EP3844015A1

EP3844015A1 - Procédé de prolongation temporaire de l'autonomie d'un véhicule électrique

Info

Publication number: EP3844015A1
Application number: EP19740021.1A
Authority: EP
Inventors: Marco Marsilia; Richard Pothin
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Ampere SAS
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-07-07
Also published as: US12304456B2; JP7183389B2; KR20210035879A; JP2021535710A; KR102557371B1; WO2020043392A1; CN112638697B; US20210188248A1; CN112638697A; FR3085313A1; FR3085313B1

Abstract

La présente invention concerne un procédé de prolongation temporaire de l'autonomie d'un véhicule électrique comportant une batterie de traction ayant une capacité en énergie utilisable nominale qui est inférieure à sa capacité en énergie réelle maximale. Le procédé comporte une étape de libération de capacité utilisable supplémentaire, de sorte à augmenter temporairement l'autonomie du véhicule.

Description

Titre de l’invention : Procédé de prolongation temporaire de l’autonomie d’un véhicule électrique

La présente invention concerne un procédé de prolongation temporaire de l’autonomie d’un véhicule électrique.

Dans le contexte actuel de consensus autour du réchauffement climatique, la diminution des émissions de dioxyde de carbone (C02) est un défi majeur auquel sont confrontés les constructeurs automobiles, les normes étant toujours plus exigeantes en la matière.

Outre l’amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, qui

s’accompagne d’une baisse des émissions de C02, les véhicules électriques (« EV » d’après la terminologie anglo-saxonne « Electric Vehicle ») et les véhicules hybrides thermique-électrique (« HEV » d’après la terminologie anglo-saxonne « Hybrid Electric Vehicle ») sont aujourd’hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour diminuer les émissions de C02. Différentes technologies de gestion de l’énergie électrique ont été testées dans les dernières années, afin de répondre aux besoins des EV et HEV. Par exemple, les batteries lithium-ion (li-ion) offrent un excellent compromis entre densité d’énergie, qui favorise l’autonomie, et densité de puissance, qui favorise les performances, en termes d’accélération notamment. C’est pourquoi elles sont très couramment choisies comme « batterie de traction » pour alimenter le moteur électrique d’un EV ou d’un HEV.

Un frein à l’essor des EV reste leur autonomie, encore limitée si on la compare à l’autonomie des véhicules thermiques. Il s’agit là d’un problème que la présente invention se propose de résoudre.

L’état de la technique enseigne différentes stratégies pour augmenter de manière permanente l’autonomie des EV, notamment en vue d’améliorer la capacité des batteries et le rendement des machines électriques.

D’autres stratégies visent à augmenter temporairement l’autonomie des EV, dans certains cas d’usages exceptionnels, c’est ce qu’on appelle les prolongateurs d’autonomie ou « range- extenders » selon la terminologie anglo-saxonne. Il peut s’agir d’un prolongateur thermique, comme sur la NISSAN Note e-Power, qui fonctionne comme un groupe électrogène à partir d’un carburant fossile. Il peut s’agir également d’un prolongateur de type pile à combustible, comme dans le document DE202017003371U, qui fonctionne à partir d’hydrogène liquide. Il peut s’agir également d’un prolongateur de type batterie métal-air, comme dans le document FR3027259A1. Un inconvénient majeur de ces solutions est leur complexité et leur coût de mise en œuvre, ainsi que la nécessité de réapprovisionner régulièrement le prolongateur, que soit en essence, en hydrogène, ou encore en plaques d’aluminium, ce qui nécessite au minimum le passage à une station, voire une opération de maintenance. Il s’agit là d’un inconvénient que la présente invention se propose d’éviter.

La présente invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de prolongation temporaire de l’autonomie d’un véhicule électrique comportant une batterie de traction ayant une capacité en énergie utilisable nominale qui est inférieure à sa capacité en énergie réelle maximale. Le procédé comporte une étape de libération de capacité utilisable supplémentaire, de sorte à augmenter temporairement l’autonomie du véhicule.

Avantageusement, l’étape de libération de capacité peut inclure de calculer la capacité réelle maximale courante et de sélectionner par l’intermédiaire d’une interface homme-machine, notamment un smartphone ou une tablette, une valeur de capacité libérée venant s’ajouter à la capacité utilisable nominale dans la limite de la capacité réelle maximale calculée. Ainsi, l’utilisateur bénéficie d’une grande souplesse d’utilisation de la réserve lui permettant d’adapter l’extension de capacité à ses besoins réels et à son budget. De surcroît, une telle modulabilité au plus juste de l’extension de capacité tend à préserver la capacité maximale de la batterie dans le temps et donc la durabilité de la batterie.

Avantageusement également, l’étape de libération de capacité peut inclure une étape de sélection par l’intermédiaire d’une interface homme-machine, notamment un smartphone ou une tablette, de critères de libération à l’expiration desquels la capacité utilisable redevient la capacité utilisable nominale. Par exemple, les critères de libération peuvent inclure un critère de durée. Ainsi, l’utilisateur bénéficie d’une sûreté d’utilisation lui garantissant de ne jamais utiliser l’extension de capacité au-delà de ses besoins réels et de son budget. Une telle fonctionnalité limite les risques de prolonger inutilement l’extension de capacité et tend là encore à préserver la capacité maximale de la batterie dans le temps et donc la durabilité de la batterie.

Avantageusement également, si le véhicule roule vers une destination finale connue à l’avance, alors à l’expiration des critères de libération, la capacité utilisable peut ne redevenir la capacité utilisable nominale que lorsque le véhicule atteint effectivement cette destination finale.

Dans un mode de réalisation, l’étape de sélection de la valeur de capacité libérée peut inclure de communiquer, par affichage ou par voie sonore, une valeur d’autonomie supplémentaire correspondant à la valeur de capacité sélectionnée.

Les étapes de sélection de la valeur de capacité libérée et/ou des critères de libération peuvent également inclure de communiquer, par affichage ou par voie sonore, une somme à payer correspondant aux valeurs sélectionnées.

La présente invention a également pour objet un système comportant des moyens matériels et logiciels pour mettre en œuvre toutes les étapes d’un tel procédé.

La présente invention a enfin pour objet un véhicule embarquant un tel système.

Outre de ne nécessiter aucune opération de réapprovisionnement ni de maintenance, l’invention décrite précédemment a encore pour principal avantage sa simplicité de mise en œuvre, puisqu’elle peut être implémentée dans tout véhicule électrique actuel comportant un calculateur de batterie et un calculateur véhicule.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit faite en regard des figures fournies en annexe qui représentent un même exemple de réalisation de l’invention :

[Fig. 1]

[Fig. 2] [Fig. 3]

[Fig. 4]

[Fig. 5]

[Fig. 6]

Sur ces figures, les mêmes références représentent les mêmes éléments.

Aujourd’hui, les nouvelles générations de batterie de traction des EV offrent une capacité plus importante que par le passé, à un prix plus abordable. Il devient possible aux constructeurs automobile de proposer une gamme d’EV diversifiée en termes de capacité nominale. Pour sa part, la demanderesse envisage de proposer, pour un même modèle d’EV, deux versions différentes embarquant la même batterie ayant une capacité réelle (i.e. physique) de 52 kWh : une version ayant une capacité nominale (i.e. vendue au client) de 30 kWh et une autre version ayant une capacité nominale de 52 kWh. La description ci-dessous décrit un procédé innovant de gestion de l’énergie et de la puissance motrice d’un EV offrant au conducteur un service innovant d’extension temporaire de la capacité nominale, s’appuyant sur le fait que la batterie a une capacité réelle qui est supérieure à sa capacité nominale.

Le principe général du procédé est d’offrir la possibilité au conducteur d’un EV dont la batterie a une capacité réelle supérieure à la capacité nominale d’acheter, lorsqu’il le souhaite et lorsque cela est physiquement possible, d’obtenir de la capacité supplémentaire, dont il disposera pendant une période de temps déterminée et/ou à des conditions déterminées.

Dans un mode de réalisation avantageux, le conducteur peut par exemple choisir parmi plusieurs options, via le tableau de bord du véhicule ou via son smartphone.

Par exemple, le conducteur peut choisir la quantité d’énergie supplémentaire qu’il veut libérer, dans une limite qui dépend de la situation réelle et qui lui est communiquée à tout moment par le calculateur du véhicule sur son smartphone ou sur le tableau de bord.

Il peut choisir également la durée de libération d’énergie. Il peut choisir une utilisation unique pour terminer le trajet en cours par exemple, dans ce cas la capacité redeviendra la capacité nominale dès la charge suivante. Cette option est utile dans le cas où l’utilisateur s’aperçoit qu’il n’a pas assez d’autonomie pour atteindre sa destination. L’existence d’une telle prestation permet aussi de rassurer le conducteur par rapport à la crainte d’une panne immobilisante. Il peut choisir également une durée déterminée, comme 24 heures, un week-end ou une semaine. Dans ce cas, il pourra par exemple conserver la capacité étendue jusqu'à la charge qui suit la fin de la durée choisie. Le fait de n’autoriser le retour à la capacité nominale que lors d’une charge assure que le conducteur n’aura jamais la mauvaise surprise d’une réduction d’autonomie pendant un roulage, ceci même si la durée de libération qu’il a choisie est expirée.

Pour ce faire, le procédé décrit ci-après gère, par rapport à une capacité nominale pour le client inférieure ou égale à la capacité réelle de la batterie et variable dans le temps en fonction des choix de l’utilisateur : la puissance de traction, l’état de charge (ou « SOC » selon l’acronyme anglo- saxon signifiant « State Of Charge »), l’autonomie et l’arrêt de la charge. [Fig. 1] illustre par un diagramme un exemple d’architecture apte à la mise en œuvre du procédé selon l’invention dans un véhicule électrique. Ce diagramme illustre notamment une partie de l’architecture véhicule : un contrôleur véhicule 1, communiquant avec une batterie de traction 2 incluant son propre calculateur, un chargeur 3, un tableau de bord 4 et un onduleur 5. L‘ onduleur 5 permet de réaliser le couple avec la machine électrique, non illustrée sur [Fig. 1]

Le contrôleur 1 exécute divers traitements, notamment un bloc 1 de traitement de l’énergie et du SOC de la batterie 2, un bloc 2 de traitement de la limitation de la puissance motrice demandée à l’onduleur 5, un bloc 3 de gestion de la fin de charge de la batterie 2, et un bloc 4 de gestion des interactions avec un smartphone ou une tablette 6.

Le BLOC 1 de traitement de l’énergie et du SOC reçoit en entrée un signal Batt En émis par le calculateur de la batterie de traction 2, qui représente le niveau d’énergie physique de la batterie 2 à l’instant présent en kilowatts par heure (kWh). Le BLOC 1 reçoit également en entrée un signal En a liberer émis par le BLOC 4, qui représente la quantité d’énergie supplémentaire à libérer en kWh.

Le BLOC 1 produit en sortie un signal TdB SOC à destination du tableau de bord 4 pour affichage au conducteur, qui représente le niveau de SOC après traitement. Il s’agit d’une valeur entre 0% et 100%. Il est aussi utilisé par le reste des stratégies logicielles embarquées. Il correspond au seul niveau de SOC connu par le conducteur.

Le BLOC 1 produit également en sortie un signal TdB En à destination du tableau de bord 4 pour affichage au conducteur, qui représente le niveau d’énergie batterie après traitement en kWh. Il sera également utilisé par le reste des stratégies logicielles embarquées, notamment pour l’estimation de l’autonomie restante affichée au conducteur.

Ces signaux sont obtenus selon les équations suivantes :

où capacite utile est un paramètre qui correspond à la capacité nominale (inférieure à la capacité physique de la batterie), et :

Avec

Le signal En_reelle_0%_SOC_New représente la quantité d’énergie physique dont dispose la batterie lorsque TdB SOC vaut 0%. Il est obtenu selon l’équation suivante :

[Math 4]

Le signal En a liberer est produit par le BLOC 4 de la façon décrite dans le paragraphe ci-dessous explicitant le fonctionnement du BLOC 4.

Le BLOC 2 limite la puissance motrice et donc le couple moteur lorsque TdB SOC et TdB En sont faibles. Cette limitation est gérée de façon à ce que la puissance motrice diminue progressivement au fur et à mesure que le TdB SOC diminue, de façon à ne pas surprendre le conducteur. Ce BLOC 2 produit en sortie un signal Batt P max disch New qui va limiter la puissance électrique maximum et donc le couple maximal Tq_Max réalisable par la machine électrique via l’onduleur 5. Ce signal Batt P max disch New est obtenu selon les équations suivantes :

La requête de couple finale à l’onduleur 5 Final_Mot_Tq_req est calculée dans un module 7 comme le minimum entre la demande de couple émanant du conducteur Driver_Tq_req et le couple maximal réalisable Tq_Max compte tenu de la limitation en puissance « Batt P Max disch New ».

Le BLOC 2 reçoit en entrée de la batterie 2 le signal Batt P max disch qui représente la puissance de décharge maximum en kilowatts (kW) que la batterie de traction 2 est physiquement capable de fournir. Les paramètres de réglage de la stratégie sont :

P_Bat_Disch_Avail_EnO qui représente la puissance de décharge en kW encore disponible lorsque l'énergie batterie APRES TRAITEMENT est de 0 kWh ;

dP Bat Disch dEn qui représente la pente de décroissance de la puissance de décharge batterie disponible en fonction du niveau d'énergie de la batterie, en kW par kWh (kW/kWh) ;

P_Bat_Disch_Min qui représente le talon de puissance de décharge pour la limitation de puissance en kW/kWh.

[Fig. 2] illustre un exemple de limitation de puissance motrice par le BLOC 2. On remarque que la puissance motrice « Batt_P_Max_disch_New » diminue progressivement au fur et à mesure que le « TdB SOC » s’approche de 0. Dans [Fig. 2] on remarque que lorsque « TdB SOC » atteint la valeur 0 la puissance « Batt P Max disch New » est supérieure à 0 ce qui permet au conducteur de rouler encore quelques mètres. « Batt_P_Max_disch_New » ateint ensuite la valeur 0 (panne « sèche ») peu de temps après que TdB_SOC=0 si le conducteur continue à rouler.

Le BLOC 3 gère l’arrêt de la charge de la batterie 2 en produisant, à destination du chargeur 3, un signal booléen Flag arret ch qui prend la valeur 1 lorsque la charge doit être arrêtée, 0 sinon. Ce signal est construit selon la logique suivante :

[Math 6]

où Batt arret ch est un booléen envoyé par la batterie 2 qui prend la valeur 1 lorsque la batterie 2 demande l’arrêt de la charge.

Le BLOC 4 gère l’interaction entre le calculateur véhicule 1 et un smartphone ou une tablette 6 appartenant au conducteur. Ce BLOC 4 reçoit en entrées les signaux suivants émis par le

smartphone ou la tablette 6 :

En suppl req qui est envoyé par le smartphone ou tablette 6 et représente la quantité d’énergie en kWh que Putilisatcur souhaite libérer ;

Duree liber En qui est envoyé par le smartphone ou la tablette 6 et représente la durée en minutes pendant laquelle le conducteur souhaite libérer l’énergie supplémentaire.

Si la durée maximum de libération autorisée est de X minutes, alors l’intervalle de valeurs possibles pour ce signal doit être [0 ; X] A la valeur 0, on attribue alors la signification suivante : le conducteur demande de libérer de la capacité supplémentaire jusqu’à la prochaine charge, c’est-à- dire pour terminer le trajet en cours. Dans ce cas, la capacité redeviendra la capacité nominale dès la charge suivante, c’est-à-dire dès que le conducteur aura atteint un point de charge.

Le conducteur peut aussi demander la libération de la quantité d’énergie supplémentaire

En suppl req pendant une durée Duree liber En directement via son téléphone ou sa tablette 6 ou via le tableau de bord de la voiture. Le BLOC 4 produit en sortie vers le smartphone ou la tablette 6, pour que le conducteur soit informé par affichage sur ledit smartphone ou la tablette 6, les signaux suivants :

Le booléen Flag Lib En en cours, qui prend la valeur 1 lorsque la libération d’énergie

supplémentaire par rapport à la valeur nominale est en cours, et qui prend la valeur 0 sinon ;

Duree rest En supp, qui indique en temps réel au conducteur pendant combien de temps il va encore bénéficier de la capacité étendue ;

En max liberable, qui indique en temps réel au conducteur quelle est la quantité maximum d’énergie supplémentaire qu’il peut libérer. Cette quantité est liée à la capacité physique du système et est communiquée à chaque instant par le calculateur 1 au smartphone ou à la tablette 6. Dans une variante de réalisation, une possibilité est de permettre au conducteur de choisir la quantité d’énergie à libérer via une jauge dont la valeur maximum correspond au signal En max liberable.

Comme illustré par [Fig. 3], le signal Flag Lib En en cours peut être obtenu comme la sortie d’une bascule « Set/Reset » (S/R). L’entrée S de la bascule correspond à un signal booléen

Debut Lib En. Lorsque celui-ci prend la valeur 1, la libération de l’énergie supplémentaire commence. L’entrée R de la bascule correspond à un signal booléen Fin Lib En. Son passage à la valeur 1 marque la fin de la libération de l’énergie supplémentaire.

Le signal booléen Debut Lib En est obtenu selon l’équation suivante :

[Math 7]

où Flag charge est un booléen qui prend la valeur 1 lorsqu’une charge du véhicule est en cours, 0 sinon. La libération d’énergie commence donc, si le véhicule n’est pas en charge et qu’une libération d’énergie n’est pas déjà en cours, lorsque le conducteur demande une énergie supplémentaire En suppl req positive, via son smartphone ou sa tablette 6, ou encore via le tableau de bord 4.

Le signal booléen Fin Lib En est obtenu selon l’équation suivante :

où :

où T absol est un compteur continu interne au calculateur embarqué qui donne le temps absolu (à partir du premier réveil de la vie du calculateur)

et où :

Le signal En a liberer envoyé au BLOC 1 est obtenu ainsi :

où :

Ce mode de réalisation a plusieurs conséquences. Une première conséquence est que, si le conducteur choisit l’option « terminer le trajet en cours » (i.e. Duree liber En = 0), alors la capacité de la batterie redeviendra celle nominale dès qu’il aura branché sa voiture pour la charger (dès qu’il aura atteint un point de recharge). Cette option est pratique dans le cas où le conducteur s’aperçoit qu’il n’a pas assez d’autonomie pour atteindre sa destination. L’existence d’une telle prestation permet aussi de rassurer le conducteur par rapport à la crainte d’une panne immobilisante. Ainsi, [Fig. 4] et [Fig. 5] illustrent un exemple d’interface homme-machine sur le smartphone ou la tablette 6 permettant au conducteur d’ajuster les paramètres de libération d’énergie, avec deux curseurs permettant de choisir En suppl req dans la limite de En max liberable, ainsi que

Duree liber En. Dans cet exemple, pour 1 kWh de capacité supplémentaire achetée 12 euros (sur 9 kWh disponibles au total), le conducteur est informé qu’il gagne 5 kilomètres (km) d’autonomie, disponibles jusqu’à la prochaine recharge seulement.

Une autre conséquence est que si le conducteur choisit une durée (par exemple deux jours ou une semaine), alors il va conserver la capacité étendue jusqu'à la charge qui suit la fin de la durée choisie. Le fait de n’autoriser le retour à la capacité nominale que lors d’une charge assure que le conducteur n’aura jamais la mauvaise surprise de perte d’autonomie pendant un roulage, même si la durée de libération qu’il a choisie est terminée. Ainsi, [Fig. 6] illustre un exemple d’interface homme-machine sur le smartphone ou la tablette 6 lorsque la libération d’énergie est en cours, affichant notamment Duree rest En supp valant 1 journée, treize heures et 7 minutes.

Le signal de sortie En max liberable envoyé au smartphone ou à la tablette 6 est obtenu selon les équations suivantes :

où En_pas_liberable est un paramètre de réglage positif ou nul, qui représente la quantité d’énergie de la batterie 2, par rapport à sa capacité physique réelle, qu’on ne permet pas de libérer et où En_reelle_0%_SOC_New est un signal qui représente la quantité d’énergie physique dont dispose la batterie 2 lorsque le SOC après traitement (TdB SOC) vaut 0%. Il est obtenu de la façon décrite ci-dessus.

Claims

Revendications

1. Procédé de prolongation temporaire de l’autonomie d’un véhicule électrique comportant une batterie de traction ayant une capacité en énergie utilisable nominale qui est inférieure à sa capacité en énergie réelle maximale, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte une étape de libération de capacité utilisable supplémentaire, de sorte à augmenter

temporairement l’autonomie du véhicule.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de libération de capacité inclut de :

- calculer la capacité réelle maximale courante ;

- sélectionner par l’intermédiaire d’une interface homme-machine, notamment un smartphone ou une tablete (6), une valeur de capacité libérée venant s’ajouter à la capacité utilisable nominale dans la limite de la capacité réelle maximale calculée.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de libération de capacité inclut une étape de sélection par l’intermédiaire d’une interface homme-machine, notamment un smartphone ou une tablette (6), de critères de libération à l’expiration desquels la capacité utilisable redevient la capacité utilisable nominale.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les critères de libération incluent un critère de durée.

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, si le véhicule roule vers une

destination finale connue à l’avance, alors à l’expiration des critères de libération, la capacité utilisable ne redevient la capacité utilisable nominale que lorsque le véhicule atteint effectivement cette destination finale.

6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape de sélection de la valeur de capacité libérée inclut de communiquer, par affichage ou par voie sonore, une valeur d’autonomie supplémentaire correspondant à la valeur de capacité sélectionnée.

7. Procédé selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les étapes de sélection de la valeur de capacité libérée et/ou des critères de libération incluent de communiquer, par affichage ou par voie sonore, une somme à payer correspondant aux valeurs sélectionnées.

8. Système comportant des moyens matériels et logiciels pour mettre en œuvre toutes les

étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.

9. Véhicule embarquant le système selon la revendication précédente.