EP4676772A1 - Système d'alimentation électrique de consommateurs d'un véhicule électrique ou hybride et procédé de gestion de l'alimentation d'un véhicule - Google Patents

Système d'alimentation électrique de consommateurs d'un véhicule électrique ou hybride et procédé de gestion de l'alimentation d'un véhicule

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Publication number
EP4676772A1
EP4676772A1 EP24707862.9A EP24707862A EP4676772A1 EP 4676772 A1 EP4676772 A1 EP 4676772A1 EP 24707862 A EP24707862 A EP 24707862A EP 4676772 A1 EP4676772 A1 EP 4676772A1
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EP
European Patent Office
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vehicle
battery
operating
board network
converter
Prior art date
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Pending
Application number
EP24707862.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Maria Agapios
Daniel Boiron
Alessandro Monti
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Ampere SAS
Original Assignee
Ampere SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to the fields of electricity and the automobile industry, and more specifically concerns an electrical power supply system in an electric or hybrid electric vehicle, intended to power the vehicle's equipment.
  • Electric or hybrid electric vehicles are very often equipped with a lithium-ion battery or equivalent technology, capable of providing the energy necessary for an electric motor allowing the traction or propulsion of the vehicle, in possible cooperation with a thermal engine.
  • a lithium-ion battery or equivalent technology capable of providing the energy necessary for an electric motor allowing the traction or propulsion of the vehicle, in possible cooperation with a thermal engine.
  • Such a battery is called high voltage because the maximum no-load voltage at its terminals is generally much higher than that of service batteries, usually of the order of 12V (volts). However, some service batteries deliver a voltage of the order of 48V, this value may also be the maximum no-load voltage of certain “high voltage” batteries.
  • the service battery In an electric or hybrid electric vehicle, the service battery, often lead-acid, is used to power an on-board network of the vehicle to which the vehicle's computers are connected as well as low-voltage consumers such as windshield wiper actuators, sensors or small heating resistors.
  • the service battery is generally more stable than the high-voltage battery, and it also guarantees the power supply of safety devices of the vehicle such as braking and steering systems, while the high-voltage battery, which discharges more quickly, is intended to power the vehicle's electric motor, and possibly other high-voltage equipment such as an air conditioning compressor.
  • the electrical network to which this equipment is connected is called the vehicle's "high-voltage" network.
  • the service battery only needs to be changed every three to four years, and is therefore used to power at least the vehicle's consumers during long periods of non-use of the vehicle, i.e. when the vehicle is stationary and switched off. It is then said to be "asleep" because in reality during these periods of non-use, the vehicle's computers have modules that remain activated to monitor the vehicle's environment, such as an alarm, a communication module of a computer to receive radio signals from an ignition key, or messages from a remote server via a network of wireless communication, for example requesting the sending of maintenance data or software updates. This consumption of vehicles during periods of inactivity is also likely to increase over time, particularly due to the entry of vehicles into the Internet of Things.
  • the present invention aims to remedy at least in part the drawbacks of the technique by providing an electrical power supply system for equipment of an electric or hybrid electric vehicle and a method for managing the power supply of the on-board network of a vehicle equipped with such an electrical power supply system, which make the power supply of the vehicle equipment more reliable, including in standby mode, while minimizing the consumption of the electrical power supply system.
  • the invention proposes a system for supplying electrical power to equipment of an electric or hybrid vehicle, comprising:
  • a battery capable of supplying the energy necessary for the operation of an electric powertrain of the vehicle
  • an operating converter capable of supplying a vehicle's on-board network during vehicle operating phases, the operating converter being connected at the input to a first set of battery cells and at the output to the vehicle's on-board network,
  • a direct current - direct current converter connected on the one hand at the input to a second set of battery cells upstream of the power switches and on the other hand at the output to the vehicle's on-board network, the rest converter being intended to supply the vehicle when it is in standby mode, - an operating converter control unit, powered by the vehicle's on-board network, and
  • the battery is capable of operating the electric powertrain, it is therefore a “high voltage” battery or traction battery, i.e. an electric storage battery powering an inverter and an electric motor when the vehicle is running, unlike a service battery of the prior art.
  • the battery in the invention can therefore also be understood as a propulsion battery depending on the electric motor used, the latter being an electric motor allowing the traction or propulsion of the vehicle, possibly in cooperation with another type of motor if the vehicle is hybrid, understood in the sense of “electric hybrid” in this application.
  • upstream or downstream in this application refer to the relative position of electrical components or assemblies with respect to the direction of the current leaving the battery and heading towards the consumers of the vehicle.
  • a first component is upstream of a second component if the current leaving the battery first passes through the first component and then the second component before returning to the traction battery, the latter being in discharge.
  • the on-board network no longer needs to be powered by a service battery as in the prior art. Indeed, in the invention, whether the power switches are closed or open, the on-board network is powered either by the operating converter or by the rest converter.
  • the vehicle’s computers are powered at a minimum by the rest converter to enable them to receive, for example, activation messages only.
  • the rest converter is connected upstream of the power switches, which allows it to always be powered by the second set of battery cells.
  • the devices connected at the input to a set of battery cells are connected without an intermediate converter.
  • the control unit of the rest converter is powered by the on-board network directly at the output of the rest converter, its operation is secure.
  • a vehicle supervision device for example the main computer of the vehicle, receives a message from an external server or a user request such as a request to unlock the vehicle, it reactivates, reactivates the other computers of the vehicle and the operating converter which in turn supplies the on-board network of the vehicle during this entire phase where the supervision device is reactivated, called the operating phase.
  • This may correspond to a driving phase. of the vehicle or a "life on board" phase during which the vehicle is stopped but where a user can use, for example, a multimedia environment of the vehicle.
  • the operating converter is connected to the battery upstream or downstream of the power switches, these then having to be closed during the entire operating phase in the latter case.
  • the operating converter is connected to the battery upstream of the power switches to avoid this closing, requiring safety checks, when the high voltage network is not otherwise requested.
  • the rest converter is capable of providing a maximum power to the on-board network less than or equal to a maximum consumption power of the on-board network when the vehicle is in standby mode.
  • This maximum power is determined for example by averaging the power consumed on the on-board network during the entire duration of a standby phase of the vehicle and by adding a safety margin. It is significantly lower than the power required when the vehicle is in an operating phase (driving or life on board for example).
  • the rest converter is for example sized to provide a few Watts, and at most between 10% and 30% of the nominal power of the on-board network, i.e.
  • the power consumed by the on-board network in nominal operation measured for example by averaging the power consumed on the on-board network during the entire duration of an operating phase of the vehicle. This allows savings in terms of hardware resources (small size of the quiescent converter) and in energy consumption (better efficiency at low power of the quiescent converter).
  • the first set of battery cells is identical to the second set of battery cells and comprises all of the battery cells. This embodiment of the invention makes it possible to dispense with a specific balancing device for the battery cells.
  • the electrical power supply system comprises two operating converters, each connected at the input to all of the cells of the battery.
  • This feature makes it possible to ensure safe redundancy of the power supply of the on-board network during the operating phase, and in particular to guarantee the power supply of safety systems such as a braking system or a trajectory control system.
  • the operating converters also have independent operation, in particular they each comprise a separate control unit, which allows, in the event of a failure of one of the operating converters, that this failure does not cause a malfunction of the other of the operating converters.
  • the two operating converters are for example each connected upstream of the power switches, which makes it possible not to have to close the power switches to use them and therefore to power the on-board network, thus avoiding a safety verification procedure of the high-voltage network when no high-voltage equipment of the vehicle needs to be powered.
  • one of the two operating converters is connected at the input downstream of the power switches and the other of the operating converters is connected at the input upstream of the power switches.
  • This alternative embodiment makes it possible to use the converter connected to the battery downstream of the power switches, to precharge the capacitors or inductances at the input of equipment such as a charger or an inverter for controlling an electric machine, before connecting this equipment to the battery.
  • a specific precharging system can be dispensed with, in particular if the power switches are power relays.
  • the electrical power supply system comprises two operating converters, one connected at the input to the first set of cells of the battery and the other to a third set of cells of the battery, the first set and the third set forming a partition of at least part of the battery.
  • the first set and the third set preferably each comprise half of the cells of the battery.
  • a balancing device makes it possible to discharge each half of the cells in a quasi-identical manner, this balancing device being able to be software and consist of an activation of each of the converters for an identical duration, or so that they each supply the same quantity of energy to the consumers of the on-board network of the vehicle.
  • first, second and third sets of battery cells may in particular be stacked entirely or in pairs, or form a partition of all the battery cells.
  • each of the operating converters is capable of supplying a nominal power to the on-board network strictly lower than a maximum consumption power of the on-board network when the vehicle is in the operating phase.
  • a nominal power to the on-board network strictly lower than a maximum consumption power of the on-board network when the vehicle is in the operating phase.
  • only one of the operating converters is used to supply the on-board network.
  • the operating converters are sized to each provide half of the maximum consumption power of the on-board network, which is the electrical power supply to the on-board network required by the vehicle to operate in all conditions.
  • This maximum power is measured, for example, during a driving phase when all the consumers of the on-board network are activated, and in particular the air conditioning, in extreme weather conditions.
  • their respective nominal powers are between 50 and 90% of the maximum consumption power of the on-board network when the vehicle is in the operating phase.
  • These are, for example, operating converters that can vary from 2kW to 4kW (kiloWatt) of nominal power. Limiting them to 2kW instead of 4kW also saves hardware resources while ensuring the safety redundancy mentioned above.
  • the electrical power supply system further preferably comprises an electrical energy storage member connected to the on-board network upstream of a fuse box to which consumers of the on-board network are connected.
  • This energy storage member is for example a supercapacitor integrated into the battery block according to the invention. It makes it possible to reduce the amplitude of the current draws on the on-board network, and to smooth the current during transient phases such as in particular a switch to standby mode, in the operating phase or a change of operating converter to supply the on-board network.
  • this energy storage member is a small lead-free battery such as a small lithium battery.
  • the invention also relates to a battery pack for an electric or hybrid vehicle, comprising a housing housing an electrical power supply system according to the invention, the battery pack comprising two high-voltage connection terminals and a low-voltage connection terminal.
  • the battery pack has the advantage of securing the latter, by electrically isolating the high-voltage components of the electrical power supply system from the chassis of the vehicle, and by protecting them from impacts.
  • the operating converters and their controls are in particular protected in the battery pack, from the vibration and thermal stresses of the engine compartment.
  • the electrical power supply system according to the invention comprises an operating converter downstream of the power switches, the latter is arranged outside the battery pack.
  • the battery pack comprises two low voltage connections, i.e. a low voltage connection for supplying the safety systems safety systems and the other for powering non-safety systems. It should be noted that the battery pack is also connected to the vehicle ground, to connect one of the outputs of each operating or resting converter.
  • the invention also relates to a method for managing the power supply of the on-board network of a vehicle equipped with a vehicle supervision device, capable of managing the consumption of vehicle equipment during operating phases, the vehicle being equipped with an electrical power supply system according to the invention, and/or equipped with a battery pack according to the invention, the method comprising steps of:
  • the supervision device being powered by the rest converter
  • the vehicle Prior to the wake-up step, the vehicle is asleep and the supervision device is only powered to receive a request from, for example, a piece of equipment in the vehicle, an external server or a vehicle unlocking key.
  • the subsequent activation of the operating converter corresponds to the waking up of its control unit, thus enabling the operation of the operating converter, and therefore the conversion of current, as soon as the voltage of the on-board network measured by the control unit is lower than a voltage setpoint imposed by the control unit.
  • the operating converter can thus power the consumers of the on-board network, which includes the vehicle supervision device.
  • the supply step is followed by a step of detecting a request to activate the high-voltage equipment of the vehicle, and a step of closing the power switches following the detection step.
  • the electrical power supply system comprises two operating converters, preferably in the supply step, when each of the two operating converters is capable of supplying on its own the electrical power requested by said at least one consumer, then only one of the two operating converters operates simultaneously, a first of the two converters being regulated according to a first voltage setpoint, and a second of the two converters being regulated according to a second voltage setpoint, the first voltage setpoint alternating between a high voltage setpoint value and a low voltage setpoint value, the second voltage setpoint taking the low voltage setpoint value when the first voltage setpoint takes the high voltage setpoint value, and conversely taking the high voltage setpoint value when the second voltage setpoint takes the high voltage setpoint value.
  • the high setpoint voltage value is strictly greater than the low setpoint voltage value, these high and low voltage values being included in the nominal voltage range of the on-board network.
  • the high voltage value is taken equal to a maximum value of the nominal voltage range of the on-board network while the low voltage value is taken equal to the minimum value of the nominal voltage range of the on-board network.
  • the latter comprises a step of monitoring a battery voltage, the monitoring step triggering:
  • the invention finally relates to a vehicle equipped with an electrical power supply system according to the invention, integrated for example in the battery block according to the invention.
  • the vehicle further comprises a supervision device capable of managing the consumption of equipment of the vehicle in operating phases.
  • the supervision device and the electrical power supply system according to the invention comprise means for implementing the management method according to the invention.
  • FIG.l represents an electrical power supply system according to the invention, for equipment of an electric or hybrid vehicle, in one embodiment of the invention,
  • FIG.2 represents a first variant embodiment of the electrical power supply system of [Fig.l],
  • FIG.3 represents a second variant embodiment of the electrical power supply system of [Fig.l],
  • FIG.4 represents the evolution as a function of time, of regulation setpoint voltages of two operating converters and of a resting converter of an electrical power supply system of [Fig.l], 2 or 3,
  • FIG.5 shows the evolution over time of a voltage of a battery of the electrical power supply system of [Fig.l], 2 or 3, the battery discharging while the vehicle comprising the electrical power supply system is in a period of prolonged standby, and
  • FIG.6 represents steps of a method for managing the power supply of an on-board network of the vehicle comprising the electrical power supply system of [Fig.l], 2 or 3.
  • an electrical power supply system 1 of an electric or hybrid vehicle comprises a battery 8 of electrical accumulators connected in series, these accumulators being for example cells using Lithium-ion technology.
  • the battery 8 of the electrical power supply system 1 is a so-called traction battery, therefore “high voltage”, free of lead, the power of which allows an electric powertrain of the vehicle to operate. Its maximum no-load voltage is for example between 200V and 800V, in this embodiment.
  • the battery 8 is housed in a battery pack 3, which is a crash-resistant housing.
  • the battery pack 3 has two high-voltage outputs 12 and 22 connected to a network high voltage of the vehicle.
  • the electric powertrain is connected as an input to these outputs, which are on the one hand a positive high voltage connection terminal 12, connected to one end of the battery 8 via a fuse 15 and a positive power switch 14, connected in series, and on the other hand a negative high voltage connection terminal 22, connected to the other end of the battery 8 via a pyroswitch 17 and a negative power switch 16, connected in series.
  • the fuse 15 and the pyroswitch 17 are connected upstream of the power switches 14 and 16 respectively.
  • a precharging system is also connected in parallel with the power switch 14, this precharging system comprising in series a precharging resistor 1 and a precharging switch 18.
  • the precharging system makes it possible to avoid the formation of an excessively high current draw when the battery 8 is connected to a battery charger or to a charging terminal comprising inductances or input capacitors.
  • the positive 14 and negative 16 power switches are produced by MOSFET transistors (for the English “metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”), the electrical power supply system 1 does not comprise a precharging system and/or fuse devices 15, 17.
  • the power switches 14, 16, 18 as well as the precharging system and the fuse devices 15, 17 are elements of the electrical power supply system 1 which are integrated into the battery pack 3, which makes it possible to electrically isolate them in the engine compartment of the vehicle, and to protect them in the event of a crash.
  • the electrical supply system 1 comprises, in the battery block 3:
  • operating converter connected as an input in parallel to the battery 8 upstream of the power switches 14, 16, 18 and as an output to an on-board network 50 of the vehicle. More precisely, a first output of the first operating converter 4 is connected to a low voltage output 14V of the battery pack 3, this low voltage output 14V being connected to the on-board network 50, itself connected to the fuse box 90, and a second output of the first operating converter 4 is connected to a ground of the vehicle.
  • operating converter connected in parallel at the input to the battery 8 upstream of the power switches 14, 16, 18 and at the output to the on-board network 50 of the vehicle.
  • a first output of the second operating converter 6 is connected to the low voltage output 14V of the battery block 3, and a second output of the second converter operating voltage 6 is connected to the vehicle ground.
  • the first and second operating converters 4, 6 supply the on-board network 50 when the vehicle is “awake”, i.e. in the operating phase.
  • a vehicle supervision device 10 for example a main computer, manages the consumption and activation of the various equipment of the vehicle, which can be both low-voltage consumers such as a car radio or specific computers, and power devices such as an air conditioning compressor or an electric traction motor.
  • each of the first and second operating converters 4, 6 is sized to deliver 2kW in maximum operation, i.e. half of a total consumption on the on-board network 50, estimated at 4kW (these values are a function of the vehicle equipment). In other words, the efficiency of each of the operating converters 4, 6 is optimal between 0 and 2kW.
  • each operating converter 4, 6 is thus substantially equal to half the power of a standard electric vehicle converter, and provides at most 2KW in nominal operation, i.e. for example 150 amps at 12.5V.
  • This nominal power of a single operating converter 4, 6 is thus sufficient to power the safety systems of the vehicle and allow an emergency stop in the event of a breakdown, in particular it is greater than 1KW, and can provide at least 100A at 12.5V.
  • each operating converter 4, 6 has a nominal power greater than 2kW but less than 3kW.
  • the electrical power supply system 1 also comprises, in the battery pack 3, a direct current - direct current converter 2 called a "rest converter", connected at the input in parallel to the battery 8 upstream of the power switches 14, 16, 18 and at the output to the on-board network 50 of the vehicle.
  • a first output of the rest converter 2 is connected to the low voltage 14V output of the battery pack 3, and a second output of the rest converter 2 is connected to the ground of the vehicle.
  • the idle converter 2 allows the vehicle computers, by the low voltage that it supplies to the on-board network 50, for example 1 IV, to receive requests triggering their awakening. Being intended for the power supply in standby mode of the vehicle, it is sized to supply in nominal operation a few tens of milliamps, or for example between 0.5 and 5 Watts. In other words the efficiency of the idle converter 2 is optimized for a few Watts. Its operation is provided by a control unit 20 supplied directly at the output of the rest converter 2, therefore always activated. The control unit 20 is not subject to an external deactivation device, which contributes to the reliability of its power supply. The control unit 20 is for example a microcontroller.
  • the operating converters 4, 6 are activated during a transient phase of waking up the vehicle, by the supervision device 10 which sends an activation message to corresponding control units 40, 60.
  • the respective operation of each operating converter 4, 6 is in fact ensured by the respective control unit 40, 60 powered by the first output of the corresponding operating converter 4, 6, inside the battery block 3 which secures these power supplies.
  • the control units 40, 60 are for example microcontrollers.
  • the battery block 3 integrates, in addition to the control units 20, 40, 60 of the rest converters 2 and operating converters 4, 6, a battery management module 32, monitoring, via sensors, the temperature and voltage of the battery cells.
  • the management module 32 is in particular capable of opening the power switches 14, 16, 18 in the event of a fault in the battery 8.
  • the management module 32 is hardware and software, and may in particular include temperature sensors and/or one or more pre-programmed electronic circuits.
  • the battery block 3 comprises a CAN bus (from the English “Controller Area Network”) output 70 to which the control units 20, 40, 60 and the management module 32 of the battery 8 are connected.
  • the CAN bus output 70 is connected to a CAN bus of the vehicle, bus to which the supervision device 10 is connected, which is located outside the battery block 3.
  • the supervision device 10 can in particular send CAN messages to the control units 40, 60 to activate them in the transient phase of waking up the vehicle, or to deactivate them in the transient phase of putting the vehicle to sleep.
  • the CAN bus also allows the supervision device 10 to communicate with the management module 32 when a user connects the vehicle to a charging terminal.
  • each is able to operate its respective converter 20, 40, 60 so that it supplies a low voltage current at its output when the voltage of the on-board network 50 is lower than a regulation setpoint voltage of the respective control unit 20, 40 or 60, as will be detailed later in relation to [Fig. 4].
  • the voltage of the on-board network 50 is measured independently by each control unit 20, 40, 60, for example the control unit 40 uses a voltage sensor 42 at the output of the first operating converter 4, and the control unit 60 uses a separate voltage sensor 62 at the output of the second operating converter 6.
  • the power supply system 1 also comprises, integrated in the block battery 3, a supercapacitor 24, for example of the DLC type (from the English "Double Layer Capacitance"), connected in parallel to the outputs of the rest converters 2 and operating converters 4, 6.
  • This supercapacitor 24 makes it possible to smooth the current calls on the on-board network 50 while always guaranteeing a stable voltage on the on-board network 50, for example between 10.5 V and 15 V.
  • the supercapacitor 24 also makes it possible to secure certain transient phases, which are for example the waking up or falling asleep of the vehicle, or the moment between the appearance of an electrical fault in one of the converters 2, 4, 6 and the melting of a fuse device internal to these components.
  • the integration of this in the battery block 3 makes it possible to secure the electrical power supply system 1, but also to simplify the electrical wiring of the electrical power supply system 1 and therefore its cost.
  • the fuse corresponding to the faulty consumer causing this short circuit melts thanks to the electric current of several hundred amperes supplied over a short interval (less than one second) by at least one of the operating converters 4, 6 and/or the supercapacitor 24.
  • a pyroswitch is arranged on one of the electrical connections 92, preferably serving several consumers, which avoids oversizing the supercapacitor 24 or the operating converters 4, 6.
  • a current sensor detects such a short circuit and acts on a switch, for example a transistor, to cut the electrical connection 92 concerned.
  • FIG. 2 shows a power supply system 11 according to the invention, which is a first variant embodiment of the embodiment of [Fig. 1].
  • the power supply system 11 comprises elements common to the power supply system 1 which are referenced in the same way and not re-detailed.
  • the components of the power supply system 11 are integrated into a battery pack 30 similar to the battery pack 3.
  • the battery pack 30 differs only from the battery pack 3 in that it does not comprise a pre-charging system, and in that the second operating converter 6 is connected to the battery 8 downstream of the power switches 14, 16, while the first operating converter 4 is connected upstream of the power switches 14, 16.
  • the second operating converter 6 is reversible, i.e. capable of electrically supplying the high-voltage network of the vehicle from the on-board network 50, which means that a precharging system is not required. Indeed, for example, when a charger comprising an input capacitor is connected to the high-voltage network, it must be precharged before closing the power switches 14, 16 if it is desired to avoid an electric arc that could cause these power switches to stick, when these are electrical relays.
  • the second operating converter 6 uses the energy from the on-board network 50, supplied by the first operating converter 4, to precharge this capacity before the relays 14, 16 close.
  • the second operating converter 6 and its control unit 60 are preferably integrated into the battery block 30 to secure them, but they may possibly be arranged outside the battery block 30 for example for reasons of space requirement in the battery block 30.
  • FIG. 3 shows a power supply system 111 according to the invention, which is a second variant embodiment of the embodiment of [Fig. 1].
  • the elements common to the power supply system 1 are referenced in the same way and not re-detailed.
  • the components of the power supply system 111 are integrated into a battery block 300 similar to the battery block 3.
  • the battery block 300 differs only from the battery block 3 in that the battery is a battery of accumulators 80 partitioned into two blocks 81 and 82 of electric accumulators, between which a connection terminal called a midpoint makes it possible to split the power supply of the two operating converters 4, 6 into two independent power supplies.
  • the first operating converter 4 is powered by the block 81 by being connected at the input to the midpoint and to the end of the battery 80 connected to the positive high voltage connection terminal 12 via the fuse 15 and the positive power switch 14.
  • the second operating converter 6 is powered by the block 82 by being connected at the input to the midpoint and to the end of the battery 80 connected to the negative high voltage connection terminal 22 via the pyroswitch 17 and the negative power switch 16.
  • the electrical power supply system 111 thus makes it possible to secure the power supply of the on-board network 50 by a redundancy of energy sources.
  • the on-board network 50 is supplied by the other of the blocks 81, 82, which allows the safety systems of the vehicle to be functional while a driver of the vehicle parks it on the side of the road.
  • the first and second operating converters 4, 6 are identical in this second variant embodiment, to allow the balancing of the battery 80.
  • the first and second operating converters 4, 6 each supply the same amount of energy to the on-board network 50 to allow this balancing, for example by means of an alternating operation now presented in relation to [Fig. 4].
  • FIG. 4 shows an example of regulation setpoint voltages of the rest converters 2 and operating converters 4, 6 of the electrical power supply systems 1, 11 or 111 when the vehicle is in an operating phase and therefore awake.
  • the rest converter 2 having a setpoint voltage Vt2 of 11.5V is activated, in the sense that its control unit 20 is able to operate it as soon as the voltage of the on-board network 50 drops below 11.5V.
  • the rest converter 2 does not operate, the voltage of the on-board network 50 being maintained at 14V by one of the rest converters 4, 6 throughout this operating phase, in this example of use of the invention.
  • the on-board network 50 consumes little, and that only one of the operating converters 4, 6, the output current of which is limited to a maximum current value of 150A (amperes) to avoid overheating of the operating converter 4, 6, is capable of supplying the energy required by the consumers of the on-board network 50.
  • the converters 4, 6 operates alternately, for example for a duration of one hour h each, to supply the on-board network 50.
  • the first operating converter 4 is regulated by its control unit 40 to a setpoint voltage Vt4 of 14V, taken equal to a high setpoint voltage value allowing the nominal operation of the consumers of the on-board network 50, while the second operating converter 6 is regulated by its control unit 60 to a second setpoint voltage Vt6 of 12V, taken equal to a low setpoint voltage value strictly lower than the high setpoint voltage value.
  • the first operating converter 4 is regulated by its control unit 40 to the low setpoint voltage value while the second operating converter 6 is regulated by its control unit 60 to the high setpoint voltage value.
  • the high setpoint voltage value and the value low setpoint voltage differ by at least one volt to avoid untimely operation of the two operating converters 4, 6 simultaneously.
  • the supercapacitor 24 filters, during this operating phase, the voltage oscillations on the on-board network 50, in particular between two set voltage transitions of the converters 4, 6.
  • the supervision device 10 triggers the vehicle to fall asleep, and therefore to switch to standby mode, for example following the locking of the vehicle doors. It then deactivates the two operating converters 4, 6, in the sense that it commands the control units 40, 60 of these converters 4, 6 to no longer control their operation by supervising a voltage of the on-board network 50, but to manage only the reception of CAN messages. It also puts most of the computers, the management module 32 and itself into standby mode. Once in standby mode, the on-board network 50 is therefore only powered by the rest converter 2. Its efficiency is optimized to avoid any waste of energy when the vehicle is asleep.
  • the control unit 20 of the rest converter 2 then implements steps of a method 100 for managing the power supply of the on-board network 50 according to the invention, presented in FIGS. 5 and 6.
  • the management method 100 comprises a step of monitoring the voltage Vb of the battery 8, 80, this step being implemented continuously by the management module 32 in the operating phase, or by the control unit 20 in standby mode.
  • the first time period Tl in [Fig.5] corresponds to an operating phase 140 of the vehicle, during which the rest converters 2 and the converters operating converters 4, 6 are awakened or active.
  • Vb of the battery 8 80 falls below a first low voltage threshold Vbl, for example 180V (for a battery with a nominal voltage of 400V)
  • the supervision device 10 triggers 190 the vehicle to fall asleep, during which it deactivates 200 the operating converters 4, 6, and we move on to a second time period T2.
  • the second period T2 corresponds to a phase during which the vehicle is asleep, and during which the operating converters 4, 6 are inactive, only the rest converter 2 supplying the on-board network 50.
  • the battery 8, 80 therefore discharges less quickly during the second period T2 than during the first period T1.
  • the control units 40, 60 have a minimum operating voltage, for example less than 20% of their nominal operating voltage, a value imposed by the rest converter 2.
  • the third time period T3 corresponds to a phase during which the vehicle is asleep, and where the voltage of the battery 8.80 has fallen below a second low voltage threshold Vb2, for example 140V.
  • the rest converter 2 self-deactivates 220, the supply voltage of its control unit 20 dropping to zero voltage after the storage device 24 has been completely discharged.
  • the rest converter 2 comprises a battery voltage sensor 8, 80, or receives a message from the management module 32, when the latter integrates a reverse wake-up function triggered by a voltage of the battery 8, 80 that is too low.
  • the discharging of the battery 8, 80 by electrical loads is stopped during the third period T3.
  • the rest converter 2 being deactivated, it no longer operates, the on-board network 50 no longer being supplied.
  • two electrical terminals on the on-board network 50 allow an external 14V charger to be connected 230, in order to wake up the supervision device 10 and allow the battery 8, 80 to be recharged by connecting the vehicle to an external charging terminal, and/or sufficient recharging of the battery 8, 80 using one of the operating converters 4, 6 to allow a thermal engine of the vehicle to be started when the latter is a hybrid vehicle.
  • the 14V charger is left connected until the voltage Vb of the battery 8, 80 allows at least the power supply of the on-board network 50 via the rest converter 2, i.e. the power supply of its control unit 20 at its nominal voltage level.
  • FIG. 6 further presents other steps of the method 100 for managing the power supply of the on-board network 50 of the vehicle, implemented according to the steps concerned, by the supervision device 10 of the vehicle, the control units 20, 40, 60 of the converters of the electrical power supply system 1, 11 or 111, the converters of the power supply system 1, H or 111 themselves, the battery 8, 80, the management module 32 of the battery 8, 80, or several of these elements in cooperation with each other.
  • a prior state 110 to the implementation of a first step of waking up 120 of the vehicle corresponds to a standby mode of the vehicle, during which the on-board network 50 is powered by the rest converter only, the supervision device 10 of the vehicle being asleep.
  • the vehicle wake-up step 120 is triggered by the reception, by the supervision device 10, of a request from a piece of vehicle equipment, an external server or a vehicle unlocking key.
  • the next step 130 is then the activation by the supervision device 10 of the operating converters 4, 6, corresponding to the sending of a CAN wake-up message to their respective control units 40, 60. These therefore wake up and one of them controls the operation of at least one of the operating converters 4, 6.
  • the supercapacitor 24 supplies the current necessary to the on-board network 50 to power the components already woken up, such as for example the vehicle computers, while one of the operating converters 4, 6 supplies 14V to the on-board network 50.
  • the supervision device 10 also activates, after its wake-up step 120, other equipment of the vehicle.
  • the next step 140 is the power supply of the on-board network 50 by one or the other of the operating converters 4, 6, or by both operating converters 4, 6 simultaneously, depending on the power required by the consumers connected to the on-board network 50.
  • An alternation of regulation setpoint voltages is implemented when only one of the operating converters 4, 6 is able to provide this required power, as described previously in relation to [Fig. 4].
  • This alternation is for example implemented by the supervision device 10, the control units 40, 60 and the operating converters 4, 6.
  • the rest converter 2 does not operate during this step, being regulated at 11.5 V, except possibly in the event of failure of one of the operating converters 4, 6 and high consumption on the on-board network 50.
  • the step 140 of supplying the on-board network 50 comprises a step 150 of detection by the supervision device 10 of a request for activation of high-voltage equipment of the vehicle.
  • the following step 160 is the closing of the power switches 14, 16 by the supervision device 10.
  • the closing of the positive power switch 14 is preceded by a closing and then an opening of the precharge switch 18 when the system power supply 1, 111 has such a precharge switch.
  • the next step 170 is then the power supply of the high voltage network of the vehicle by the battery 8, 80.
  • the high voltage network is no longer requested by a piece of equipment of the vehicle, we move on to the next step 180 of opening the power switches 14, 16, implemented by the supervision device 10, and the management method 100 loops back to the step 150 of detecting a request to activate a piece of high voltage equipment of the vehicle.
  • the management method 100 moves to a step 190 of detecting conditions for putting the vehicle to sleep. These conditions are, for example, the locking of the vehicle while it is stationary, without soliciting consumers of the on-board network 50 other than the vehicle's computers.
  • step 190 When the conditions for putting the vehicle to sleep are not met (branch N of step 190), the management method 100 loops back to step 150 of detecting a request to activate high-voltage equipment of the vehicle.
  • the supervision device 10 triggers the putting the vehicle to sleep, and the next step is the deactivation 200 of the operating converters 4, 6 as described previously in relation to [Fig. 5].
  • the control unit 20 of the rest converter supervises 210 the battery voltage Vb. If the battery voltage Vb falls below the second low voltage threshold Vb2 (branch Y of step 210) before the vehicle wakes up during a new step 120 of waking up the vehicle, the rest converter 2 deactivates 220 as also mentioned in relation to [Fig. 5], and the next waking up 120 of the vehicle will require the use 230 of an external 14V charger.

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Abstract

L'invention concerne un système d'alimentation électrique (1) d'équipements d'un véhicule électrique comportant : - une batterie (8) alimentant un groupe motopropulseur électrique, - des interrupteurs de puissance (14, 16, 18) pour connecter la batterie (8) au groupe motopropulseur électrique, - un convertisseur courant continu - courant continu (4, 6) d'exploitation, pour alimenter un réseau de bord (50) en phases d'exploitation du véhicule, connecté en entrée à la batterie (8) et en sortie au réseau de bord (50), et - un convertisseur courant continu - courant continu (2) de repos, connecté en entrée à la batterie (8) en amont des interrupteurs de puissance (14, 16, 18) et en sortie au réseau de bord (50), pour alimenter le véhicule en veille.

Description

Description
Titre de l'invention : Système d’alimentation électrique de consommateurs d’un véhicule électrique ou hybride et procédé de gestion de l’alimentation d’un véhicule
[0001] La présente invention se rapporte aux domaines de l’électricité et de l’industrie automobile, et concerne plus précisément un système d’alimentation électrique dans un véhicule électrique ou hybride électrique, destiné à alimenter les équipements du véhicule.
[0002] Les véhicules électriques ou hybrides électriques sont très souvent équipés d’une batterie au lithium-ion ou de technologie équivalente, apte à fournir l’énergie nécessaire à un moteur électrique permettant la traction ou la propulsion du véhicule, en coopération éventuelle avec un moteur thermique. Une telle batterie est dite haute tension car la tension maximale à vide à ses bornes est généralement bien supérieure à celle des batteries de servitude, usuellement de l’ordre de 12V (volts). Néanmoins certaines batteries de servitude délivrent une tension de l’ordre de 48V, cette valeur pouvant être également la tension maximale à vide de certaines batteries « haute tension ».
[0003] Dans un véhicule électrique ou hybride électrique, la batterie de servitude, souvent au plomb, est utilisée pour alimenter un réseau de bord du véhicule sur lequel sont branchés les calculateurs du véhicule ainsi que des consommateurs basse tension tels que des actionneurs d’essuie-glace, des capteurs ou de petites résistances chauffantes. La batterie de servitude étant généralement plus stable que la batterie haute tension, elle garantit de plus l’alimentation de dispositifs sécuritaires du véhicule tels que des systèmes de freinage et de direction, tandis que la batterie haute tension, qui se décharge plus rapidement, est destinée à alimenter le moteur électrique du véhicule, et éventuellement d’autres équipements haute tension tels qu’un compresseur de climatisation. Le réseau électrique sur lequel sont connectés ces équipements est appelé réseau « haute tension » du véhicule.
[0004] La batterie de servitude n’a besoin d’être changée que tous les trois à quatre ans, et est donc utilisée pour alimenter a minima des consommateurs du véhicule pendant de longues périodes d’inutilisation de celui-ci, c’est-à-dire lorsque le véhicule est à l’arrêt et éteint. On dit alors qu’il est « endormi » car en réalité pendant ces périodes d’inutilisation, les calculateurs du véhicule ont des modules restant activés pour surveiller l’environnement du véhicule, tels qu’une alarme, un module de communication d’un calculateur pour recevoir des signaux radio provenant d’une clef de contact, ou encore des messages en provenance d’un serveur distant via un réseau de communication sans fil, demandant par exemple l’envoi de données de maintenance ou la mise à jour de logiciels. Cette consommation des véhicules en période d’inutilisation est de plus amenée à croître avec le temps, du fait notamment de l’entrée des véhicules dans l’internet des objets.
[0005] Cependant, les normes anti-pollution vont interdire les batteries au plomb, par ailleurs lourdes et encombrantes, ce qui obligera par exemple à les remplacer par des petites batteries au lithium-ion, très onéreuses et qu’il faudra recharger très souvent en période d’inutilisation du véhicule, notamment en réveillant celui-ci pour pouvoir connecter un convertisseur courant continu - courant continu à la batterie haute tension, le convertisseur permettant la recharge de la petite batterie lithium-ion. Cette solution est coûteuse en énergie du fait du réveil du véhicule et des procédures de vérification du réseau haute tension avant la recharge de la petite batterie lithium-ion.
[0006] Il existe donc un besoin d’optimisation de l’architecture électrique d’un véhicule électrique ou hybride électrique, sans batterie de servitude au plomb, assurant le fonctionnement des équipements sécuritaires du véhicule et permettant d’optimiser la consommation d’énergie du véhicule lors de longues périodes d’inutilisation de celui- ci.
[0007] La présente invention vise à remédier au moins en partie aux inconvénients de la technique en fournissant un système d’alimentation électrique d’équipements d’un véhicule électrique ou hybride électrique et un procédé de gestion de l’alimentation du réseau de bord d’un véhicule équipé d’un tel système d’alimentation électrique, qui fia- bilisent l’alimentation des équipements du véhicule y compris en mode veille, tout en minimisant la consommation du système d’alimentation électrique.
[0008] A cette fin, l’invention propose un système d’alimentation électrique d’équipements d’un véhicule électrique ou hybride, comportant :
- une batterie, apte à fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement d’un groupe mo- topropulseur électrique du véhicule,
- des interrupteurs de puissance aptes à connecter la batterie au groupe moto- propulseur électrique du véhicule,
- au moins un convertisseur courant continu - courant continu, dit convertisseur d’exploitation, apte à alimenter un réseau de bord du véhicule lors de phases d’exploitation du véhicule, le convertisseur d’exploitation étant connecté en entrée à un premier ensemble de cellules de la batterie et en sortie au réseau de bord du véhicule,
- un convertisseur courant continu - courant continu, dit convertisseur de repos, connecté d’une part en entrée à un deuxième ensemble de cellules de la batterie en amont des interrupteurs de puissance et d’autre part en sortie au réseau de bord du véhicule, le convertisseur de repos étant destiné à une alimentation du véhicule lorsque celui-ci est en mode veille, - une unité de contrôle du convertisseur d’exploitation, alimentée par le réseau de bord du véhicule, et
- une unité de contrôle du convertisseur de repos, alimentée par le réseau de bord du véhicule.
[0009] Dans l’invention, la batterie est apte à faire fonctionner le groupe motopropulseur électrique, il s’agit donc d’une batterie « haute tension » ou batterie de traction c’est-à-dire une batterie d’accumulateurs électriques alimentant un onduleur et un moteur électrique lors du roulage du véhicule, à la différence d’une batterie de servitude de l’art antérieur. La batterie dans l’invention peut donc aussi être entendue comme une batterie de propulsion en fonction du moteur électrique utilisé, celui-ci étant un moteur électrique permettant la traction ou la propulsion du véhicule, éventuellement en coopération avec un autre type de moteur si le véhicule est hybride, compris dans le sens d’« hybride électrique » dans cette demande.
[0010] De plus il est à noter que les termes « amont » ou « aval » dans cette demande se réfèrent à la position relative de composants ou ensembles électriques par rapport à la direction du courant sortant de la batterie et se dirigeant vers les consommateurs du véhicule. Ainsi un premier composant est en amont d’un deuxième composant si le courant sortant de la batterie traverse d’abord le premier composant puis le deuxième composant avant de revenir vers la batterie de traction, celle-ci étant en décharge.
[0011] Grâce à l’invention, le réseau de bord n’a plus besoin d’être alimenté par une batterie de servitude comme dans l’art antérieur. En effet dans l’invention, que les interrupteurs de puissance soient fermés ou ouverts, le réseau de bord est alimenté soit par le convertisseur d’exploitation, soit par le convertisseur de repos.
[0012] Plus précisément, lorsque le véhicule est en mode veille ou « endormi », les calculateurs du véhicule sont alimentés a minima par le convertisseur de repos pour leur permettre de recevoir par exemple des messages d’activation uniquement. Pour cela le convertisseur de repos est connecté en amont des interrupteurs de puissance ce qui lui permet d’être toujours alimenté par le deuxième ensemble de cellules de la batterie. Il est en effet à noter que dans l’invention, les dispositifs connectés en entrée à un ensemble de cellules de la batterie, le sont sans convertisseur intermédiaire. De plus l’unité de contrôle du convertisseur de repos étant alimentée par le réseau de bord directement en sortie du convertisseur de repos, son fonctionnement est sécurisé.
[0013] Lorsqu’un dispositif de supervision du véhicule, par exemple le calculateur principal du véhicule, reçoit un message d’un serveur externe ou une requête utilisateur telle qu’une demande de déverrouillage du véhicule, il se réactive, réactive les autres calculateurs du véhicule et le convertisseur d’exploitation qui alimente à son tour le réseau de bord du véhicule durant toute cette phase où le dispositif de supervision est réactivé, dite phase d’exploitation. Celle-ci peut correspondre à une phase de roulage du véhicule ou une phase de « vie à bord » pendant laquelle le véhicule est arrêté mais où un utilisateur peut utiliser par exemple un environnement multimédia du véhicule. Le convertisseur d’exploitation est connecté à la batterie en amont ou en aval des interrupteurs de puissance, ceux-ci devant alors être fermés pendant toute la phase d’exploitation dans le dernier cas. De préférence le convertisseur d’exploitation est connecté à la batterie en amont des interrupteurs de puissance pour éviter cette fermeture, nécessitant des vérifications sécuritaires, lorsque le réseau haute tension n’est pas sollicité par ailleurs.
[0014] De préférence dans l’invention, le convertisseur de repos est apte à fournir une puissance maximale au réseau de bord inférieure ou égale à une puissance maximale de consommation du réseau de bord lorsque le véhicule est en mode veille. Cette puissance maximale est déterminée par exemple en moyennant la puissance consommée sur le réseau de bord pendant toute la durée d’une phase de veille du véhicule et en y ajoutant une marge de sécurité. Elle est largement inférieure à la puissance nécessaire lorsque le véhicule est dans une phase d’exploitation (roulage ou vie à bord par exemple). En effet, n’étant utilisé qu’en mode veille du véhicule, le convertisseur de repos est par exemple dimensionné pour fournir quelques Watt, et au maximum entre 10% et 30% de la puissance nominale du réseau de bord, c’est-à-dire de la puissance consommée par le réseau de bord en fonctionnement nominal, mesurée par exemple en moyennant la puissance consommée sur le réseau de bord pendant toute la durée d’une phase d’exploitation du véhicule. Cela permet des économies en termes de ressources matérielles (petite taille du convertisseur de repos) et en consommation d’énergie (meilleur rendement à faible puissance du convertisseur de repos).
[0015] Dans un mode de réalisation de l’invention, le premier ensemble de cellules de la batterie est identique au deuxième ensemble de cellules de la batterie et comprend l’ensemble des cellules de la batterie. Cette réalisation de l’invention permet de se passer d’un dispositif d’équilibrage spécifique des cellules de la batterie.
[0016] Selon une caractéristique préférée de l’invention, le système d’alimentation électrique selon l’invention comporte deux convertisseurs d’exploitation, connectés chacun en entrée à l’ensemble des cellules de la batterie. Cette caractéristique permet d’assurer une redondance sécuritaire de l’alimentation du réseau de bord en phase d’exploitation, et notamment de garantir l’alimentation de systèmes sécuritaires tels qu’un système de freinage ou un système de contrôle de trajectoire. Les convertisseurs d’exploitation ont de plus un fonctionnement indépendant, notamment ils comportent chacun une unité de contrôle distincte, ce qui permet en cas de panne d’un des convertisseurs d’exploitation, que cette panne n’entraîne pas de disfonctionnement de l’autre des convertisseurs d’exploitation. [0017] Les deux convertisseurs d’exploitation sont par exemple chacun connecté en amont des interrupteurs de puissance, ce qui permet de ne pas avoir à fermer les interrupteurs de puissance pour les utiliser et donc pour alimenter le réseau de bord, évitant ainsi une procédure de vérification de sécurité du réseau haute tension lorsqu’ aucun équipement haute tension du véhicule ne nécessite d’être alimenté. En variante de réalisation, l’un des deux convertisseurs d’exploitation est connecté en entrée en aval des interrupteurs de puissance et l’autre des convertisseurs d’exploitation est connecté en entrée en amont des interrupteurs de puissance. Cette variante permet d’utiliser le convertisseur connecté à la batterie en aval des interrupteurs de puissance, pour précharger les capacités ou inductances en entrée d’un équipement tel qu’un chargeur ou un onduleur de pilotage d’une machine électrique, avant de connecter cet équipement à la batterie. Ainsi on peut se passer d’un système de précharge spécifique, notamment si les interrupteurs de puissance sont des relais de puissance.
[0018] Dans une variante de réalisation de l’invention, le système d’alimentation électrique selon l’invention comporte deux convertisseurs d’exploitation, connectés en entrée l’un au premier ensemble de cellules de la batterie et l’autre à un troisième ensemble de cellules de la batterie, le premier ensemble et le troisième ensemble formant une partition d’au moins une partie de la batterie. Dans cette variante, le premier ensemble et le troisième ensemble comportent de préférence chacun une moitié des cellules de la batterie. Un dispositif d’équilibrage permet de décharger chaque moitié de cellules de façon quasi identique, ce dispositif d’équilibrage pouvant être logiciel et consister en une activation de chacun des convertisseurs sur une durée identique, ou de sorte à ce qu’ils fournissent chacun une même quantité d’énergie aux consommateurs du réseau de bord du véhicule. Bien sûr d’autres variantes de réalisation de l’invention sont envisageables, avec par exemple plus de deux convertisseurs d’exploitation, chacun s’alimentant avec toutes les cellules de la batterie ou avec un sous-ensemble de cellules de la batterie, les sous-ensembles pouvant former une partition des cellules de la batterie. Le premier, le deuxième et le troisième ensembles de cellules de la batterie peuvent notamment se superposer entièrement ou deux à deux, ou former une partition de la totalité des cellules de la batterie.
[0019] Selon une caractéristique préférée de l’invention, chacun des convertisseurs d’exploitation est apte à fournir une puissance nominale au réseau de bord strictement inférieure à une puissance maximale de consommation du réseau de bord lorsque le véhicule est en phase d’exploitation. Ainsi lorsque les consommateurs du réseau de bord consomment peu d’énergie électrique, on utilise un seul des convertisseurs d’exploitation, consommant peu d’énergie de fonctionnement (car ils sont optimisés dans leur conception pour des petite charges du réseau de bord, ce qui est le cas le plus courant dans l’utilisation d’un véhicule), pour alimenter le réseau de bord. Par exemple les convertisseurs d’exploitation sont dimensionnés pour fournir chacun la moitié de la puissance maximale de consommation du réseau de bord, qui est la puissance électrique d’alimentation du réseau de bord nécessaire au véhicule pour fonctionner dans toutes les conditions. Cette puissance maximale est mesurée par exemple lors d’une phase de roulage où tous les consommateurs du réseau de bord sont activés, et notamment la climatisation, en conditions météorologiques extrêmes. Dans un autre exemple leurs puissances nominales respectives sont comprises entre 50 et 90% de la puissance maximale de consommation du réseau de bord lorsque le véhicule est en phase d’exploitation. Ce sont par exemple des convertisseurs d’exploitation qui peuvent varier de 2kW jusqu’à 4kW (kiloWatt) de puissance nominale. Les limiter à 2kW au lieu de 4kW permet également d’économiser des ressources matérielles tout en assurant la redondance sécuritaire mentionnée plus haut.
[0020] Le système d’alimentation électrique selon l’invention comporte en outre préférentiellement un organe de stockage d’énergie électrique connecté au réseau de bord en amont d’un boîtier fusible auquel sont connectés des consommateurs du réseau de bord. Cet organe de stockage d’énergie est par exemple une supercapacité intégrée dans le bloc batterie selon l’invention. Elle permet de diminuer l’amplitude des appels de courant sur le réseau de bord, et de lisser le courant lors de phases transitoires comme notamment un passage en mode veille, en phase d’exploitation ou un changement de convertisseur d’exploitation pour alimenter le réseau de bord. En variante cet organe de stockage d’énergie est une petite batterie sans plomb telle qu’une petite batterie au Lithium.
[0021] L’invention concerne aussi un bloc batterie pour véhicule électrique ou hybride, comportant un boîtier logeant un système d’alimentation électrique selon l’invention, le bloc batterie comportant deux bornes de connexion haute tension et une borne de connexion basse tension. En plus des avantages liés au système d’alimentation électrique selon l’invention, le bloc batterie a l’avantage de sécuriser celui-ci, en isolant électriquement les composants haute tension du système d’alimentation électrique du châssis du véhicule, et en les protégeant des chocs. Les convertisseurs d’exploitation et leurs commandes sont notamment protégés dans le bloc batterie, des sollicitations vibratoires et thermiques du compartiment moteur. Eventuellement, lorsque le système d’alimentation électrique selon l’invention comporte un convertisseur d’exploitation en aval des interrupteurs de puissance, celui-ci est disposé en dehors du bloc batterie. Enfin, lorsque le système d’alimentation électrique selon l’invention comporte deux convertisseurs d’exploitation et que l’un est dédié à l’alimentation des systèmes sécuritaires, l’autre étant dédié à l’alimentation de systèmes non sécuritaires du véhicule, le bloc batterie comporte deux connexions basse tension, c’est-à-dire une connexion basse tension pour l’alimentation des systèmes sé- curitaires et l’autre pour l’alimentation des systèmes non sécuritaires. Il est à noter que le bloc batterie est par ailleurs connecté à la masse du véhicule, pour y relier l’une des sorties de chaque convertisseur d’exploitation ou de repos.
[0022] L’invention concerne encore un procédé de gestion de l’alimentation du réseau de bord d’un véhicule équipé d’un dispositif de supervision du véhicule, apte à gérer la consommation d’équipements du véhicule en phases d’exploitation, le véhicule étant équipé d’un système d’alimentation électrique selon l’invention, et/ou équipé d’un bloc batterie selon l’invention, le procédé comportant des étapes de :
- réveil du dispositif de supervision, le dispositif de supervision étant alimenté par le convertisseur de repos,
- activation dudit au moins un convertisseur d’exploitation,
- fourniture de puissance électrique à au moins un consommateur du réseau de bord du véhicule.
[0023] Préalablement à l’étape de réveil, le véhicule est endormi et le dispositif de supervision n’est alimenté que pour recevoir une requête en provenance par exemple d’un équipement du véhicule, d’un serveur externe ou d’une clef de déverrouillage du véhicule. L’activation subséquente du convertisseur d’exploitation correspond au réveil de son unité de contrôle, permettant ainsi le fonctionnement du convertisseur d’exploitation, donc la conversion de courant, dès que la tension du réseau de bord mesurée par l’unité de contrôle est inférieure à une consigne de tension imposée par l’unité de contrôle. Le convertisseur d’exploitation peut ainsi alimenter les consommateurs du réseau de bord, qui comprend le dispositif de supervision du véhicule.
[0024] Eventuellement, lorsque la requête est liée à un besoin d’activation d’un équipement haute tension du véhicule, l’étape de fourniture est suivie d’une étape de détection d’une demande d’activation de l’équipement haute tension du véhicule, et d’une étape de fermeture des interrupteurs de puissance suite à l’étape de détection.
[0025] Lorsque le système d’alimentation électrique selon l’invention comporte deux convertisseurs d’exploitation, de préférence dans l’étape de fourniture, lorsque chacun des deux convertisseurs d’exploitation est apte à fournir à lui seul la puissance électrique demandée par ledit au moins un consommateur, alors un seul des deux convertisseurs d’exploitation fonctionne simultanément, un premier des deux convertisseurs étant régulé selon une première consigne de tension, et un deuxième des deux convertisseurs étant régulé selon une deuxième consigne de tension, la première consigne de tension alternant entre une valeur haute de tension de consigne et une valeur basse de tension de consigne, la deuxième consigne de tension prenant la valeur basse de tension de consigne quand la première consigne de tension prend la valeur haute de tension de consigne, et inversement prenant la valeur haute de tension de consigne quand la première consigne de tension prend la valeur basse de tension de consigne. La valeur haute de tension de consigne est strictement supérieure à la valeur basse de tension de consigne, ces valeurs haute et basse de tension étant incluses dans la plage de tension nominale du réseau de bord. Par exemple la valeur haute de tension est prise égale à une valeur maximale de la plage de tension nominale du réseau de bord tandis que la valeur basse de tension est prise égale à la valeur minimale de la plage de tension nominale du réseau de bord. Cette alternance permet notamment de solliciter les convertisseurs d’exploitation de façon analogue et donc de prolonger leur durée de vie, et de détecter facilement une défaillance d’un des convertisseurs d’exploitation.
[0026] De plus dans l’étape de fourniture, lorsque la puissance électrique demandée par ledit au moins un consommateur est plus importante que la puissance maximale pouvant être fournie par l’un des deux convertisseurs d’exploitation, alors les deux convertisseurs d’exploitation fonctionnent simultanément. Cela permet de sous-dimensionner chacun des convertisseurs d’exploitation par rapport à une consommation de puissance maximale du réseau de bord, comme mentionné plus haut.
[0027] Selon une caractéristique préférée du procédé de gestion de l’alimentation du réseau de bord selon l’invention, celui-ci comporte une étape de surveillance d’une tension de la batterie, l’étape de surveillance déclenchant :
- lorsque la tension de la batterie devient inférieure à un premier seuil bas, une étape de désactivation dudit au moins un convertisseur d’exploitation, et
- lorsque la tension de la batterie devient inférieure à un deuxième seuil bas strictement inférieur au premier seuil bas, une étape de désactivation du convertisseur de repos.
[0028] Il est à noter que ces seuils ne sont jamais atteints lors d’une phase d’exploitation ou de repos nominales du véhicule, mais seulement en cas d’une très longue période de repos (plusieurs mois) amenant à une décharge lente mais progressive de la batterie. Ils sont donc définis pour éviter toute décharge profonde de la batterie.
[0029] Ces désactivations empêchent le fonctionnement des convertisseurs concernés, leurs unités de contrôle étant endormies mais aptes à recevoir un message permettant leur réveil.
[0030] Cette caractéristique supplémentaire permet de prolonger au maximum un niveau de tension minimum dans la batterie, en diminuant la consommation de celle-ci en mode veille, ce qui peut permettre de redémarrer le véhicule sans avoir à brancher un dispositif de redémarrage sur le réseau de bord. Ce dispositif de redémarrage est en effet nécessaire pour réveiller le dispositif de supervision du véhicule et recharger la batterie à partir d’une borne de charge par exemple lorsque la batterie est complètement déchargée. [0031] L’invention concerne enfin un véhicule équipé d’un système d’alimentation électrique selon l’invention, intégré par exemple dans le bloc batterie selon l’invention. Le véhicule comporte de plus un dispositif de supervision apte à gérer la consommation d’équipements du véhicule en phases d’exploitation. Le dispositif de supervision et le système d’alimentation électrique selon l’invention comportent des moyens pour mettre en œuvre le procédé de gestion selon l’invention.
[0032] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[0033] [Fig.l] représente un système d’alimentation électrique selon l’invention, d’équipements d’un véhicule électrique ou hybride, dans un mode de réalisation de l’invention,
[0034] [Fig.2] représente une première variante de réalisation du système d’alimentation électrique de la [Fig.l],
[0035] [Fig.3] représente une deuxième variante de réalisation du système d’alimentation électrique de la [Fig.l],
[0036] [Fig.4] représente l’évolution en fonction du temps, de tensions de consigne de régulation de deux convertisseurs d’exploitation et d’un convertisseur de repos d’un système d’alimentation électrique de la [Fig.l], 2 ou 3,
[0037] [Fig.5] représente l’évolution en fonction du temps d’une tension d’une batterie du système d’alimentation électrique de la [Fig.l], 2 ou 3, la batterie se déchargeant alors que le véhicule comportant le système d’alimentation électrique est dans une période de veille prolongée, et
[0038] [Fig.6] représente des étapes d’un procédé de gestion de l’alimentation d’un réseau de bord du véhicule comportant le système d’alimentation électrique de la [Fig.l], 2 ou 3.
[0039] Selon un mode de réalisation de l’invention représenté [Fig.l], un système d’alimentation électrique 1 d’un véhicule électrique ou hybride comporte une batterie 8 d’accumulateurs électriques connectés en série, ces accumulateurs étant par exemple des cellules utilisant par la technologie Lithium-ion. Bien sûr d’autres technologies sont utilisables, par exemple celle des batteries Nickel métal hydrure. La batterie 8 du système d’alimentation électrique 1 est une batterie dite de traction, donc « haute tension », dépourvue de plomb, dont la puissance permet de faire fonctionner un groupe motopropulseur électrique du véhicule. Sa tension maximale à vide est comprise par exemple entre 200V et 800V, dans ce mode de réalisation.
[0040] La batterie 8 est logée dans un bloc batterie 3, qui est un boîtier résistant aux crashs. Le bloc batterie 3 comporte deux sorties haute tension 12 et 22 connectées à un réseau haute tension du véhicule. Notamment le groupe motopropulseur électrique est connecté en entrée à ces sorties, qui sont d’une part une borne de connexion haute tension positive 12, connectée à l’une des extrémités de la batterie 8 par l’intermédiaire d’un fusible 15 et d’un interrupteur de puissance positif 14, connectés en série, et d’autre part une borne de connexion haute tension négative 22, connectée à l’autre des extrémités de la batterie 8 par l’intermédiaire d’un pyrocommutateur 17 et d’un interrupteur de puissance négatif 16, connectés en série. Le fusible 15 et le pyrocommutateur 17 sont connectés en amont des interrupteurs de puissance respectivement 14 et 16. Un système de précharge est par ailleurs connecté en parallèle de l’interrupteur de puissance 14, ce système de précharge comportant en série une résistance de précharge 1 et un interrupteur de précharge 18. Le système de précharge permet d’éviter la formation d’un appel de courant trop important lors du branchement de la batterie 8 à un chargeur de batterie ou à une borne de charge comportant des inductances ou des capacités d’entrée. En variante, notamment lorsque les interrupteurs de puissance positif 14 et négatif 16 sont réalisés par des transistors MOSFET (pour l’anglais « metal-oxide-semiconductor field-effect transistor »), le système d’alimentation électrique 1 ne comporte pas de système de précharge et/ou de dispositifs fusibles 15, 17.
[0041] Les interrupteurs de puissance 14, 16, 18 ainsi que le système de précharge et les dispositifs fusibles 15, 17 sont des éléments du système d’alimentation électrique 1 qui sont intégrés dans le bloc batterie 3, ce qui permet de les isoler électriquement dans le compartiment moteur du véhicule, et de les protéger en cas de crash.
[0042] Afin d’alimenter en 14V des consommateurs basse tension du véhicule, connectés par des liaisons électriques 92 à un boîtier fusible 90, le système d’alimentation électrique 1 comporte, dans le bloc batterie 3 :
[0043] - un premier convertisseur courant continu - courant continu 4 ou premier
« convertisseur d’exploitation », connecté en entrée en parallèle à la batterie 8 en amont des interrupteurs de puissance 14, 16, 18 et en sortie à un réseau de bord 50 du véhicule. Plus précisément, une première sortie du premier convertisseur d’exploitation 4 est connectée à une sortie basse tension 14V du bloc batterie 3, cette sortie basse tension 14V étant connectée au réseau de bord 50, lui-même connecté au boîtier fusible 90, et une deuxième sortie du premier convertisseur d’exploitation 4 est reliée à une masse du véhicule.
[0044] - et un deuxième convertisseur courant continu - courant continu 6 ou deuxième
« convertisseur d’exploitation», connecté en entrée en parallèle à la batterie 8 en amont des interrupteurs de puissance 14, 16, 18 et en sortie au réseau de bord 50 du véhicule. Une première sortie du deuxième convertisseur d’exploitation 6 est connecté à la sortie basse tension 14V du bloc batterie 3, et une deuxième sortie du deuxième convertisseur d’exploitation 6 est reliée à la masse du véhicule.
[0045] Le premier et le deuxième convertisseurs d’exploitation 4, 6 alimentent le réseau de bord 50 lorsque le véhicule est « réveillé » c’est-à-dire en phase d’exploitation. Dans cet état, un dispositif de supervision 10 du véhicule, par exemple un calculateur principal, gère la consommation et l’activation des différents équipements du véhicule, qui peuvent être aussi bien des consommateurs basse tension tels qu’un autoradio ou des calculateurs spécifiques, que des dispositifs de puissance tels qu’un compresseur de climatisation ou un moteur électrique de traction. Dans ce mode de réalisation de l’invention, chacun des premier et deuxième convertisseurs d’exploitation 4, 6 est dimensionné pour délivrer 2kW en fonctionnement maximal, soit la moitié d’une consommation totale sur le réseau de bord 50, estimée à 4kW (ces valeurs sont fonction de l’équipement du véhicule). Autrement dit le rendement de chacun des convertisseurs d’exploitation 4, 6 est optimal entre 0 et 2kW.
[0046] La puissance nominale de chaque convertisseur d’exploitation 4, 6 est ainsi sensiblement égale à la moitié de la puissance d’un convertisseur standard de véhicule électrique, et fournit au plus 2KW en fonctionnement nominal soit par exemple 150 ampères sous 12,5V. Cette puissance nominale d’un seul convertisseur d’exploitation 4, 6 est ainsi suffisante pour alimenter les systèmes sécuritaires du véhicule et permettre un arrêt d’urgence en cas de panne, notamment elle est supérieure à 1KW, et peut fournir au moins 100A sous 12,5V.
[0047] Ces choix permettent d’avoir deux convertisseurs d’exploitation qui, en coût, en volume et en poids, permettent d’économiser par rapport à deux convertisseurs standards de véhicule électrique. En variante, chaque convertisseur d’exploitation 4, 6 a une puissance nominale supérieure à 2kW mais inférieure à 3kW.
[0048] Pour alimenter a minima le réseau de bord 50 lorsque le véhicule est en mode veille, c’est-à-dire à l’arrêt sans utilisation d’équipements du véhicule pendant une durée prolongée, le système d’alimentation électrique 1 comporte également dans le bloc batterie 3, un convertisseur courant continu - courant continu 2 appelé « convertisseur de repos », connecté en entrée en parallèle à la batterie 8 en amont des interrupteurs de puissance 14, 16, 18 et en sortie au réseau de bord 50 du véhicule. Une première sortie du convertisseur de repos 2 est connecté à la sortie basse tension 14V du bloc batterie 3, et une deuxième sortie du convertisseur de repos 2 est reliée à la masse du véhicule.
[0049] Le convertisseur de repos 2 permet aux calculateurs du véhicule, par le faible voltage qu’il fournit au réseau de bord 50, par exemple de 1 IV, de recevoir des requêtes déclenchant leur réveil. Etant destiné à l’alimentation en mode veille du véhicule, il est dimensionné pour fournir en fonctionnement nominal quelques dizaines de milliampères, soit par exemple entre 0,5 et 5 Watts. Autrement dit le rendement du convertisseur de repos 2 est optimisé pour quelques Watts. Son fonctionnement est assuré par une unité de contrôle 20 alimentée directement en sortie du convertisseur de repos 2, donc toujours activée. L’unité de contrôle 20 n’est pas soumise à un dispositif de désactivation externe, ce qui participe à la fiabilité de son alimentation. L’unité de contrôle 20 est par exemple un microcontrôleur.
[0050] Les convertisseurs d’exploitation 4, 6 sont activés lors d’une phase transitoire de réveil du véhicule, par le dispositif de supervision 10 qui envoie un message d’activation à des unités de contrôle correspondantes 40, 60. Le fonctionnement respectif de chaque convertisseur d’exploitation 4, 6 est en effet assuré par l’unité de contrôle respective 40, 60 alimentée par la première sortie du convertisseur d’exploitation 4, 6 correspondant, à l’intérieur du bloc batterie 3 ce qui sécurise ces alimentations. Les unités de contrôles 40, 60 sont par exemple des microcontrôleurs.
[0051] Le bloc batterie 3 intègre, en plus des unités de contrôle 20, 40, 60 des convertisseurs de repos 2 et d’exploitation 4, 6, un module de gestion 32 de la batterie, surveillant, via des capteurs, la température et la tension des cellules de la batterie. Le module de gestion 32 est notamment apte à ouvrir les interrupteurs de puissance 14, 16, 18 en cas de défaut de la batterie 8. Le module de gestion 32 est matériel et logiciel, pouvant notamment comporter des capteurs de température et/ou un ou plusieurs circuits électroniques pré-programmés.
[0052] Le bloc batterie 3 comporte une sortie 70 de bus CAN (d’après l’anglais « Controller Area Network) à laquelle sont connectés les unités de contrôle 20, 40, 60 et le module de gestion 32 de la batterie 8. La sortie 70 de bus CAN est connectée à un bus CAN du véhicule, bus auquel est connecté le dispositif de supervision 10, qui se trouve à l’extérieur du bloc batterie 3. Ainsi le dispositif de supervision 10 peut notamment envoyer des messages CAN aux unités de contrôles 40, 60 pour les activer en phase transitoire de réveil du véhicule, ou pour les désactiver en phase transitoire d’endormissement du véhicule. Le bus CAN permet aussi au dispositif de supervision 10 de communiquer avec le module de gestion 32 lorsqu’un utilisateur branche le véhicule à une borne de charge.
[0053] Lorsque les unités de contrôles 20, 40, 60 sont activées, chacune est apte à faire fonctionner son convertisseur respectif 20, 40, 60 de sorte à ce qu’il fournisse un courant basse tension en sa sortie lorsque la tension du réseau de bord 50 est inférieure à une tension de consigne de régulation de l’unité de contrôle respective 20, 40 ou 60, comme cela sera détaillé plus loin en relation avec la [Fig.4]. La tension du réseau de bord 50 est mesurée indépendamment par chaque unité de contrôle 20, 40, 60, par exemple l’unité de contrôle 40 utilise un capteur de tension 42 en sortie du premier convertisseur d’exploitation 4, et l’unité de contrôle 60 utilise un capteur de tension 62 distinct en sortie du deuxième convertisseur d’exploitation 6.
[0054] Le système d’alimentation électrique 1 comporte également, intégré dans le bloc batterie 3, une supercapacité 24, par exemple de type DLC (d’après l’anglais « Double Layer Capacitance »), connectée en parallèle aux sorties des convertisseurs de repos 2 et d’exploitation 4, 6. Cette supercapacité 24 permet de lisser les appels de courant sur le réseau de bord 50 en garantissant toujours une tension stable sur le réseau de bord 50, par exemple comprise dans l’intervalle 10,5V à 15V. La supercapacité 24 permet aussi de sécuriser certaines phases transitoires, qui sont par exemple le réveil ou l’endormissement du véhicule, ou bien le moment entre l’apparition d’une défaillance électrique dans un des convertisseurs 2, 4, 6 et la fonte d’un dispositif fusible interne à ces composants. L’intégration de celle-ci dans le bloc batterie 3 permet de sécuriser le système d’alimentation électrique 1, mais aussi de simplifier le câblage électrique du système d’alimentation électrique 1 et donc son coût.
[0055] Par ailleurs, lorsqu’il y a un court-circuit au niveau du boîtier fusible, le fusible correspondant au consommateur défaillant provoquant ce court-circuit fond grâce au courant électrique de plusieurs centaines d’ampères fourni sur un bref intervalle (inférieur à une seconde) par au moins un des convertisseurs d’exploitation 4, 6 et/ou la supercapacité 24. En variante un pyrocommutateur est disposé sur une des liaisons électriques 92, desservant de préférence plusieurs consommateurs, ce qui évite de surdimensionner la supercapacité 24 ou les des convertisseurs d’exploitation 4, 6. Dans encore une autre variante, un capteur de courant détecte un tel court-circuit et agit sur un interrupteur, par exemple un transistor, pour couper la liaison électrique 92 concernée.
[0056] Les convertisseurs de repos 2 et d’exploitation 4, 6 étant connectés en amont des interrupteurs de puissance 14, 16, 18, le système d’alimentation électrique 1 de la [Fig.l] permet de ne pas avoir besoin de fermer les interrupteurs de puissance 14, 16 pour pouvoir alimenter le réseau de bord 50 par l’intermédiaire des convertisseurs de repos 2 ou d’exploitation 4, 6.
[0057] La [Fig.2] présente un système d’alimentation électrique 11 selon l’invention, qui est une première variante de réalisation du mode de réalisation de la [Fig.l]. Le système d’alimentation électrique 11 comporte des éléments communs au système d’alimentation électrique 1 qui sont référencés de la même manière et non redétaillés. Les composants du système d’alimentation électrique 11 sont intégrés dans un bloc batterie 30 similaire au bloc batterie 3. Le bloc batterie 30 diffère uniquement du bloc batterie 3 en ce qu’il ne comporte pas de système de précharge, et en ce que le deuxième convertisseur d’exploitation 6 est connecté à la batterie 8 en aval des interrupteurs de puissance 14, 16, alors que le premier convertisseur d’exploitation 4 est connecté en amont des interrupteurs de puissance 14, 16. Ainsi dans cette première variante de réalisation :
[0058] - lorsque le véhicule est en mode veille, le réseau de bord 50 est alimenté par le convertisseur de repos 2 uniquement,
[0059] - lorsque le véhicule est réveillé mais les interrupteurs de puissance ouverts, le réseau de bord 50 est alimenté par le premier convertisseur d’exploitation 4 uniquement, et [0060] - lorsque le véhicule est réveillé mais les interrupteurs de puissance fermés, le réseau de bord 50 est alimenté par le premier convertisseur d’exploitation 4 et/ou le deuxième convertisseur d’exploitation 6.
[0061] Dans cette première variante de réalisation, le deuxième convertisseur d’exploitation 6 est réversible, c’est-à-dire apte alimenter électriquement le réseau haute tension du véhicule à partir du réseau de bord 50, ce qui permet de ne pas nécessiter de système de précharge. En effet, par exemple lorsqu’un chargeur comportant une capacité d’entrée est connectée au réseau haute tension, il faut la précharger avant de fermer les interrupteurs de puissance 14, 16 si l’on veut éviter un arc électrique pouvant coller ces interrupteurs de puissance, lorsque ceux-ci sont des relais électriques.
[0062] Grâce à cette première variante de réalisation, le deuxième convertisseur d’exploitation 6 utilise l’énergie du réseau de bord 50, alimenté par le premier convertisseur d’exploitation 4, pour précharger cette capacité avant la fermeture des relais 14, 16.
[0063] Dans cette première variante de réalisation, le deuxième convertisseur d’exploitation 6 et son unité de contrôle 60 sont préférentiellement intégrés dans le bloc batterie 30 pour les sécuriser, mais ils peuvent éventuellement être agencés à l’extérieur du bloc batterie 30 par exemple pour des raisons d’encombrement dans le bloc batterie 30.
[0064] La [Fig.3] présente un système d’alimentation électrique 111 selon l’invention, qui est une deuxième variante de réalisation du mode de réalisation de la [Fig.l]. Dans cette deuxième variante, les éléments communs au système d’alimentation électrique 1 sont référencés de la même manière et non redétaillés. Les composants du système d’alimentation électrique 111 sont intégrés dans un bloc batterie 300 similaire au bloc batterie 3. Le bloc batterie 300 diffère uniquement du bloc batterie 3 en ce que la batterie est une batterie d’accumulateurs 80 partitionnée en deux blocs 81 et 82 d’accumulateurs électriques, entre lesquelles une borne de connexion dite point milieu permet de scinder l’alimentation des deux convertisseurs d’exploitation 4 ,6 en deux alimentations indépendantes. Ainsi le premier convertisseur d’exploitation 4 est alimenté par le bloc 81 en étant connecté en entrée au point milieu et à l’extrémité de la batterie 80 reliée à la borne de connexion haute tension positive 12 par l’intermédiaire du fusible 15 et de l’interrupteur de puissance positif 14. Le deuxième convertisseur d’exploitation 6 est alimenté par le bloc 82 en étant connecté en entrée au point milieu et à l’extrémité de la batterie 80 reliée à la borne de connexion haute tension négative 22 par l’intermédiaire du pyrocommutateur 17 et de l’interrupteur de puissance négatif 16. [0065] Le système d’alimentation électrique 111 permet ainsi de sécuriser l’alimentation du réseau de bord 50 par une redondance de sources d’énergies. Ainsi en cas de défaillance d’un des blocs 81, 82 d’accumulateurs, le réseau de bord 50 est alimenté par l’autre des blocs 81, 82 ce qui permet aux systèmes sécuritaires du véhicule d’être fonctionnels le temps pour un conducteur du véhicule de stationner celui-ci sur le bas- côté. Les premier et deuxième convertisseurs d’exploitation 4, 6 sont identiques dans cette deuxième variante de réalisation, pour permettre l’équilibrage de la batterie 80. De plus les premier et deuxième convertisseurs d’exploitation 4, 6 fournissent chacun une même quantité d’énergie au réseau de bord 50 pour permettre cet équilibrage, grâce par exemple à un fonctionnement en alternance présenté maintenant en relation avec la [Fig.4].
[0066] La [Fig.4] montre un exemple de tensions de consigne de régulation des convertisseurs de repos 2 et d’exploitation 4, 6 des systèmes d’alimentation électriques 1, 11 ou 111 lorsque que le véhicule est dans une phase d’exploitation donc réveillé. Pendant cette phase d’exploitation, le convertisseur de repos 2 ayant une tension de consigne Vt2 de 11,5V est activé, dans le sens où son unité de contrôle 20 est apte à le faire fonctionner dès que la tension du réseau de bord 50 descend sous 11,5V. Cependant pendant cette phase d’exploitation le convertisseur de repos 2 ne fonctionne pas, la tension du réseau de bord 50 étant maintenue à 14V par l’un des convertisseurs de repos 4,6 pendant toute cette phase d’exploitation, dans cet exemple d’utilisation de l’invention.
[0067] On suppose de plus que pendant cette phase d’exploitation, le réseau de bord 50 consomme peu, et qu’un seul des convertisseurs d’exploitation 4, 6, dont le courant de sortie est limité à une valeur de courant maximal de 150A (ampères) pour éviter la surchauffe du convertisseur d’exploitation 4, 6, est apte à fournir l’énergie requise par les consommateurs du réseau de bord 50. De ce fait un seul des convertisseurs 4, 6 fonctionne en alternance, par exemple sur une durée d’une heure h chacun, pour alimenter le réseau de bord 50. Ainsi pendant la première heure de la phase d’exploitation, le premier convertisseur d’exploitation 4 est régulé par son unité de contrôle 40 à une tension de consigne Vt4 de 14V, prise égale à une valeur haute de tension de consigne permettant le fonctionnement nominal des consommateurs du réseau de bord 50, tandis que le deuxième convertisseur d’exploitation 6 est régulé par son unité de contrôle 60 à une deuxième tension de consigne Vt6 de 12V, prise égale à une valeur basse de tension de consigne strictement inférieure à la valeur haute de tension de consigne. L’heure suivante, le premier convertisseur d’exploitation 4 est régulé par son unité de contrôle 40 à la valeur basse de tension de consigne tandis que le deuxième convertisseur d’exploitation 6 est régulé par son unité de contrôle 60 à la valeur haute de tension de consigne. La valeur haute de tension de consigne et la valeur basse de tension de consigne diffèrent d’au moins un volt pour éviter un fonctionnement intempestif des deux convertisseurs d’exploitation 4, 6 simultanément.
[0068] La supercapacité 24 filtre, pendant cette phase d’exploitation, les oscillations en tension sur le réseau de bord 50, notamment entre deux transitions de tension de consigne des convertisseurs 4, 6.
[0069] Bien sûr d’autres façons d’alterner l’utilisation des convertisseurs d’exploitation 4,6 sont envisageables, par exemple l’un des convertisseurs d’exploitation 4, 6 fonctionne seul sur une phase d’exploitation complète du véhicule, puis l’autre des convertisseurs d’exploitation 4, 6 fonctionne seul sur la phase suivante d’exploitation du véhicule. Lorsque les durées des phases d’exploitation du véhicule diffèrent significativement, l’un des convertisseurs d’exploitation 4,6 est par exemple utilisé seul sur deux phases d’exploitation successives pour compenser ces différences.
[0070] De plus, lorsque la puissance électrique requise sur le réseau de bord 50 est plus importante que la puissance maximale pouvant être fournie par l’un des deux convertisseurs d’exploitation 4, 6, alors les deux convertisseurs d’exploitation 4, 6 fonctionnent simultanément en étant régulés chacun à la valeur haute de tension de consigne.
[0071] Après une phase d’exploitation du véhicule, le dispositif de supervision 10 déclenche l’endormissement du véhicule, donc son passage en mode veille, par exemple suite au verrouillage des portières du véhicule. Il désactive alors les deux convertisseurs d’exploitation 4, 6, dans le sens où il commande aux unités de contrôle 40, 60 de ces convertisseurs 4, 6 de ne plus commander leur fonctionnement en supervisant une tension du réseau de bord 50, mais de gérer uniquement la réception de messages CAN. Il met en mode veille également la plupart des calculateurs, le module de gestion 32 et lui-même. Une fois en mode veille, le réseau de bord 50 n’est donc plus alimenté que par le convertisseur de repos 2. Son rendement est optimisé pour éviter tout gaspillage d’énergie lorsque le véhicule est endormi.
[0072] Au bout d’un certain temps, si le véhicule est trop longtemps endormi ou non rechargé, l’état de charge de la batterie 8, 80 devient faible lors de l’endormissement du véhicule, et il peut arriver que la batterie 8, 80 se décharge complètement. Pour éviter d’endommager la batterie 8, 80, l’unité de contrôle 20 du convertisseur de repos 2 met alors en œuvre des étapes d’un procédé de gestion 100 de l’alimentation du réseau de bord 50 selon l’invention, présentées figures 5 et 6.
[0073] Le procédé de gestion 100 comporte une étape de surveillance de la tension Vb de la batterie 8, 80, cette étape étant mise en œuvre de façon continue par le module de gestion 32 en phase d’exploitation, ou par l’unité de contrôle 20 en mode veille.
[0074] La première période Tl de temps sur la [Fig.5] correspond à une phase d’exploitation 140 du véhicule, pendant laquelle les convertisseurs de repos 2 et les convertisseurs d’exploitation 4, 6 sont réveillés ou actifs. Lorsque la tension Vb de la batterie 8, 80 passe sous un premier seuil bas de tension Vbl, par exemple de 180V (pour une batterie avec une tension nominal de 400V), le dispositif de supervision 10 déclenche 190 l’endormissement du véhicule, lors duquel il désactive 200 les convertisseurs d’exploitation 4, 6, et on passe à une deuxième période de temps T2.
[0075] La deuxième période T2 correspond à une phase pendant laquelle le véhicule est endormi, et pendant laquelle les convertisseurs d’exploitation 4, 6 sont inactifs, seul le convertisseur de repos 2 alimentant le réseau de bord 50. La batterie 8,80 se décharge donc moins vite lors de la deuxième période T2 que lors de la première période Tl. Pendant la deuxième période T2, les unités de contrôle 40, 60 ont une tension minimale de fonctionnement, par exemple inférieure à 20% de leur tension de fonctionnement nominale, valeur imposée par le convertisseur de repos 2.
[0076] La troisième période de temps T3 correspond à une phase pendant laquelle le véhicule est endormi, et où la tension de la batterie 8,80 est passée sous un deuxième seuil bas de tension Vb2, par exemple de 140V.
[0077] Lorsque la tension batterie passe sous ce deuxième seuil bas de tension Vb2, le convertisseur de repos 2 s’auto-désactive 220, la tension d’alimentation de son unité de contrôle 20 passant à une tension nulle après la décharge complète du dispositif de stockage 24. Pour cela, le convertisseur de repos 2 comporte un capteur de tension de la batterie 8,80, ou bien reçoit un message du module de gestion 32, lorsque celui-ci intègre une fonction de réveil inversé (en anglais « reverse wake up ») déclenché sur une tension trop faible de la batterie 8,80. le déchargement de la batterie 8, 80 par des charges électriques est arrêté lors de la troisième période T3. Le convertisseur de repos 2 étant désactivé, il ne fonctionne plus, le réseau de bord 50 n’étant plus alimenté.
[0078] Lorsque la batterie 8, 80 est complètement déchargée, deux cosses électriques sur le réseau de bord 50 permettent de brancher 230 un chargeur 14V externe, afin de réveiller le dispositif de supervision 10 et de permettre la recharge de la batterie 8, 80 en branchant le véhicule à une borne de recharge externe, et/ou une recharge suffisante de la batterie 8, 80 en utilisant un des convertisseurs d’exploitation 4, 6 pour permettre le démarrage d’un moteur thermique du véhicule lorsque celui-ci est un véhicule hybride. Le chargeur 14V est laissé branché jusqu’à ce que la tension Vb de la batterie 8, 80 permette au moins l’alimentation du réseau de bord 50 via le convertisseur de repos 2, c’est-à-dire l’alimentation de son unité de contrôle 20 à son niveau de tension nominal.
[0079] La [Fig.6] présente en outre d’autres étapes du procédé de gestion 100 de l’alimentation du réseau de bord 50 du véhicule, mises en œuvre selon les étapes concernées, par le dispositif de supervision 10 du véhicule, les unités de contrôle 20, 40, 60 des convertisseurs du système d’alimentation électrique 1, 11 ou 111, les convertisseurs du système d’alimentation électrique 1, H ou 111 eux-mêmes, la batterie 8, 80, le module de gestion 32 de la batterie 8, 80, ou plusieurs de ces éléments en coopération les uns des autres.
[0080] Un état préalable 110 à la mise en œuvre d’une première étape de réveil 120 du véhicule, correspond à un mode veille du véhicule, lors duquel le réseau de bord 50 est alimenté par le convertisseur de repos uniquement, le dispositif de supervision 10 du véhicule étant endormi.
[0081] L’étape de réveil 120 du véhicule est déclenchée par la réception, par le dispositif de supervision 10, d’une requête en provenance d’un équipement du véhicule, d’un serveur externe ou d’une clef de déverrouillage du véhicule.
[0082] L’étape suivante 130 est ensuite l’activation par le dispositif de supervision 10, des convertisseurs d’exploitation 4, 6, correspondant à l’envoi d’un message CAN de réveil à leurs unités de contrôle 40, 60 respectives. Celles-ci se réveillent donc et l’une d’elle commande le fonctionnement d’au moins un des convertisseurs d’exploitation 4, 6. Pendant cette phase transitoire de réveil des convertisseurs d’exploitation 4, 6, la supercapacité 24 fournit le courant nécessaire au réseau de bord 50 pour alimenter les composants déjà réveillés, tels que par exemple les calculateurs du véhicule, le temps qu’un des convertisseurs d’exploitation 4, 6 alimente en 14V le réseau de bord 50. Le dispositif de supervision 10 active également en effet, après son étape de réveil 120, d’autres équipements du véhicule.
[0083] L’étape suivante 140 est l’alimentation du réseau de bord 50 par l’un ou l’autre des convertisseurs d’exploitation 4, 6, ou par les deux convertisseurs d’exploitation 4, 6 simultanément, en fonction de la puissance requise par les consommateurs connectés au réseau de bord 50. Une alternance de tensions de consigne de régulation est mise en œuvre lorsqu’un seul des convertisseurs d’exploitation 4, 6 est apte à fournir cette puissance requise, comme décrit précédemment en relation avec la [Fig.4]. Cette alternance est par exemple mise en œuvre par le dispositif de supervision 10, les unités de contrôle 40, 60 et les convertisseurs d’exploitation 4, 6. De plus le convertisseur de repos 2 ne fonctionne pas lors de cette étape, étant régulé à 11,5V, sauf éventuellement en cas de défaillance d’un des convertisseurs d’exploitation 4, 6 et de grosse consommation sur le réseau de bord 50.
[0084] L’étape 140 d’alimentation du réseau de bord 50 comporte une étape 150 de détection par le dispositif de supervision 10, d’une demande d’activation d’un équipement haute tension du véhicule. Dans le cas où une telle demande d’activation est reçue par le dispositif de supervision 10 (branche Y sur la [Fig.6]), l’étape suivante 160 est la fermeture des interrupteurs de puissance 14, 16 par le dispositif de supervision 10. La fermeture de l’interrupteur de puissance positif 14 est précédée d’une fermeture puis d’une ouverture de l’interrupteur de précharge 18 lorsque le système d’alimentation électrique 1, 111 comporte un tel interrupteur de précharge.
[0085] L’étape suivante 170 est ensuite l’alimentation du réseau haute tension du véhicule par la batterie 8, 80. Lorsque le réseau haute tension n’est plus sollicité par un équipement du véhicule, on passe à l’étape suivante 180 d’ouverture des interrupteurs de puissance 14, 16, mise en œuvre par le dispositif de supervision 10, et le procédé de gestion 100 reboucle à l’étape 150 de détection d’une demande d’activation d’un équipement haute tension du véhicule.
[0086] Lorsqu’au contraire dans l’étape 140 d’alimentation du réseau de bord 50, le dispositif de supervision 10 ne détecte pas de demande d’activation d’un équipement haute tension du véhicule (branche N), le procédé de gestion 100 passe à une étape 190 de détection de conditions d’endormissement du véhicule. Ces conditions sont par exemple le verrouillage du véhicule alors que celui-ci est à l’arrêt, sans sollicitation de consommateurs du réseau de bord 50 autres que les calculateurs du véhicule.
[0087] Lorsque les conditions d’endormissement du véhicule ne sont pas réunies (branche N de l’étape 190) le procédé de gestion 100 reboucle à l’étape 150 de détection d’une demande d’activation d’un équipement haute tension du véhicule.
[0088] Lorsqu’au contraire les conditions d’endormissement du véhicule sont réunies ou lorsque la tension Vb de la batterie 8, 80 passe sous le premier seuil bas Vbl de tension, (branche Y de l’étape 190), le dispositif de supervision 10 déclenche l’endormissement du véhicule, et l’étape suivante est la désactivation 200 des convertisseurs d’exploitation 4, 6 comme décrit précédemment en relation avec la [Fig.5]. Ensuite, l’unité de contrôle 20 du convertisseur de repos supervise 210 la tension batterie Vb. Si la tension batterie Vb passe sous le deuxième seuil bas de tension Vb2 (branche Y de l’étape 210) avant que le véhicule ne se réveille lors d’une nouvelle étape 120 de réveil du véhicule, le convertisseur de repos 2 se désactive 220 comme mentionné également en relation avec la [Fig.5], et le prochain réveil 120 du véhicule nécessitera l’utilisation 230 d’un chargeur 14V externe.
[0089] Au contraire, si la tension batterie Vb est restée au-dessus du deuxième seuil bas de tension Vb2 lors d’un prochain réveil 120 du véhicule (branche Y de l’étape 210), ce prochain réveil 120 s’effectue sans étape supplémentaire après l’étape 210 de supervision de la tension batterie Vb par l’unité de contrôle 20 du convertisseur de repos 2.
[0090] Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment les caractéristiques des différentes variantes de réalisation de l’invention envisagées dans cette demande, peuvent être combinées pour réaliser l’invention, dans la mesure où ces variantes ne sont pas incompatibles entre elles.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système d’alimentation électrique (1, 11, 111) d’équipements d’un véhicule électrique ou hybride, comportant :
- une batterie (8, 80), apte à fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement d’un groupe motopropulseur électrique du véhicule,
- des interrupteurs de puissance (14, 16, 18) aptes à connecter la batterie (8, 80) au groupe motopropulseur électrique du véhicule,
- au moins un convertisseur courant continu - courant continu (4, 6), dit convertisseur d’exploitation, apte à alimenter un réseau de bord (50) du véhicule lors de phases d’exploitation du véhicule, le convertisseur d’exploitation (4, 6) étant connecté en entrée à un premier ensemble (8, 81, 82) de cellules de la batterie (8, 80) et en sortie au réseau de bord (50) du véhicule,
- un convertisseur courant continu - courant continu (2), dit convertisseur de repos, connecté d’une part en entrée à un deuxième ensemble (8, 80) de cellules de la batterie (8, 80) en amont des interrupteurs de puissance (14, 16, 18) et d’autre part en sortie au réseau de bord (50) du véhicule, le convertisseur de repos étant destiné à une alimentation du véhicule lorsque celui-ci est en mode veille,
- une unité de contrôle (40, 60) du convertisseur d’exploitation (4, 6), alimentée par le réseau de bord (50) du véhicule, et
- une unité de contrôle (20) du convertisseur de repos (2), alimentée par le réseau de bord (50) du véhicule.
[Revendication 2] Système d’alimentation électrique (1, 11, 111) selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur de repos (2) est apte à fournir une puissance maximale au réseau de bord (50) inférieure ou égale à une puissance maximale de consommation du réseau de bord (50) lorsque le véhicule est en mode veille.
[Revendication 3] Système d’alimentation électrique (1, 11, 111) selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre un organe de stockage d’énergie électrique connecté au réseau de bord en amont d’un boîtier fusible auquel sont connectés des consommateurs du réseau de bord.
[Revendication 4] Système d’alimentation électrique (1, 11, 111) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier ensemble de cellules de la batterie est identique au deuxième ensemble de cellules de la batterie et comprend l’ensemble des cellules de la batterie (8, 80).
[Revendication 5] Système d’alimentation électrique (1, 11, 111) la revendication 4, comportant deux convertisseurs d’exploitation (4, 6), connectés chacun en entrée à l’ensemble des cellules de la batterie (8, 80).
[Revendication 6] Système d’alimentation électrique (11) selon la revendication 5, dans lequel l’un (6) des deux convertisseurs d’exploitation (4,6) est connecté en entrée en aval des interrupteurs de puissance (14, 16, 18) et l’autre (4) des convertisseurs d’exploitation (4, 6) est connecté en entrée en amont des interrupteurs de puissance (14, 16, 18).
[Revendication 7] Système d’alimentation électrique (1, 11, 111) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant deux convertisseurs d’exploitation (4, 6), connectés en entrée l’un (6) au premier ensemble (82) de cellules de la batterie (8, 80) et l’autre (4) à un troisième ensemble (81) de cellules de la batterie (8, 80), le premier ensemble (82) et le troisième ensemble (81) formant une partition d’au moins une partie de la batterie (8, 80).
[Revendication 8] Système d’alimentation électrique (1, 11, 111) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel chacun des convertisseurs d’exploitation (4, 6) est apte à fournir une puissance nominale au réseau de bord (50) strictement inférieure à une puissance maximale de consommation du réseau de bord (50) lorsque le véhicule est en phase d’exploitation.
[Revendication 9] Bloc batterie (3, 30, 300) pour véhicule électrique ou hybride, comportant un boîtier logeant un système d’alimentation électrique (1, 11, 111) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, le bloc batterie (3, 30, 300) comportant deux bornes de connexion haute tension (12, 22) et une borne de connexion basse tension.
[Revendication 10] Procédé de gestion (100) de l’alimentation du réseau de bord (50) d’un véhicule équipé d’un dispositif de supervision (10) du véhicule, apte à gérer la consommation d’équipements du véhicule en phases d’exploitation, le véhicule étant équipé d’un système d’alimentation électrique (1, 11, 111) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, et/ou équipé d’un bloc batterie (3, 30, 300) selon la revendication 9, comportant des étapes de :
-réveil (120) du dispositif de supervision (10), le dispositif de supervision (10) étant alimenté par le convertisseur de repos (2),
- activation (130) dudit au moins un convertisseur d’exploitation (4, 6),
- fourniture (140) de puissance électrique à au moins un consommateur du réseau de bord (50) du véhicule.
[Revendication 11] Procédé de gestion (100) de l’alimentation du réseau de bord (50) selon la revendication 10 prise dans la dépendance de l’une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel dans l’étape de fourniture (140), lorsque chacun des deux convertisseurs d’exploitation (4, 6) est apte à fournir à lui seul la puissance électrique demandée par ledit au moins un consommateur, alors un seul des deux convertisseurs d’exploitation (4, 6) fonctionne simultanément, un premier des deux convertisseurs(4) étant régulé selon une première consigne de tension (Vt4), et un deuxième des deux convertisseurs (6) étant régulé selon une deuxième consigne de tension (Vt6), la première consigne de tension (Vt4) alternant entre une valeur haute de tension de consigne et une valeur basse de tension de consigne, la deuxième consigne de tension (Vt6) prenant la valeur basse de tension de consigne quand la première consigne de tension (Vt4) prend la valeur haute de tension de consigne, et inversement prenant la valeur haute de tension de consigne quand la première consigne de tension (Vt4) prend la valeur basse de tension de consigne.
[Revendication 12] Procédé de gestion (100) de l’alimentation du réseau de bord (50) selon la revendication 10 ou 11 prises dans la dépendance de la revendication 8, dans lequel dans l’étape de fourniture (140), lorsque la puissance électrique demandée par ledit au moins un consommateur est plus importante que la puissance maximale pouvant être fournie par l’un des deux convertisseurs d’exploitation (4, 6), alors les deux convertisseurs d’exploitation (4, 6) fonctionnent simultanément.
[Revendication 13] Procédé de gestion (100) de l’alimentation du réseau de bord (50) selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, comportant une étape de surveillance d’une tension de la batterie (Vb), l’étape de surveillance déclenchant :
- lorsque la tension de la batterie (Vb) devient inférieure à un premier seuil bas (Vbl), une étape de désactivation (200) dudit au moins un convertisseur d’exploitation (4, 6), et
- lorsque la tension de la batterie (Vb) devient inférieure à un deuxième seuil bas (Vb2) strictement inférieur au premier seuil bas (Vbl), une étape de désactivation (220) du convertisseur de repos (2).
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