La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR17/61991 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.

Domaine

La présente demande concerne le domaine des batteries à accumulateurs commutés .

Exposé de 1 ¹ art antérieur

Une batterie à accumulateurs commutés est une batterie comprenant une pluralité de modules généralement identiques connectés en série et/ou en parallèle dont le nombre dépend de la tension voulue aux bornes de la batterie. Chaque module comprend une pluralité d'accumulateurs électriques. Des interrupteurs connectés en série et en parallèle avec les accumulateurs permettent de relier, ou non, en série et/ou en parallèle chaque accumulateur entre des noeuds de sortie du module, de manière à choisir la tension de sortie parmi les différentes combinaisons des tensions fournies par les accumulateurs.

Chaque module de batterie comprend un circuit de commande des interrupteurs. Le circuit de commande est adapté à sélectionner les accumulateurs à relier entre les noeuds de sortie en fonction de divers critères, par exemple la tension de sortie voulue ou le niveau de charge de chaque accumulateur. Le circuit de commande peut commander un circuit de pilotage adapté à fournir les signaux de commande adaptés aux interrupteurs . Le circuit de commande peut en outre être relié à des capteurs, par exemple des capteurs de température des accumulateurs, des capteurs des tensions aux bornes des accumulateurs, etc.

Le circuit de commande, le circuit de pilotage et les capteurs sont alimentés par une tension d'alimentation qui est de préférence référencée à la masse du module. Une possibilité est que la tension d'alimentation du module soit fournie par un accumulateur du module connecté à la masse. Un inconvénient est que si l'accumulateur fournissant la tension d'alimentation est déchargé ou s'il subit une défaillance causant une chute importante de la tension d'alimentation, le circuit de commande et le circuit de pilotage ne sont plus alimentés et les accumulateurs ne peuvent plus être commutés .

Une autre possibilité est que la tension d'alimentation puisse être fournie par un accumulateur du module parmi plusieurs accumulateurs référencés à différents potentiels par l'intermédiaire de convertisseurs tension continue - tension continue à isolation galvanique, également appelés convertisseurs DC-DC à isolation galvanique. Un inconvénient est qu'il faut prévoir, pour chaque accumulateur participant à la fourniture de la tension d'alimentation, un convertisseur DC-DC à isolation galvanique adapté à fournir la puissance maximale demandée par le circuit de commande, le circuit de pilotage et les capteurs du module. L'ensemble des convertisseurs DC-DC peut présenter un coût de fabrication important.

Une autre possibilité est que les tensions d'alimentation des modules soient fournies par une source d'alimentation commune externe aux modules par l'intermédiaire de convertisseurs DC-DC à isolation galvanique. Un inconvénient est que, pour chaque module, le convertisseur DC-DC à isolation galvanique doit être adapté à fournir la puissance maximale demandée par le circuit de commande, le circuit de pilotage et les capteurs du module. Un tel convertisseur DC-DC peut présenter un coût de fabrication important.

Résumé

Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier au moins en partie les inconvénients des batteries à accumulateurs commutés décrites précédemment.

Ainsi, un mode de réalisation prévoit une batterie à accumulateurs commutés comprenant :

un bus d'alimentation ;

un ensemble d'accumulateurs électriques et de premiers interrupteurs reliant les accumulateurs entre eux ;

des deuxièmes interrupteurs formant un pont en H et reliant ledit ensemble à des noeuds ;

un premier circuit de fourniture de premiers signaux de commande aux premiers interrupteurs et aux deuxièmes interrupteurs ;

un deuxième circuit de fourniture d'une première tension d'alimentation au premier circuit à partir de la tension aux bornes de l'un des accumulateurs ;

un troisième circuit de fourniture de deuxièmes signaux de commande à au moins deux des deuxièmes interrupteurs et connecté au bus d'alimentation ; et

des premières diodes reliant le premier circuit auxdits au moins deux des deuxièmes interrupteurs et des deuxièmes diodes reliant le troisième circuit auxdits au moins deux des deuxièmes interrupteurs .

Selon un mode de réalisation, le troisième circuit comprend un convertisseur isolé de tension continue en tension continue relié au bus d'alimentation et adapté à fournir une deuxième tension d'alimentation.

Selon un mode de réalisation, la batterie comprend un quatrième circuit alimenté à partir de la deuxième tension d'alimentation et adapté à commander le premier circuit.

Selon un mode de réalisation, le troisième circuit comprend un troisième interrupteur entre le convertisseur isolé et les deuxièmes diodes, le troisième interrupteur étant commandé par le quatrième circuit.

Selon un mode de réalisation, le quatrième circuit est adapté à commander 1 ' activation ou la désactivation du deuxième circuit .

Selon un mode de réalisation, la batterie comprend des capteurs alimentés à partir de la deuxième tension d'alimentation.

Un mode de réalisation prévoit également un procédé d'utilisation d'une batterie telle que définie précédemment, comprenant les étapes suivantes :

détecter la défaillance dudit l'un des accumulateurs ; désactiver le deuxième circuit ; et

commander lesdits au moins deux des deuxièmes interrupteurs avec les deuxièmes signaux de commande.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 représente, de façon partielle et schématique, un module d'une batterie à accumulateurs commutés ;

la figure 2 représente un mode de réalisation plus détaillé de certains éléments du module de la figure 1 ;

la figure 3 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation d'un module d'une batterie à accumulateurs commutés ; et

la figure 4 est un chronogramme illustrant le fonctionnement du module de batterie selon le mode de réalisation de la figure 3.

Description détaillée

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. Sauf précision contraire, l'expression "sensiblement", signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près.

Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie que ces deux éléments sont directement connectés sans élément intermédiaire autre que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être directement reliés (connectés) ou reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.

Lorsque l'on fait référence à l'état d'un interrupteur ou d'un transistor, on parle de l'état passant ou de l'état bloquant. Lorsque l'on fait référence à la tension d'un point ou d'un noeud, on considère qu'il s'agit de la tension entre le point ou noeud et la masse.

De plus, on appelle "signal binaire" un signal qui alterne entre un premier état constant, par exemple un état bas, noté "0", et un deuxième état constant, par exemple un état haut, noté "1". Les états haut et bas de signaux binaires différents d'un même circuit électronique peuvent être différents. En pratique, les signaux binaires peuvent correspondre à des tensions ou à des courants qui peuvent ne pas être parfaitement constants à l'état haut ou bas.

Un mode de réalisation d'un procédé de commande d'un système à cellules commutées va être décrit dans le cas d'une batterie à accumulateurs commutés pour laquelle les cellules correspondent à des accumulateurs commutés. Toutefois, les présents modes de réalisation s'appliquent à tout type de système à cellules commutées adapté à fournir une tension variable à une charge. Chaque cellule du système à cellules commutées peut correspondre à un élément de stockage de charges électriques ou à un générateur électrique. Un exemple d'élément de stockage de charges électriques est par exemple un accumulateur électrique ou un condensateur. Un exemple de générateur électrique est par exemple une pile à combustible, une pile zinc-air, une cellule photovoltaïque ou un système de récupération d'énergie, notamment une mini-éolienne ou une mini-turbine. Le système à cellules commutées peut comprendre seulement des éléments de stockage de charges électriques, seulement des générateurs électriques ou à la fois des éléments de stockage de charges électriques et des générateurs électriques. Lorsque le système à cellules commutées comprend seulement des générateurs électriques, l'utilisation est théoriquement seulement en mode décharge. Néanmoins, en cas de puissance réactive, pour des brefs passages par une puissance négative à chaque période, l'inertie du générateur peut suffire à lisser la puissance, par exemple en raison de l'inertie de rotation et des capacités parasites. En outre, chaque générateur peut être connecté en parallèle d'un élément résistif, afin d'accepter des puissances négatives, en dissipant cette énergie. En fonctionnement, le système est destiné à être relié à un dispositif qui absorbe ou fournit de la puissance selon l'application envisagée. A titre d'exemple, ce dispositif correspond à une machine électrique, par exemple à un moteur électrique, ou au réseau de distribution électrique. La figure 1 représente schématiquement un module 10 de batterie à accumulateurs commutés comprenant des noeuds de sortie V+ et V-. Le module 10 comprend un circuit à accumulateurs commutés 12 (Switched cell circuit) comprenant des accumulateurs électriques et des interrupteurs et adapté à fournir une tension U entre les noeuds de sortie V+ et V- . Le module 10 comprend en outre un circuit de commande 14 (yC) adapté à sélectionner les accumulateurs à relier entre les noeuds de sortie V+ et V- en fonction de divers critères, par exemple la tension de sortie U voulue et/ou le niveau de charge de chaque accumulateur. Le circuit de commande 14 peut comprendre un circuit électronique dédié et/ou un processeur (notamment un microprocesseur ou un microcontrôleur) adapté exécuter des instructions d'un programme d'ordinateur stockées dans une mémoire. Le module 10 comprend en outre un circuit de pilotage 16 (Drivers) commandé par le circuit de commande 14 et adapté à fournir des signaux adaptés à commander la fermeture/I ' ouverture des interrupteurs du circuit 12. Le circuit de commande 14 peut en outre être relié à des capteurs 18 (Sensors) , adaptés à mesurer au moins une caractéristique d'au moins certains des accumulateurs, de préférence de chaque accumulateur, par exemple la tension fournie par l'accumulateur, son courant ou sa température, et à fournir ces mesures au circuit de commande 14.

La figure 2 représente un mode de réalisation plus détaillé du circuit 12 à accumulateurs commutés de la figure 1. Le circuit 12 comprend N unités Ce-j_, N étant un nombre entier et i variant de 1 à N. Dans l'exemple de la figure 2, N est égal à 4. Chaque unité Ce-j_ comprend des noeuds m-j_ et n-j_ . Le noeud n-j_ de l'unité Ce-j_ est connecté au noeud m-j_ ₊ ]_ de l'unité Ce-j_ ₊ ]_, pour i variant de 1 à N-l. Le noeud irg de l'unité Ce]_ est connecté à la masse du module. Chaque unité Ce-j_ comprend un accumulateur Acc-j_ connecté en série par la cathode avec un transistor Sj_ entre les noeuds m-j_ et n-j_, l'anode de l'accumulateur Ce-j_ étant connectée au noeud m-j_ . L'anode de l'accumulateur Acc]_ est donc connectée au noeud irg et à la masse. Chaque unité Ce-j_ comprend aussi un transistor B-j_ connecté entre les noeuds m-j_ et n-j_, en parallèle avec l'ensemble comprenant l'accumulateur Acc-j_ et le transistor Sj_. Les transistors Sj_ et B-j_ ont fonction d'interrupteurs et sont commandés respectivement par des signaux de commande CmdSj_ et

CmdB-j_. Dans le présent mode de réalisation, les transistors Sj_ et B-j_ sont des transistors MOS à canal N.

Le noeud n _j v _j , ici nq, est relié au noeud de sortie V- du module 10 par un interrupteur HG, par exemple un transistor, commandé par un signal de commande CmdHG. Le noeud n _j v _j est relié au noeud de sortie V+ du module 10 par un interrupteur HD, par exemple un transistor, commandé par un signal de commande CmdHD. Le noeud irg est relié au noeud de sortie V- du module 10 par un interrupteur BG, par exemple un transistor, commandé par un signal de commande CmdBG. Le noeud m]_ est relié au noeud de sortie V+ du module 10 par un interrupteur BD, par exemple un transistor, commandé par un signal de commande CmdBD. Les transistors HD, HG, BD et BG forment un pont en H. Dans le présent mode de réalisation, les transistors HD, HG, BD et BG sont des transistors MOS à canal

N.

Les signaux de commande CmdHG, CmdHD, CmdBG, CmdBD, CmdSj_ et CmdB-j_ sont fournis par le circuit de pilotage 16. Pour l'unité Ce-j_, i variant de 1 à N, les signaux de commande CmdSj_ et CmdB-j_ sont tels que lorsque le transistor Sj_ est passant, le transistor B-j_ est bloquant et inversement. Ainsi, la tension entre le noeud m-j_ et le noeud n-j_ est soit nulle, si Bj_ est passant, soit sensiblement égale à la tension fournie par l'accumulateur Acc-j_ si le transistor Sj_ est passant. La tension entre les noeuds irq et n^ est donc sensiblement égale à une combinaison des tensions fournies par les différents accumulateurs Acc-j_ des unités Cej_ .

Les signaux de commande des transistors HG, HD, BG et BD sont fournis par le circuit de pilotage 16, de telle manière que les transistors HG, HD, BG, BD aient au moins deux configurations possibles. Dans une première configuration, les transistors HD et BG sont passants et les transistors HG et BD sont bloquants. Ainsi, la tension au noeud de sortie V+ est sensiblement égale à la tension du noeud n^ et la tension au noeud de sortie V- est sensiblement égale à la tension du noeud irq . Dans une seconde configuration, les transistors HD et BG sont bloquants et les transistors HG et BD sont passants. Ainsi, la tension au noeud de sortie V- est sensiblement égale à la tension du noeud n^ et la tension au noeud de sortie V+ est sensiblement égale à la tension du noeud irq . Les deux configurations fournissent des tensions opposées entre les noeuds V+ et V- .

En fonctionnement, si la défaillance de l'un des accumulateurs Acc-j_ est détectée, le circuit de commande 14 peut modifier les états des transistors Sj_ et Bj_ de manière à ne plus solliciter cet accumulateur.

Le circuit de commande 14 et le circuit de pilotage 16 sont par exemple alimentés par l'un des accumulateurs du module. La tension d'alimentation du circuit de commande 14 et du circuit de pilotage 16 étant de préférence référencée à la masse, la tension d'alimentation du circuit de commande 14 et du circuit de pilotage 16 peut être fournie par l'accumulateur Acc]_ ·

Si l'accumulateur Acc]_ subit une défaillance causant une chute importante de la tension fournie au circuit de commande, le circuit de commande 14 et le circuit de pilotage 16 ne peuvent alors plus être alimentés.

La figure 3 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation d'un module 30 d'une batterie à accumulateurs commutés. Le module 30 comprend l'ensemble des éléments du module 10 décrit précédemment, seuls les transistors HG, HD, BG et BD, l'accumulateur Acc]_, le circuit de commande 14, le circuit de pilotage 16 et les capteurs 18 étant représentés en figure 3.

Le module 30 comprend un circuit 32 de fourniture d'une tension d'alimentation ALIM1 à partir de la tension aux bornes de l'un des accumulateurs du module 30. De préférence, la tension d'alimentation ALIM1 devant être référencée à la masse, la tension d'alimentation ALIM1 est fournie par le circuit d'alimentation 32 à partir de la tension V]_ aux bornes de l'accumulateur Acc]_. Selon un mode de réalisation, le circuit d'alimentation 32 comprend un circuit élévateur de tension 34 (Boost) recevant la tension V]_ aux bornes de l'accumulateur Acc]_ et commandé par un signal Cmdl, et un circuit de régulation de tension 36 (REG) recevant la tension fournie par le circuit élévateur 34 et fournissant la tension ALIM1. Le signal de commande Cmdl est fourni par le circuit de commande 14. A titre d'exemple, le signal Cmdl est un signal binaire. Lorsque le signal de commande Cmdl est dans un premier état, par exemple l'état haut, le circuit 34 est activé et le circuit d'alimentation 32 fournit la tension ALIM1. Lorsque le signal de commande Cmdl est dans un deuxième état, par exemple l'état bas, le circuit 34 est désactivé et le circuit d'alimentation 32 ne fournit plus de tension d'alimentation.

Selon un mode de réalisation, la tension d'alimentation ALIM1 est utilisée seulement pour l'alimentation du circuit de pilotage 16. Le module 30 comprend en outre un convertisseur de tension continu-continu à isolation galvanique 38 relié à un bus d'alimentation BUS et fournissant une tension ALIM2 à partir de la tension fournie par le bus d'alimentation BUS. Le bus d'alimentation BUS ne fait pas partie du module 30, la limite physique du module 30 étant représentée de façon schématique en figure 3 par une ligne en tirets 40. Le bus d'alimentation BUS peut être relié à chaque module 30 de la batterie.

Le module 30 comprend un circuit de régulation de tension 42 (REG) relié au convertisseur 38 et fournissant une tension d'alimentation ALIM3 au circuit de commande 14. Le module 30 comprend en outre un circuit de régulation de tension 44 (REG) relié au convertisseur 38 et fournissant une tension d'alimentation ALIM4 aux capteurs 18.

Le module 30 comprend une diode Dg^g dont l'anode est reliée au circuit de pilotage 16 et reçoit le signal Crndg^ et dont la cathode est reliée à la grille du transistor BD. Le module 30 comprend en outre une diode Dggg dont l'anode est reliée au convertisseur 38 par l'intermédiaire d'un interrupteur SW et dont la cathode est reliée à la grille du transistor BD.

Le module 30 comprend une diode Dgg dont l'anode est reliée au circuit de pilotage 16 et reçoit le signal Cmdg _Q et dont la cathode est reliée à la grille du transistor BG. Le module 30 comprend en outre une diode Dg _Q 2 dont l'anode est reliée au convertisseur 38 par l'intermédiaire de l'interrupteur SW et dont la cathode est reliée à la grille du transistor BG.

L'interrupteur SW est commandé par un signal Cmd2. Le signal de commande Cmd2 est fourni par le circuit de commande 14. A titre d'exemple, le signal Cmd2 est un signal binaire. Lorsque le signal de commande Cmd2 est dans un premier état, par l'exemple l'état haut, l'interrupteur SW est fermé et lorsque le signal de commande Cmd2 est dans un deuxième état, par exemple l'état bas, l'interrupteur SW est ouvert. L'interrupteur SW peut être réalisé par un transistor MOS. Selon un mode de réalisation, les signaux Cmdl et Cmd2 peuvent être complémentaires . Les diodes Dggg et Dgp2 constituent un premier bloc implémentant la fonction logique OU. Ainsi, la tension à la grille du transistor BD, constituant la sortie du premier bloc, est sensiblement égale à la tension la plus élevée parmi les tensions au niveau des anodes des diodes Dggq et Dg^, constituant les entrées du premier bloc.

Les diodes Dg _Q] _ et Dg _Q 2 constituent un deuxième bloc implémentant la fonction logique OU. Ainsi, la tension à la grille du transistor BG, constituant la sortie du deuxième bloc, est sensiblement égale à la tension la plus élevée parmi les tensions au niveau des anodes des diodes Dg _Q] _ et Dg _Q 2, constituant les entrées du deuxième bloc.

La tension d'alimentation V _] _ est par exemple comprise entre 1 V et 4 V selon le type de l'accumulateur Acc _] _, par exemple égale à environ 2 V ou 3,6 V. La tension fournie par le circuit élévateur 34 est par exemple comprise entre 2 V et 4 V, par exemple égale à environ 3,8 V. La tension d'alimentation ALIM1 est par exemple comprise entre 2 V et 4 V, par exemple égale à environ 3,3 V. Les signaux de commande fournis par le circuit de commande 14 au circuit de pilotage 16 peuvent être des signaux binaire alternant entre un premier niveau, par exemple à 0 V et un second niveau, par exemple à 3,3 V. La tension fournie par le bus d'alimentation BUS peut être comprise entre 4 V et 30 V, par exemple égale à 5 V, 12 V ou 24 V. La tension ALIM2 fournie par le convertisseur 38 peut être comprise entre 4 V et 30 V, par exemple égale à 5 V, 12 V ou 24 V. De préférence, la tension ALIM2 est comprise entre 4 V et 5 V, ce qui permet d'avoir peu de pertes pour l'alimentation du circuit de commande 14 tout en permettant de fermer correctement 1 ' interrupteur SW, notamment lorsque l'interrupteur SW correspond à un interrupteur de puissance.

La figure 4 représente un chronogramme illustrant le fonctionnement du module 30 de batterie selon le mode de réalisation de la figure 3. Les instants tO, tl et t2 sont des instants successifs. Selon un mode de réalisation, lorsque l'accumulateur Acc _] _ fonctionne normalement (de l'instant tO à l'instant tl en figure 4) , le circuit de commande 14 fournit le signal Cmdl à l'état haut de sorte que le circuit 34 est activé et le circuit de commande 14 fournit le signal Cmd2 à l'état bas de sorte que l'interrupteur SW est ouvert. Le circuit de pilotage 16 est alors alimenté par la tension ALIM1 et les interrupteurs BG et BD reçoivent à leur grille respectivement les signaux Cmdg _Q et Crndg^. La tension U fournie par le module 30 dépend alors des signaux de commande Cmd^ _Q , Crnd^p, Cmdg _Q et Crndg^,.

On a représenté en figure 4 une défaillance de l'accumulateur Acc _] _ à partir de l'instant t2 par une diminution de la tension V _] _. Le circuit de commande 14 est adapté à détecter la défaillance de l'accumulateur Acc _] _ et/ou du circuit de pilotage 16. A titre d'exemple, le circuit de commande 14 peut détecter que la tension VI diminue en dessous d'un seuil donné. Le circuit de commande 14 fournit alors le signal Cmdl à l'état bas de sorte que le circuit 34 est désactivé et le circuit de commande 14 fournit le signal Cmd2 à l'état haut de sorte que l'interrupteur SW est fermé. Le circuit de pilotage 16 n'est alors plus alimenté et les interrupteurs BG et BD reçoivent à leur grille la tension ALIM2. Le circuit de pilotage 16 n'étant plus alimenté, les signaux de commande Crnd^g, Crnd^p, Cmdg _Q et Crndg^, sont à l'état bas. Les transistors HD et HG sont donc bloquants. Les grilles des transistors HD et HG recevant la tension ALIM2, les transistors BD et BG sont passants. La tension U est donc sensiblement nulle.

Un avantage du mode de réalisation du module 30 est que le convertisseur 38 n'est pas utilisé pour l'alimentation du circuit de pilotage 16 mais seulement pour l'alimentation du circuit de commande 14, des capteurs 18 et, en cas de défaillance de l'alimentation du circuit de pilotage 16, pour commander la fermeture des interrupteurs BG et BD du pont en H. Le convertisseur 38 doit donc fournir une puissance électrique inférieure à celle qui serait nécessaire s'il devait alimenter le circuit de pilotage 16. Un convertisseur 38 à faible encombrement et faible coût de fabrication peut être utilisé.

Un autre avantage du mode de réalisation du module 30 est que, en cas de de défaillance de l'alimentation du circuit de pilotage 16 de l'un des modules de la batterie, les interrupteurs BD et BG de ce module sont commandés pour que la tension U soit sensiblement nulle. La batterie peut donc continuer à fonctionner. En particulier, notamment dans le cas où les modules sont connectés en série, pour des modules classiques, la défaillance de l'un des modules entraîne l'arrêt du fonctionnement de la batterie alors qu'avec le mode de réalisation du module 30, la batterie peut continuer à fonctionner.

Un autre avantage du mode de réalisation du module 30 est que l'alimentation du circuit de commande 14 et des capteurs 18 est distincte de l'alimentation du circuit de pilotage 16. Ceci permet de réduire les perturbations sur les mesures réalisées par les capteurs 18.

Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, un mode de réalisation particulier d'agencement d'accumulateurs électriques Accy et d'interrupteurs B-j_ et Sj_ d'un module de batterie a été décrit en relation avec la figure 2. Toutefois, il est clair que l'agencement des accumulateurs électriques Accy et des interrupteurs B-j_ et Sy peut être différent de ce qui est représenté en figure 2. A titre d'exemple, les accumulateurs du module peuvent être agencés comme cela est décrit dans la demande de brevet WO 2012117109. En outre, les transistors décrits précédemment constituant les interrupteurs dans des unités peuvent être remplacés par d'autres types d'interrupteurs selon les besoins du circuit.