolation galvanique pour assurer la sécurité des auxiliaires Al à An. Un convertisseur flyback 15 comprend un transformateur 21, avec un enroulement primaire 23 associé à un étage 11 d'accumulateur(s), et un enroulement secondaire 25 relié à la batterie auxiliaire 5.

L'association d'un transformateur 21 avec un enroulement primaire 23 et un enroulement secondaire 25 par étage 11 plutôt qu'un transformateur 21 pour plusieurs étages 11, permet de choisir des transformateurs 21 de plus faible puissance.

On peut prévoir notamment des transformateurs 21 selon la technologie planar sur circuit imprimé. Un transformateur de type planar comporte un circuit magnétique mince généralement en ferrite usiné, fixé sur le circuit imprimé dans lequel les spires sont réalisées.

Un convertisseur flyback 15 comporte en outre du côté de l'enroulement primaire 23, un commutateur 27 réalisé par exemple par un transistor de puissance par exemple MOSFET. Ce commutateur 27 est relié à la borne négative (-) de l'étage 11 associé.

Le convertisseur flyback 15 comporte également du côté de l'enroulement secondaire 25 une diode 29 en série.

Chaque convertisseur flyback 15 associé à un étage 11 est donc indépendant des autres convertisseurs flyback 15; ce qui permet un fonctionnement simultané des convertisseurs 15 sans interaction d'un étage 11 sur un autre étage 11.

II.2 Quatrième mode de réalisation :

Selon un quatrième mode de réalisation illustré de façon schématique sur la figure 11, le système d'équilibrage 3 remplace complètement le convertisseur DC/DC 7 de la première variante du deuxième mode de réalisation permettant d'alimenter la batterie auxiliaire 5 et assurant l'isolation galvanique pour la sécurité des auxiliaires Al à An.

La puissance délivrée par le système d'équilibrage 3 est suffisante pour alimenter le réseau auxiliaire dit réseau 12V, ou encore réseau basse tension, dans le mode de réalisation décrit. De plus, la redondance de la pluralité de convertisseurs flyback 15 permet également de se passer de la batterie auxiliaire 5 pour alimenter le réseau 12V.

Les coûts d'un convertisseur DC/DC étant supprimé, le système d'équilibrage peut être plus grand et l'équilibrage plus puissant. Dans ce cas, le dimensionnement des composants du système d'équilibrage 3 est adapté pour un tel transfert d'énergie de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5.

Le système d'équilibrage du troisième ou du quatrième mode de réalisation peut également comporter un dispositif de surveillance 17 de la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s) 9.

Ce dispositif de surveillance 17 de tension des accumulateurs 9 (figure 10), comprend par exemple un moyen de mesure aux bornes de chaque étage 11 , configuré pour transmettre leurs résultats de mesure au dispositif de commande 19. Le dispositif de commande 19 peut commander les commutateurs 27 individuellement, de sorte que le commutateur 27 associé à l'étage 11 le plus chargé est commandé pour être fermé.

Le dispositif de commande 19 peut comporter de plus au moins un moyen de traitement pour recevoir les mesures de tension du dispositif de surveillance 17, analyser les tensions mesurées, et commander la fermeture d'un ou plusieurs commutateurs 27 en fonction des résultats d'analyse des tensions mesurées.

Afin d'analyser les tensions mesurées, le dispositif de commande 19 peut comporter un moyen de comparaison des tensions mesurées entre elles et un moyen de détermination des étages les plus chargés à partir des résultats de comparaison.

Selon une variante, le dispositif de commande 19 peut comporter un moyen de calcul d'un produit P pour chaque étage 11 selon la formule suivante (1) :

(1) P = Crefi . ( 1 - SOCi) (où Crefï = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i)

Ou en variante, un moyen de calcul d'un produit F pour chaque étage 11 calculé selon une deuxième formule (2) :

(2) P' = Crefï . SOCi (où Crefï = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i).

La capacité correspond à la charge électrique que peut fournir l'accumulateur et s'exprime généralement en Ah ou mAh. Il s'agit d'une caractéristique intrinsèque pour chaque accumulateur. Cette valeur peut évoluer lentement en fonction notamment de la température, du vieillissement, et diminue au fur et à mesure de la vie de l'accumulateur. L'information sur la capacité de chaque étage 11 peut être le résultat d'un apprentissage au cours des différents cycles. La capacité de référence est généralement donnée par le constructeur, par exemple 60Ah.

Le dispositif de commande 19 peut comporter en outre un moyen de détermination du ou des étage(s) 11 à décharger de façon à égaliser les produits P ou F pour chaque étage 11.

Le dispositif de commande 19 peut comporter selon encore une autre variante :

- un moyen de comparaison des tensions mesurées avec une tension de seuil, - un moyen de détermination d'un taux de charge à partir des résultats de comparaison, et

- un moyen de calcul d'un temps de fermeture pour chaque commutateur 27 en fonction du taux de charge de l'étage 11 déterminé. Le dispositif de commande 19 peut en outre comporter au moins un moyen de traitement pour déterminer la puissance à délivrer par chaque étage 11 de façon alimenter le réseau 12V. II.3 Fonctionnement

Phase de charge de la batterie de puissance

On décrit maintenant, en se référant aux figures 9 et 10, un exemple de fonctionnement du système d'équilibrage 3 du troisième mode de réalisation, dans le cas de la charge d'une batterie de puissance 1 , de façon à amener tous les étages 11 à un niveau de tension nominal.

Cet équilibrage peut se faire en même temps que la charge de la batterie 1.

Cet équilibrage peut se faire à tout moment de fonctionnement du véhicule dès lors qu'une consommation est observée sur la batterie auxiliaire 5 ou qu'il est possible de charger la batterie auxiliaire 5.

Si la consommation est insuffisante sur le réseau 12V, des consommateurs additionnels peuvent être mis en route pour augmenter la consommation sur le 12V, tel que le chauffage, la climatisation du véhicule.

De façon à simplifier l'exemple, nous considérerons que la tension de l'accumulateur reflète son état de charge. Ce n'est pas toujours le cas mais cela permet d'illustrer plus facilement le propos. Pour les accumulateurs de technologie LiFeP04 par exemple, les écarts d'état de charge ne peuvent être estimés à partir de la tension qu'en fin de charge et/ou de décharge. Autrement, les différences de tension entre accumulateurs sont souvent trop faibles pour être mesurées à un coût raisonnable. · Première variante

Lors d'une première étape E201 (cf figure 12), on mesure la tension aux bornes des étages 11 d'accumulateur(s). Chaque étage 11 présente une tension respective V1,V2,V3,V4.

Prenons l'exemple dans lequel la tension VI est égale à 3,3V, les tensions V2,V3 à 3,2V, et la tension V4 à 3,5V, la tension de seuil étant par exemple 3,6V.

Le moyen de mesure aux bornes du premier étage 11 mesure donc une tension VI de 3,3V, les deuxièmes et troisièmes moyens de mesure respectivement une tension V2,V3 de 3,2V, et le quatrième moyen de mesure une tension V4 de 3,5V.

Cette mesure peut se faire à tout moment de fonctionnement du véhicule, à intervalle régulier, ou encore à un instant prédéfini comme la fin de charge ou à un moment de repos du véhicule.

Le dispositif de commande 19 peut comparer à l'étape E202 les tensions mesurées.

La tension V4 aux bornes du quatrième étage 11 est supérieure à la tension VI aux bornes du premier étage, elle même supérieure aux tensions respectives V2 et V3 des deuxième et troisième étages 11. Le dispositif de commande 19 peut déterminer à partir de ces informations, en comparant les tensions mesurées entre elles, les étages 11 les plus chargés.

Dans l'exemple donné, la tension V4 de 3,5V est supérieure à la tension VI de 3,3V, elle-même supérieure aux tensions V2,V3 de 3,2V (V4>V1>V2=V3). Il en résulte que l'étage 11 de tension V4 est plus chargé que l'étage 11 de tension VI qui est plus chargé que les étages 11 de tension V2 et V3.

Le dispositif de commande 19 détermine donc à partir de ces informations que les étages 11 les plus chargés sont le quatrième et le premier étage 11, et commande alors à l'étape E203 la fermeture des commutateurs 27 associés.

Il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21 dont l'enroulement primaire 23 est relié au quatrième étage 11 et dans le transformateur 21 dont l'enroulement primaire 23 est relié au premier étage 11.

La tension aux bornes du secondaire 25 est négative bloquant ainsi la diode 29.

Lorsque les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante.

L'énergie de l'étage 11 associée est donc transférée via le transformateur 21 la batterie auxiliaire 5.

On équilibre alors la charge des accumulateurs 9 en transférant l'énergie de l'étage 11 le plus chargé vers le réseau 12V.

Deuxième variante

On peut aussi prévoir de décharger, chaque étage 11 en fonction de l'état de charge de l'étage 11 , par exemple de façon à égaliser les produits P pour chaque étage 11 selon la formule suivante (1) :

(1) P = Crefi . ( 1 - SOCi)

(où Crefi = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i)

Le produit P augmente de façon inversement proportionnelle à l'état de charge; plus un étage 11 est chargé plus le produit P est petit. Ainsi, on décharge prioritairement les étages 11 dont les produits P sont les plus faibles.

On peut calculer à l'étape E203 un temps de fermeture des commutateurs 27 en fonction de ces produits P. Plus le produit P est petit, donc plus l'étage est chargé, et plus le temps de fermeture est long, de façon à décharger prioritairement les étages 11 les plus chargés.

Et, on commande, la fermeture des commutateurs 27 selon les temps de fermeture calculés de manière à égaliser les produits P. · Troisième variante

On peut en alternative déterminer un taux de charge pour chaque étage et déduire un temps de fermeture approprié en fonction du taux de charge déterminé.

Le taux de charge peut être déterminé par rapport à une tension de seuil, par exemple de 3,6V. Selon l'exemple donné, on détermine donc :

- pour le premier étage 11 de tension VI de 3,3V, un taux de charge de 91%,

- pour les deuxième et troisième étages 11 de tensions respectives V2,V3 de 3,2V un taux de charge de 88%, et

- pour le dernier étage 11 de tension V4 de 3,5V un taux de charge de 97%.

On calcule alors à l'étape E203 un temps de fermeture des commutateurs 27 en fonction de ces taux de charge.

Le temps de fermeture des commutateurs 27 associés aux deuxième et troisième étages 11 de tension V2 et V3 sera donc inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au premier étage 11 de tension VI , lui même inférieur au temps de fermeture du commutateur 27 associé au dernier étage 11 de tension V4.

Enfin, on commande, la fermeture par intermittence des commutateurs 27 selon les temps de fermeture calculés de manière à décharger plus les étages 11 d'accumulateur(s) les plus chargés jusqu'à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge que l'étage 11 d'accumulateur(s) le moins chargé.

Dans l'exemple illustré on décharge plus les étages 11 de tensions respectives V4 et VI de façon à ce qu'ils atteignent sensiblement le même niveau de charge des étages

11 moins chargés de tensions V2 et V3.

Comme précédemment, il en résulte une augmentation du flux magnétique dans le transformateur 21 , et lorsque les commutateurs 27 s'ouvrent, la diode 29 devient passante.

On alimente ainsi le réseau 12V tout en équilibrant la charge des étages 11 d'accumulateur(s) 9 en transférant l'énergie d'équilibrage des étages 11 vers le réseau

12 V.

Bien entendu, si à la suite du procédé d'équilibrage, les étages 11 ne sont pas tous arrivés au niveau de charge souhaité, on continue la charge des étages 11 , jusqu'à arriver à un niveau de charge de 100%. Phase de décharge de la batterie de puissance

On décrit maintenant un exemple de fonctionnement du système d'équilibrage 3 suite à la décharge de la batterie de puissance 1.

L'équilibrage peut se faire en même temps que la décharge de la batterie 1.

Les étages 11 les plus chargés sont utilisés en priorité pour alimenter le réseau basse tension 12V.

Pour déterminer les étages 11 les plus chargés, le dispositif de commande 19 peut par exemple comparer les produits F pour chaque étage 11 selon la formule suivante (2) :

(2) P' = Crefï . SOCi (où Crefî = capacité de référence d'un étage i, et SOCi = état de charge de l'étage i)

Dans ce cas, le produit F croît avec l'état de charge de chaque étage 11. Ainsi, on décharge prioritairement les étages 11 dont les produits F sont les plus élevés.

Bien entendu, en variante, les étages 11 les plus chargés sont déterminés par comparaison des niveaux de tension mesurés de façon similaire à la première variante de la phase de charge.

Ou encore selon une autre variante, les étages 11 les chargés sont déterminés en calculant un taux de charge par comparaison avec une tension de seuil, de façon similaire à la troisième variante de la phase de charge.

Le dispositif de commande 19 peut en outre commander la puissance délivrée par chaque étage 11 pour alimenter le réseau 12V.

Par exemple, pour les étages 11 les plus chargés, ou dont les produits F calculés sont les plus élevés, ces étages 11 délivreront une puissance maximale Pm, par exemple de 20W.

Pour les autres étages 11, la puissance Pi à délivrer peut être calculée par exemple selon la formule (3) : (3) Pi(t) = P12 (t)- Pm * x ( avec P12(t) = puissance consommée sur le réseau 12V à un instant donné t, Pm = puissance maximale délivrée par les étages 11 les plus chargés, et x = partie entière du ratio P12 (t) / Pm )

On comprend donc que l'énergie transférée de la batterie de puissance 1 vers la batterie auxiliaire 5 sert à équilibrer le niveau de charge des étages 11 d'accumulateur(s) de la batterie de puissance 1.

De plus, une seule électronique peut réaliser les deux fonctions d'équilibrage de charge des accumulateurs 9 de la batterie de puissance 1 et d'alimentation de la batterie auxiliaire 5.

Et, en outre l'utilisation de plusieurs convertisseurs 15 au lieu d'un seul convertisseur 15 permet d'avoir des convertisseurs de plus faible puissance, par rapport à un unique convertisseur de l'art antérieur, et donc moins coûteux.

En outre, cette redondance des convertisseurs 15 facilite la suppression de la batterie auxiliaire 3 du fait de la redondance.

Le système d'équilibrage 3 peut en outre assurer une fonction de fourniture du 12 volts accessoire au véhicule lorsque les convertisseurs 15 passent suffisamment de puissance.