SYSTEME DE GESTION D'ENERGIE D'UN BLOC BATTERIE

[0001] La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2211393 déposée le 02.11 .2022 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

[0002] La présente invention porte sur un système de gestion d’énergie lors d'une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique d’un bloc batterie. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec des blocs batteries embarqués dans les véhicules automobiles de type électrique ou hybride, c’est-à-dire un véhicule utilisant une source d'énergie électrique et une autre source d'énergie, notamment une source d'énergie thermique, hydrogène, ou pneumatique.

[0003] De façon connue en soi, un bloc batterie comprend une pluralité de modules de puissance et un module de commande ou BMS (pour "Battery Management System" en terminologie Anglo-saxonne ou « Système de Gestion de Batterie » en langue française) assurant une gestion de l'énergie électrique stockée par les modules de puissance.

[0004] Les modules de puissance sont connectés électriquement entre eux via des pistes électriquement conductrices (dites "busbars" en anglais). Chaque module de puissance est constitué de plusieurs cellules électrochimiques. Par "cellule électrochimique", on entend une cellule générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-lon), de type nickel-hydrure métallique (ou Ni-Mh), de type nickel-cadmium (Ni-Cd), lithium-fer-phosphate (LFP), au plomb, à l'état solide, ou tout autre type de batterie adapté à l’application. Chaque module de puissance est surveillé à l’aide d'une unité de contrôle dite CMC (pour "Cell Module Controller" selon la terminologie anglo- saxonne). [0005] La spectroscopie d'impédance électrochimique est un procédé connu permettant de déterminer l'état de fonctionnement des cellules du bloc batterie. Ce procédé consiste à faire circuler un signal électrique de fréquence variable à l'intérieur des cellules. Une signature d'impédance est calculée à partir du rapport entre une tension mesurée au niveau de chaque cellule et un courant parcourant la cellule. La comparaison de cette signature d'impédance par rapport à des références permet de déterminer l'état de fonctionnement des cellules.

[0006] Dans les procédés connus, l'énergie accumulée lors de l'analyse est soit dissipée dans une résistance et donc perdue, soit réinjectée dans un réseau électrique basse tension du véhicule qui ne présente pas toujours une capacité disponible pour pouvoir emmagasiner cette énergie.

[0007] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un ensemble comportant :

- un bloc batterie comprenant une pluralité de modules de puissance constitués chacun de plusieurs cellules électrochimiques,

- au moins un équipement électrique haute tension comportant une capacité de filtrage,

- un système de gestion d’énergie connecté électriquement à la capacité de filtrage et comprenant:

- un convertisseur de courant fréquentiel apte à générer, à partir d'une tension du bloc batterie, un signal de courant à fréquence variable destiné à exciter les cellules du bloc batterie au cours d'une phase d'excitation, notamment une phase d’excitation d’une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique, et

- un dispositif élévateur de tension permettant un déchargement de la capacité de filtrage dans les modules de puissance lorsque ladite capacité de filtrage est chargée suite à la phase d'excitation.

[0008] L'invention permet ainsi de récupérer dans le bloc batterie l'énergie électrique utilisée lors de l’analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique. L’invention limite ainsi les pertes d’énergie tout en garantissant que l’énergie peut être récupérée temporairement par la ou les capacités de filtrage du ou des équipements électriques avant d'être réinjectée dans la batterie. [0009] Selon une réalisation de l'invention, ledit ensemble comporte une unité de contrôle de batterie.

[0010] Selon une réalisation de l'invention, l'unité de contrôle de batterie est apte à commander le convertisseur de courant fréquentiel.

[0011] Selon une réalisation de l'invention, l’unité de contrôle de batterie est configurée pour calculer au moins une partie d’une signature d’impédance des cellules du bloc batterie à partir de valeurs de tension mesurées à des bornes des cellules et de valeurs de courant traversant ces cellules.

[0012] Selon une réalisation de l'invention, l'unité de contrôle de batterie est apte à piloter le dispositif élévateur de tension pour commander le déchargement de la capacité de filtrage dans les modules de puissance.

[0013] Selon une réalisation de l'invention, le convertisseur de courant fréquentiel est configuré pour générer un signal carré à fréquence variable.

[0014] Selon une réalisation de l'invention, le dispositif élévateur de tension est configuré pour permettre un déchargement de la capacité de filtrage à courant constant.

[0015] Selon une réalisation de l'invention, une unité de contrôle est associée à chaque module de puissance, chaque unité de contrôle étant apte à mesurer une tension de chaque cellule composant ledit module de puissance lors de la phase d'excitation.

[0016] L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant un ensemble tel que précédemment défini.

[0017] Selon une réalisation de l'invention, le véhicule automobile est de type électrique ou hybride.

[0018] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention. [0019] [Fig. 1] est une représentation schématique illustrant le fonctionnement d'un système de gestion d’énergie selon l'invention lors d'une phase d'excitation des cellules d'un bloc batterie pour effectuer une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS);

[0020] [Fig. 2] est une représentation schématique illustrant le fonctionnement du système de gestion d'énergie lors d'une phase de récupération de l'énergie électrique utilisée pour effectuer l'analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique.

[0021] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.

[0022] La figure 1 montre une un bloc batterie 10 comprenant une pluralité de modules de puissance 11 et un module de commande 12 dit BMS (pour "Battery Management System" en terminologie Anglo-saxonne) assurant une gestion de l'énergie électrique stockée par les modules de puissance 11 .

[0023] Les modules de puissance 11 sont connectés électriquement entre eux via des pistes électriquement conductrices 13 (dites "busbars" en anglais).

Chaque module de puissance 11 est constitué de plusieurs cellules électrochimiques 15. Par "cellule électrochimique", on entend une cellule générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-lon), de type nickel-hydrure métallique (ou Ni-Mh), de type nickel-cadmium (Ni-Cd), lithium-fer-phosphate (LFP), au plomb, à l'état solide, ou tout autre type de batterie adapté à l’application.

[0024] L'ensemble des modules de puissance 11 est relié électriquement à au moins un équipement électrique 16 haute tension par l'intermédiaire de relais 17. L’équipement électrique 16 comporte une capacité de filtrage 20. Les relais 17 sont aptes à sélectivement autoriser ou bloquer une connexion électrique entre le bloc batterie 10 et le ou les équipements électriques 16. Un dispositif de précharge 21 comportant un relai 22 associé à une résistance 23 permet de charger la capacité de filtrage 20 de l'équipement électrique 16 avant de fermer les relais 17 pour éviter un pic de courant au moment de la fermeture des relais

17. Un fusible 25 assure une protection électrique de l’installation.

[0025] Les équipements électriques 16 haute tension sont constitués notamment par un ou plusieurs moteurs électriques de traction, un ou plusieurs convertisseurs continu-continu permettant d'interconnecter le réseau électrique haute tension alimenté par le bloc batterie 10 avec un réseau électrique basse tension (non représenté) sur lequel sont connectés des consommateurs électriques du véhicule automobile, tel qu'un système d'éclairage, une interface homme-machine de type tablette tactile par exemple, des actionneurs de vitres ou de sièges, un calculateur moteur, voire même un démarreur dans le cas d'un véhicule hybride embarquant un moteur thermique. Tout autre équipement électrique 16 peut être connecté au bloc batterie 10.

[0026] Le module de commande 12 BMS comporte une unité de contrôle de batterie 27 dite TBMU (pour "Traction Batterie Management Unit" en terminologie anglo-saxonne ou « Unité de Gestion d’une Batterie de Traction » en langue française) apte à gérer l'énergie électrique du bloc batterie 10. L'unité de contrôle de batterie 27 est également apte à effectuer une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique des cellules 15 du bloc batterie 10.

[0027] Le module de commande 12 comporte également des unités de contrôle 28 dites CMC pour "Cell Module Controller" en terminologie anglo- saxonne associées chacune à un module de puissance 11 . Chaque module de puissance 11 est ainsi surveillé par une unité de contrôle 28 associée. Les unités de contrôle 28 permettent de mesurer une tension continue de chaque cellule 15 composant ledit module de puissance 11 lors d'une phase d'excitation des cellules 15 décrite plus en détails ci-après. Un ampèremètre 29 permet de mesure un courant parcourant les cellules 15.

[0028] Par ailleurs, un système 30 de gestion d’énergie lors d'une analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) est connecté électriquement à la capacité de filtrage 20. [0029] Ce système 30 comporte un convertisseur 31 de courant fréquentiel apte à générer, à partir d'une tension du bloc batterie 10, un signal de courant lexc à fréquence variable destiné à exciter les cellules 15 du bloc batterie 10 au cours d'une phase d'excitation. Le convertisseur 31 est de type DC-AC ("Direct Current- Alternative Current" en terminologie anglo-saxonne). De préférence, le convertisseur 31 de courant fréquentiel est configuré pour générer un signal carré positif à fréquence variable. Le signal lexc présente une amplitude maximale Imax par exemple de l'ordre de 2 A et une fréquence variant entre 10mHz et 4 kHz. En variante, le convertisseur 31 peut générer un signal sinusoïdal. Le convertisseur

31 de courant fréquentiel est commandé par l'unité de contrôle de batterie 27 qui contrôle la fréquence du signal de courant lexc à fréquence variable.

[0030] Le système 30 comporte également un dispositif élévateur de tension

32 permettant un déchargement de la capacité de filtrage 20 dans les modules de puissance 11 lorsque ladite capacité de filtrage 20 est chargée après la phase d'excitation. Le dispositif élévateur de tension est un convertisseur de type DC- DC.

[0031] L'unité de contrôle de batterie 27 est apte à piloter le dispositif élévateur de tension 32 pour commander le déchargement de la capacité de filtrage 20 dans les modules de puissance 11 .

[0032] On décrit ci-après le fonctionnement du système 30 de gestion d'énergie lors de l'analyse par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Lorsque le système 30 est activé, les moyens de coupure électrotechniques 17, 22 sont dans un état ouvert.

[0033] Le système 30 sollicite, via le convertisseur 31 de courant fréquentiel, le bloc batterie 10 avec le signal alternatif lexc à fréquence variable au cours d'une phase d'excitation, tel que cela est illustré par la figure 1 . Le sens de circulation du courant est indiqué par les flèches.

[0034] Pendant ce balayage en fréquence, les unités de contrôle 28 assurent la mesure de la tension sur les cellules 15 du blocs batterie 10 tandis que le courant traversant les cellules 15 est mesuré par l'ampèremètre 29. [0035] Lorsque la capacité de filtrage 20 est pleinement chargée, l’unité de contrôle de batterie 27 calcule au moins une partie d’une signature d’impédance des cellules 15 du bloc batterie 10 à partir de valeurs de tension mesurées aux bornes des cellules 15 et de valeurs de courant traversant ces cellules 15. La signature d’impédance est une impédance complexe.

[0036] La capacité de filtrage 20 étant pleinement chargée et le calcul de la signature d'impédance non terminé, l'unité de contrôle de batterie 27 pilote le dispositif élévateur de tension 32 pour décharger la capacité de filtrage 20 dans le bloc batterie 10.

[0037] A cet effet, comme cela est illustré par la figure 2, le dispositif élévateur de tension 32 crée une différence de tension entre la tension aux bornes de la capacité de filtrage 20 et la tension du bloc batterie 10 pour forcer le déchargement d'énergie électrique vers les cellules 15 du bloc batterie 10. Avantageusement, le dispositif élévateur de tension 32 est configuré pour permettre un déchargement de la capacité de filtrage 20 à courant constant Idech. La tension de décharge Vdech au borne du condensateur présente une forme linéaire.

[0038] Afin de terminer l’opération de mesure de spectroscopie, on recommence l’opération d'excitation des cellules 15 via le système 30.

[0039] Les étapes sont répétées autant que nécessaire afin de finir le balayage spectroscopique complet de l'ensemble des cellules 15 du bloc batterie 10. A la fin du procédé, on dispose de la signature d'impédance de l'ensemble des cellules 15 qui peut être comparée avec des valeurs ou des gabarits de référence pour en déduire un état de fonctionnement des cellules 15 du bloc batterie 10.