WO2005031943A1 - Module de transfert de charges entre deux dipoles - Google Patents
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- WO2005031943A1 WO2005031943A1 PCT/EP2004/052327 EP2004052327W WO2005031943A1 WO 2005031943 A1 WO2005031943 A1 WO 2005031943A1 EP 2004052327 W EP2004052327 W EP 2004052327W WO 2005031943 A1 WO2005031943 A1 WO 2005031943A1
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Definitions
- the present invention relates to a balancing system for an energy storage device, in particular based on rechargeable battery cells, such as electrochemical cells or supercapacitors, the system comprising charge transfer modules between two dipoles.
- rechargeable battery cells such as electrochemical cells or supercapacitors
- charge transfer modules between two dipoles.
- These storage devices are commonly used in the industrial and aeronautical environments, as a backup energy source, when the supply network is defective, or at startup. It is very important to keep these devices fully charged, as they must be operational on demand. This supposes a monitoring of their charge with triggering of their recharge if necessary, and a recharge after use.
- These devices usually include a plurality of identical storage elements connected in series, for example electrochemical cells or supercapacitors.
- an energy storage device thus typically comprises 7 elements.
- a charger comprising a power converter supplied by the network and whose output is regulated in voltage and current, makes it possible to charge the cells which are connected in series.
- the storage elements used are such that the voltage at their terminals is a function of the state of charge. In known manner, these storage elements do not withstand overloads and / or excessive discharges.
- rechargeable lithium-ion battery cells have very interesting energetic and mass performance, but pose problems in managing their charge as and when they are used. This is inconvenient for applications in which long duration and high reliability are desired. In particular, these cells are very sensitive to overvoltages, which requires control of the voltage across each cell. If we take the example of supercapacitors which are capacities obtained by stacks of thin films, which are characterized by a low voltage (of the order of a volt to a few volts), and a very high capacitance value, of the order of several farads, the voltage across each capacitor can be offset from that of other capacities due to differences in values and or leakage currents.
- the storage elements will not all behave in the same way: they can be in a different initial state of charge; some may have leakage currents; others have a different energy storage capacity, either due to an initial natural dispersion between elements or due to aging. All of these differences in behavior translate into varying recharge times and voltages. If we manage the recharging of the storage device by observing the voltage at its terminals, if a cell recharges faster than the others, it will find itself in overload (voltage greater than 4 volts for a lithium cell). Conversely, a cell that is much slower to recharge will find itself under-charged (voltage below 3.5 volts for a lithium cell).
- BMU Battery Control Unit
- a balancing system for the serial elements of the energy storage device.
- the function of such a balancing system is to maintain an identical voltage on all the storage elements.
- the basic principle of balancing consists in the monitoring by the BMU of all voltage differences between the serial elements of the storage, to trigger the balancing system as soon as at least one of these voltage differences exceeds a certain critical value. For example, if we exceed 60 millivolts between the most loaded storage element and the least loaded storage element, the balancing system is triggered. The balancing system will be stopped when the voltage difference returns to an acceptable value, for example 30 millivolts.
- a charge transfer module between two dipoles takes a quantity of energy from the most charged dipole to transfer it to the other dipole which is less so.
- the current injected into the dipole on which the transfer takes place which has the lowest voltage across its terminals, must be proportional to the voltage difference between the two dipoles when these voltages are close to each other.
- Non-linearities can be introduced for safety reasons, in particular of the current limitation type, when one deviates too far from the voltage equilibrium zone. In fact, injecting too high a current if the voltages are too unbalanced can prove dangerous for the energy storage cells as well as for the compensation system.
- a charge transfer module usually used is of the charge pump type.
- An illustration of a module of this type is given in FIG. 1.
- the transfer module 1 is of the tripole type: it has three terminals A, B and C. It is connected to a pair of dipoles Ei and E 2 having a common connection point N and two external terminals Pi, P 2 .
- the terminals A, B, C are each respectively connected to Pi, P 2 and N.
- the switching of the switches follows the clock frequency of a signal of corn control, typically supplied by a control circuit such as a BMU circuit of a battery.
- Another object of the invention is a charge transfer module which has a high current / voltage gain and which is easily adjustable without being sensitive to parasitic elements. This object is achieved by a charge transfer module between two dipoles, having one terminal in common, said module being of the tripole type with first, second and third compensation electrodes, connected to corresponding terminals of the dipoles.
- the module comprises a compensation stage connected to said compensation electrodes, comprising a high switch and a low switch in series between the first electrode and the second electrode and an inductor connected between the third electrode connected to the common terminal dipoles, and the connection node between said switches, said switches each being controlled by a control circuit providing a switching signal for switches whose duty cycle is controlled by the difference between a measurement of the average current in said inductance and a setpoint in current proportional to the voltage difference between the dipoles.
- the switches are preferably controlled by a pulse duration modulation (PWM) circuit as a function of the difference between the average current in the inductance and the current setpoint.
- PWM pulse duration modulation
- the module includes a voltage measurement circuit across the dipoles, supplying the current setpoint as an output.
- this measurement circuit is connected to the dipoles by connection wires different from those used for load compensation.
- the transfer module comprises two compensation stages and two circuits for modulating the duration of the pulse phase shifted by 180 °.
- the invention also relates to an electronic system comprising a charger and an energy storage device rechargeable by this charger.
- FIG. 4 illustrates the waveforms at the terminals of the inductance of such a module
- FIG. 5 is a diagram of a slave load transfer module according to a second embodiment of the invention
- FIG. 6 illustrates the waveforms at the terminals of the inductance of such a module
- - Figure 7 is a block diagram of a balancing system of an energy storage device using a charge transfer module according to the invention.
- FIG 3 is shown a charge transfer module between two dipoles having a common point, according to a first embodiment of the invention.
- the transfer module 10 is of the tripole type A, B, C. It is connected to the terminals P1, P2 and N of the two dipoles Ei and E 2 which have the point N in common.
- the module includes an inductance L, a high switch ST and a low switch SB, which form a compensation circuit.
- the two switches ST and SB are connected in series between the terminals A and B.
- the inductance L is connected at one end, to the terminal C, and at the other end, to the connection node 11 between the two switches.
- Each switch is controlled by a control signal, noted com ⁇ for the switch ST and comB for the switch SB.
- the two switches ST, and SB are controlled in a non-overlapping manner with a duty cycle controlled by the current difference between the average current measured l m ⁇ S in the inductance L and a current setpoint.
- the measurement of the mean current lm es in the inductor will typically be carried out by a current measurement resistor placed in series with the inductor, or by any other suitable measurement device D m ⁇ S .
- the reference current l con s must be proportional to the voltage difference V [ P IN] - V [ P2 . N ] between the two dipoles so as not to be disturbed by the connection wires f 1? f 2 , f 3 between the dipoles and the module transfer from load, a kelvin type setpoint measurement technique is used.
- a voltage measurement device 20 is thus provided, connected to the dipoles by its own measurement wires fi, f 2 , f 3 , and physically disposed as close as possible to these dipoles.
- a slave transfer module unlike the module of the prior art presented in FIG. 1 which operates in open loop.
- a charge transfer module is obtained which is particularly suitable for applications in which it is necessary to pass a current of several amperes, for example of the order of 10 amperes, to compensate for a small difference in voltage, typically of the order of 50 millivolts, between the dipoles.
- the voltage measurement circuit 20 typically comprises an operational amplifier 21, one input of which is connected to the common node N of the dipoles, and the other input of which is connected to the midpoint 22 of a resistive divider bridge R1, R2, connected between terminals P1 and P2 of the dipoles.
- R1 R2 is required.
- the gain is adjusted in a known manner by a resistor RG connected between the output of the operational amplifier and its input -.
- the control signals com ⁇ , COI ⁇ IB for controlling the switches ST and SB in a non-overlapping manner, as a function of the difference between the measurement average current in the inductor and the current setpoint are supplied by a pulse width modulation circuit PWM, receiving a frequency synchronization signal SYNC at the input.
- PWM pulse width modulation circuit
- SYNC frequency synchronization signal
- the duty cycle is close to because the voltages at the terminals of E1 and E2 are very close.
- the waveform IL in the inductance, the currents I E , l E2 in the dipoles E1 and E2, the voltage VL at the terminals of the inductor, and the control signals com ⁇ are shown. and comB.
- the current l E ⁇ , respectively E2 flowing in E1, E2 respectively is chopped to 50%, which requires the installation of an EMI filter, but of modest size compared to that necessary for a system based on pump of charge. With such a system, components (inductance, switches) of reduced size can be used, the crest factor of the currents being particularly effective.
- the transfer module in fact comprises two compensation stages: a first stage comprising an inductance L1, and two switches STi and SB-I; a second stage comprising an inductor L2, and two switches S ⁇ and SB 2 .
- Each stage has its own switch control circuit: PWMi for the first stage (L1, ST-I, SB-I) and PWM 2 for the second stage (L2, S ⁇ 2 , SB 2 ).
- the first circuit P ⁇ NM ⁇ receives a frequency synchronization signal SYNC-i.
- the second PWM circuit 2 receives a synchronization signal in frequency SYNC 2 in phase opposition with the first signal SYNC-i.
- the two control circuits thus work in phase opposition.
- a single voltage measurement circuit 20 is necessary, which sends the same current setpoint to the two PWM circuits, and the average current in the two inductors is equal to the setpoint current.
- a second implementation consists in using the current limiting circuit integrated in most of the commercial PWM circuits.
- a charge transfer module according to the invention which has just been described is particularly suitable for applications for balancing cells of a battery comprising a plurality of cells (lithium-ion cells, supercapacitors) in series.
- a plurality of transfer modules Mi, M 2, etc. are provided to compensate two by two the cells of the battery B, when a control circuit of the type BMU detects a too large voltage difference between two cells of the battery.
- the invention which has just been described is particularly advantageous for all systems using charge transfer modules where it is sought to improve performance at a lower cost. It applies in particular to dipoles requiring a high charge / discharge current at low voltage, because it allows very high frequency operation, which makes it possible to reduce the dimensions of the components used (inductors, switches). The phenomena of overvoltages being eliminated, the switches can be of reduced dimensions.
- the invention applies in particular to any system for balancing rechargeable battery cells, in particular those with lithium-ion cells or supercapacitors.
Landscapes
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Un module de transfert de charge (10) entre deux dipôles (E1, E2) ayant une borne en commun (N), ledit module étant du type tripôle avec une première (A), une deuxième (B) et une troisième (C) électrodes de compensation, connectées à des bornes correspondantes des dipôles (P1, P2, N), comprend un étage de compensation connecté aux dites électrodes de compensation, comprenant un interrupteur haut (ST) et un interrupteur bas (SB) en série entre la première électrode (A) et la deuxième électrode (B) et une inductance (L) connectée entre la troisième électrode (C) reliée à la borne (N) commune des dipôles, et le noeud (11) de connexion entre lesdits interrupteurs, lesdits interrupteurs étant chacun commandés par un circuit de commande (PWM) fournissant un signal de commutation des interrupteurs dont le rapport cyclique est asservi à la différence entre une mesure du courant moyen dans ladite inductance et une consigne en courant (Icons). proportionnelle à la différence de tension entre les dipôles. Application à l'équilibrage de dipôles dans une batterie de cellules rechargeable, notamment des cellules de type lithium-ion ou supercapacités.
Description
MODULE DE TRANSFERT DE CHARGES ENTRE DEUX DIPOLES.
La présente invention concerne un système d'équilibrage d'un dispositif de stockage d'énergie, notamment à base de cellules de batterie rechargeable, telles des cellules électrochimiques ou des supercapacités, le système comprenant des modules de transfert de charge entre deux dipoles. Ces dispositifs de stockage sont couramment utilisés dans les milieux industriels et aéronautique, comme source d'énergie de secours, lorsque le réseau d'alimentation est défectueux, ou au démarrage. Il est très important de maintenir ces dispositifs en état de charge complète, car ils doivent être opérationnels sur demande. Ceci suppose une surveillance de leur charge avec déclenchement de leur recharge le cas échéant, et une recharge après usage. Ces dispositifs comprennent habituellement une pluralité d'éléments de stockage identiques connectés en série, par exemple des cellules électrochimiques ou des supercapacités. Le nombre d'éléments dépend de l'application visée : typiquement 24 volts dans le domaine industriel, 28 volts dans le domaine de l'aéronautique et 42 volts dans le domaine de l'automobile. Si on prend des cellules électrochimiques de type lithium-ion (4 volts pour une cellule chargée) et une application aéronautique, un dispositif de stockage d'énergie comprend ainsi typiquement 7 éléments. Un chargeur, comprenant un convertisseur de puissance alimenté par le réseau et dont la sortie est régulée en tension et en courant, permet de charger les cellules qui sont connectées en série. Les éléments de stockage utilisés sont tels que la tension à leurs bornes est fonction de l'état de charge. De manière connue, ces éléments de stockage supportent mal les surcharges et/ou les décharges trop importantes. Si on prend l'exemple de cellules de batterie rechargeable de type lithium-ion, ces cellules ont des performances énergiques et massiques très intéressantes, mais posent des problèmes de gestion de leur charge au fur et à mesure de leur exploitation. Ceci est gênant pour des applications dans lesquelles une longue durée et une grande fiabilité sont recherchées. Notamment, ces cellules sont très sensibles aux surtensions, ce qui nécessite un contrôle de la tension aux bornes de chaque cellule. Si on prend l'exemple des supercapacités qui sont des capacités obtenues par des
empilements de films minces, et qui se caractérisent par une faible tension (de l'ordre du volt à quelques volts), et une valeur de capacité très élevée, de l'ordre de plusieurs farads, la tension aux bornes de chaque capacité peut se décaler par rapport à celle des autres capacités en raison de différences de valeurs et ou de courants de fuite. Mis en série, les éléments de stockage ne vont donc pas tous se comporter de la même façon : ils peuvent être dans un état de charge initial différent ; certains peuvent avoir des courants de fuite ; d'autres une capacité de stockage énergétique différente, soit due à une dispersion initiale naturelle entre éléments soit due à un vieillissement. Toutes ces différences de comportement se traduisent par un temps de recharge et des tensions qui varient. Si on gère la recharge du dispositif de stockage en observant la tension à ses bornes, si une cellule se recharge plus vite que les autres, elle va se retrouver en surcharge ( tension supérieure à 4 volts pour une cellule au lithium). Inversement, une cellule beaucoup plus lente à se recharger va se retrouver en sous-charge (tension en dessous de 3,5 volts pour une cellule au lithium). Dans les deux cas, ce sont des conditions très défavorables à la fiabilité de ces cellules, et par voie de conséquence, du dispositif de stockage lui-même. En outre, les différences d'état de charges qui peuvent exister initialement vont s'accentuer au fil des cycles de charge/décharge, induisant un mauvais fonctionnement du dispositif, par dégradation prématurée de ses performances. Pour ces différentes raisons, une gestion rigoureuse d'un tel dispositif de stockage d'énergie pour en améliorer la fiabilité ne peut se baser sur le seul contrôle de la tension disponible aux bornes terminales du dispositif. On utilise ainsi une unité de contrôle de batterie généralement dénommée BMU selon l'acronyme anglais pour "Battery Monitoring Unit" (signifiant unité de contrôle de batterie) qui agit comme un mécanisme de protection. Cette BMU vérifie que chacun des éléments de stockage ne dépasse pas une tension de seuil critique en charge et/ou décharge. En outre, elle contrôle l'activation d'un système d'équilibrage des éléments série du dispositif de stockage d'énergie. La fonction d'un tel système d'équilibrage est de maintenir une tension identique sur tous les éléments de stockage. Le principe de base de l'équilibrage consiste en la surveillance par la BMU de toutes les différences de tension entre les éléments série du dispositif de
stockage, pour déclencher le système d'équilibrage dès que au moins une de ces différences de tension dépasse une certaine valeur critique. Par exemple, si on dépasse 60 millivolts entre l'élément de stockage le plus chargé et l'élément de stockage le moins chargé, le système d'équilibrage est déclenché. Le système d'équilibrage sera arrêté lorsque la différence de tension repassera à une valeur acceptable, par exemple 30 millivolts. De manière générale, un module de transfert de charge entre deux dipoles prélève une quantité d'énergie sur le dipôle le plus chargé pour la transférer sur l'autre dipôle qui l'est moins. Dans l'invention, on s'intéresse aux modules qui assurent un transfert de charge bidirectionnel, et linéaire au premier ordre à proximité de la zone d'équilibre de tensions. Le courant injecté dans le dipôle sur lequel s'opère le transfert, qui présente la tension à ses bornes la plus faible, doit être proportionnel à la différence de tension entre les deux dipoles lorsque ces tensions sont proches l'une de l'autre. Des non linéarités peuvent être introduites pour des raisons de sécurité, en particulier du type limitation de courant, lorsque l'on s'écarte trop de la zone d'équilibre de tension. En effet, injecter un courant trop élevé si les tensions sont trop déséquilibrées peut se révéler dangereux pour les cellules de stockage énergétique ainsi que pour le système de compensation. Un module de transfert de charges habituellement utilisé est du type à pompe de charges. Une illustration d'un module de ce type, est donnée sur la figure 1. Dans cet exemple, le module de transfert 1 est du type tripole : il a trois bornes A, B et C. Il est connecté à une paire de dipoles E-i et E2 ayant un point de connexion en commun N et deux bornes externes P-i, P2. Les bornes A, B, C sont chacune respectivement connectées à Pi, P2 et N. Le module de transfert doit fournir sur le dipôle le moins chargé, un courant I proportionnel à la différence de tension ΔV= VAC - VBC' Dans l'exemple, ce module est formé d'un condensateur 2 et de deux paires d'interrupteurs haut et bas (T1 , B1 ) (T2, B2), par lesquels le condensateur 2 est alternativement connecté en parallèle sur un dipôle E-i, par les bornes A et C, puis sur l'autre E2, par les bornes C et B. La commutation des interrupteurs suit la fréquence horloge d'un signal de
commande corn, fourni typiquement par un circuit de commande tel un circuit BMU d'une batterie. L'application d'un signal de commande corn de type binaire, à la fréquence f, provoque la commutation alternative des deux paires, la première paire (T1 , B1 ) sur le niveau haut ("1") du signal corn et la deuxième paire (T2, B2) sur le niveau bas ("0"). Ces modules de transfert ont un inconvénient majeur lié à la forme du courant lors des échanges de charge. En effet, comme représenté sur la figure 2, un pic de courant instantané apparaît à la commutation du condensateur d'un dipôle (V1) sur l'autre (V2). En pratique, le courant crête instantané le peut ainsi être 10 fois la valeur moyenne du courant de charge im0y. Ceci entraîne une perte d'environ la moitié de l'énergie stockée dans le condensateur du module de transfert. Par ailleurs, les interrupteurs doivent être surdimensionnés pour ne pas être endommagés. Enfin, cela oblige généralement à prévoir des éléments de filtrage EMI contre les interférences électromagnétiques (« ElectroMagnetic Interférence ») (non représentés), de taille importante, disposés entre les interrupteurs et les dipoles. En outre, s'agissant de cellules de batterie de type Lithium-Ion ou de supercapacités, une variation de tension de l'ordre de moins de 1 % représentant plus de 10% de la capacité de la batterie, le module de compensation de charge doit présenter un très fort gain en courant, donné par le ratio entre la différence de tension ΔV sur le courant de compensation. Ceci s'avère très difficile à réaliser d'un point de vue technologique (taille de la capacité, résistance parasites, ...) Un but de l'invention est un module de transfert de charge qui n'a pas les inconvénients précités. Un autre but de l'invention est un module de transfert de charge qui présente un fort gain courant/tension et qui soit facilement réglable sans être sensible aux éléments parasites. Ce but est atteint par un module de transfert de charge entre deux dipoles, ayant une borne en commun, ledit module étant du type tripole avec une première, une deuxième et une troisième électrodes de compensation,
connectées à des bornes correspondantes des dipoles. Selon l'invention, le module comprend un étage de compensation connecté aux dites électrodes de compensation, comprenant un interrupteur haut et un interrupteur bas en série entre la première électrode et la deuxième électrode et une inductance connectée entre la troisième électrode reliée à la borne commune des dipoles, et le nœud de connexion entre lesdits interrupteurs, lesdits interrupteurs étant chacun commandés par un circuit de commande fournissant un signal de commutation des interrupteurs dont le rapport cyclique est asservi à la différence entre une mesure du courant moyen dans ladite inductance et une consigne en courant proportionnelle à la différence de tension entre les dipoles. Les interrupteurs sont de préférence commandés par un circuit de modulation de la durée de l'impulsion (PWM) en fonction de l'écart entre le courant moyen dans l'inductance et la consigne en courant. Le module comprend un circuit de mesure de tension aux bornes des dipoles, fournissant en sortie la consigne en courant. De préférence, ce circuit de mesure est connecté aux dipoles par des fils de connexion différents de ceux utilisés pour la compensation de charge. Dans un perfectionnement, le module de transfert comporte deux étages de compensation et deux circuits de modulation de la durée de l'impulsion déphasés de 180°. L'invention concerne aussi un système électronique comprenant un chargeur et un dispositif de stockage d'énergie rechargeable par ce chargeur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1 déjà décrite est un schéma d'un module de transfert du type à pompe de charges selon l'état de la technique; -la figure 2 illustre le courant d'appel à la commutation d'un tel module; -la figure 3 est un schéma d'un module transfert de charge asservi selon un premier mode de réalisation de l'invention;
-la figure 4 illustre les formes d'onde aux bornes de l'inductance d'un tel module; -la figure 5 est un schéma d'un module transfert de charge asservi selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; -la figure 6 illustre les formes d'onde aux bornes de l'inductance d'un tel module; et - la figure 7 est un schéma bloc d'un système d'équilibrage d'un dispositif de stockage d'énergie utilisant un module de transfert de charge selon l'invention.
Sur la figure 3 est représenté un module de transfert de charge entre deux dipoles ayant un point en commun, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans la suite, les éléments communs dans les figures portent les mêmes références. Le module de transfert 10 est du type tripole A, B, C. Il est connecté aux bornes P1 , P2 et N des deux dipoles Ei et E2 qui ont le point N en commun. Le module comprend une inductance L, un interrupteur haut ST et un interrupteur bas SB, qui forment un circuit de compensation. Les deux interrupteurs ST et SB sont connectés en série entre les bornes A et B. L'inductance L est connectée à une extrémité, à la borne C, et à l'autre extrémité, au nœud de connexion 11 entre les deux interrupteurs. Chaque interrupteur est commandé par un signal de commande, noté comτ pour l'interrupteur ST et comB pour l'interrupteur SB. Les deux interrupteurs ST, et SB sont commandés de façon non recouvrante avec un rapport cyclique asservi à l'écart de courant entre le courant moyen mesuré lmΘS dans l'inductance L et une consigne en courant
"cons. La mesure du courant moyen lmes dans l'inductance sera typiquement réalisé par une résistance de mesure de courant mise en série avec l'inductance, ou par tout autre dispositif de mesure DmΘS adéquat. Le courant de consigne lcons doit être proportionnel à la différence de tension V[PI-N] - V[P2.N] entre les deux dipoles. Pour ne pas être perturbé par les fils de connexion f1 ? f2, f3 entre les dipoles et le module de transfert de
charge, on utilise une technique de mesure de consigne de type kelvin. Un dispositif de mesure de tension 20 est ainsi prévu, connecté aux dipoles par ses propres fils de mesure f-i, f2, f3, et disposé physiquement au plus près de ces dipoles. Ainsi, la mesure de la consigne en courant n'est pas perturbée par la résistance parasite des fils fi, f2, f3 assurant la compensation. On a ainsi un module de transfert asservi, contrairement au module de l'état de la technique présenté sur la figure 1 qui fonctionne en boucle ouverte. Avec un tel montage séparant les fils de mesure de tension (f 1, f2, f3), des fils de compensation (fi, f2, f3), on obtient un module de transfert de charge particulièrement adapté aux applications dans lesquelles il est nécessaire de faire passer un courant de plusieurs ampères, par exemple de l'ordre de 10 ampères, pour compenser une faible différence de tension, typiquement de l'ordre de 50 millivolts, entre les dipoles. En effet, ce montage permet de mesurer exactement la différence de tension entre les dipoles sans être perturbé par les chutes de tension dues au courant de compensation passant à travers les résistances parasites des fils de compensation (f-i, f2, f3). Le circuit de mesure de tension 20 comprend typiquement un amplificateur opérationnel 21 , dont une entrée + est connectée au nœud commun N des dipoles, et dont l'autre entrée - est connectée au point milieu 22 d'un pont diviseur résistif R1 , R2, connecté entre les bornes P1 et P2 des dipoles. En pratique, il faut R1=R2. Le gain est réglé de manière connue par une résistance RG connectée entre la sortie de l'amplificateur opérationnel et son entrée -. La sortie fournit la consigne en courant l∞ns- Selon un mode de réalisation de l'invention, les signaux de commande comτ, COIΎIB pour commander les interrupteurs ST et SB de manière non recouvrante, en fonction de l'écart entre la mesure du courant moyen dans l'inductance et la consigne en courant sont fournis par un circuit de modulation de la largeur d'impulsion PWM, recevant un signal de synchronisation en fréquence SYNC en entrée. En pratique, le rapport cyclique est proche de car les tensions aux bornes de E1 et de E2 sont très voisines.
Sur la figure 4, on a représenté la forme d'onde IL dans l'inductance, les courants IE , lE2 dans les dipoles E1 et E2, la tension VL aux bornes de l'inductance, ainsi que les signaux de commande comτ et comB. Le courant lEι, respectivement lE2 circulant dans E1 , respectivement E2 est haché à 50%, ce qui nécessite la mise en place d'un filtre EMI, mais de taille modeste comparé à celui nécessaire pour un système à base de pompe de charge. Avec un tel système, on peut utiliser des composants (inductance, interrupteurs) de taille réduite, le facteur de crête des courants étant particulièrement performant. Dans un perfectionnement de l'invention, particulièrement adapté aux dipoles sur lesquels les écarts en tension à compenser sont très faibles, on prévoit de doubler le module de transfert. Un tel perfectionnement est représenté sur la figure 5. Le module de transfert comprend en fait deux étages de compensation : un premier étage comprenant une inductance L1 , et deux interrupteurs STi et SB-I ; un deuxième étage comprenant une inductance L2, et deux interrupteurs Sτ et SB2. A chaque étage est associé un circuit de commande des interrupteurs propre : PWMi pour le premier étage (L1 , ST-I, SB-I) et PWM2 pour le deuxième étage (L2, Sτ2, SB2). Le premier circuit P\NMι reçoit un signal de synchronisation en fréquence SYNC-i. Le deuxième circuit PWM2 reçoit un signal de synchronisation en fréquence SYNC2 en opposition de phase avec le premier signal SYNC-i. Les deux circuits de commande travaillent ainsi en opposition de phase. Un seul circuit de mesure de tension 20 est nécessaire, qui envoie la même consigne de courant aux deux circuits PWM, et le courant moyen dans les deux inductances est égal au courant de consigne. On obtient alors un module de transfert biphasé et les formes d'onde dans l'inductance L1 , et IL2 dans l'inductance L2, les courants IE1, lE2 dans les dipoles E1 et E2, ainsi que les signaux de commande, comτ1 , corriBl et comτ2, comB2) sont représentées sur la figure 6. Les courants lEι et lE2 dans les dipoles E1 et E2 sont alors quasiment continus. Le filtre EMI n'est quasiment plus nécessaire.
Il est facile de limiter le courant de compensation lorsque la différence de tension entre les deux dipoles est trop élevée. Cela peut se faire de plusieurs façons. Une première implémentation est de limiter la tension à la sortie de l'amplificateur opérationnel 21 donnant la consigne courant l∞ns- Elle sera en particulier limitée à sa tension d'alimentation. Une deuxième implémentation consiste à utiliser le circuit de limitation de courant intégré dans la plupart des circuits PWM du commerce. Un module de transfert de charge selon l'invention qui vient d'être décrite est particulièrement adapté à des applications d'équilibrage de cellules d'une batterie comprenant une pluralité de cellules (cellules lithium- ion, supercapacités) en série. Dans une telle application, et comme représenté schématiquement sur la figure 7, on prévoit une pluralité de modules de transfert M-i , M2, ... pour compenser deux à deux les cellules de la batterie B, lorsqu'un circuit de contrôle de type BMU détecte un trop grand écart de tension entre deux cellules de la batterie.
L'invention qui vient d'être décrite est particulièrement intéressante pour tous les systèmes utilisant des modules de transfert de charges où l'on cherche à améliorer les performances à moindre coût. Elle s'applique notamment aux dipoles nécessitant un fort courant de charge/décharge sous faible tension, car elle permet un fonctionnement à fréquence très élevé, ce qui permet de réduire les dimensions des composants utilisés (inductances, interrupteurs). Les phénomènes de surtensions étant supprimés, les interrupteurs peuvent être de dimensions réduites. L'invention s'applique notamment à tout système d'équilibrage de cellules de batterie rechargeables, notamment celles à cellules de Lithium- Ion ou supercapacités.
Claims
1. Module de transfert de charge (10) entre deux dipoles (E-i, E2) ayant une borne en commun (N), ledit module étant du type tripole avec une première (A), une deuxième (B) et une troisième (C) électrodes de compensation, connectées à des bornes correspondantes des dipoles (P-i, P2, N), caractérisé en ce qu'il comprend un étage de compensation connecté aux dites électrodes de compensation, comprenant un interrupteur haut (ST) et un interrupteur bas (SB) en série entre la première électrode (A) et la deuxième électrode (B) et une inductance (L) connectée entre la troisième électrode (C) reliée à la borne (N) commune des dipoles, et le nœud (11 ) de connexion entre lesdits interrupteurs, lesdits interrupteurs étant chacun commandés par un circuit de commande (PWM) fournissant un signal de commutation des interrupteurs dont le rapport cyclique est asservi à la différence entre une mesure du courant moyen dans ladite inductance et une consigne en courant (lCOns) proportionnelle à la différence de tension entre les dipoles.
2. Module selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dit circuit de commande est un circuit de modulation de largeur d'impulsion (PWM) recevant un signal de synchronisation en fréquence (SYNC) appliqué en entrée.
3. Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de mesure de tension 20 aux bornes (P-i, P , N) des dipoles, fournissant en sortie la consigne en courant (lcons)-
4. Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit (20) de mesure de tension et l'étage de compensation (L, ST, SB) sont connectés aux bornes des dipoles par des fils différents.
5. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux étages de compensation ({L1 , ST-I , SB-I}, {L2, ST2, SB2}) et deux circuits de commande (PWM1 , PWM2) recevant chacun un signal de synchronisation, lesdits signaux de synchronisation (SYNC-i, SYNC2) étant en opposition de phase, chaque circuit commandant un étage de compensation respectif.
6. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en que lesdits dipoles sont des cellules de type électrochimique.
7. Module selon l'une quelconque des revendications 6, caractérisé en que lesdits dipoles sont des cellules de type Lithium-Ion.
8. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits dipoles sont des supercapacités.
9. Dispositif de stockage d'énergie du type rechargeable, comprenant une pluralité de dipoles en série, et un système d'équilibrage des dipoles, caractérisé en ce que ledit système d'équilibrage comprend une pluralité de modules de transfert de charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Système électronique comprenant un chargeur et un dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 9, rechargeable par ledit chargeur.
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