FR2925237A1 - Procede de gestion et systeme de stockage d'energie electrique - Google Patents

Procede de gestion et systeme de stockage d'energie electrique Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de gestion de stockage d'énergie électrique dans un système de stockage comportant un premier (1) et un second (2) dispositifs de stockage reliés par un dispositif (3) convertisseur d'énergie, le second dispositif (2) étant destiné à alimenter un circuit électrique de véhicule automobile, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :- on détermine des paramètres représentatifs d'un mode de fonctionnement du véhicule,- on détermine un objectif de charge du second dispositif (2), en fonction du mode de fonctionnement du véhicule, et- on pilote le convertisseur d'énergie de manière à autoriser un transfert d'énergie de l'un des dispositifs vers l'autre, de manière à atteindre et à maintenir l'état de charge du second dispositif de stockage au niveau de l'objectif de charge.L'invention se rapporte également à un système de stockage d'énergie électrique comportant tous les moyens permettant de mettre en oeuvre ce procédé.

Description

PROCEDE DE GESTION ET SYSTEME DE STOCKAGE D'ENERGIE ELECTRIQUE
La présente invention se situe dans le domaine de l'alimentation en énergie électrique de véhicules automobiles. De manière plus précise, cette invention se situe dans le domaine de la gestion du stockage de l'énergie électrique dans les véhicules automobiles dont le système de traction emploie au moins l'énergie électrique. Ces véhicules automobiles sont, par exemple, les véhicules de type électrique, ou les véhicules de type hybride.
On connaît, dans le domaine de la fourniture d'énergie électrique pour ce type de véhicule automobile, l'utilisation de batteries d'accumulateurs électrochimiques, permettant d'alimenter électriquement le système de traction, ainsi que d'autres organes électroniques installés dans le véhicule. Toutefois, ce type de batterie présente l'inconvénient majeur de fournir des performances médiocres en termes de capacité de puissance, de stockage, de longévité, et de coût. En effet, les batteries d'accumulateurs électrochimiques offrent de faibles puissances, tant en charge qu'en décharge, et ont une durée de vie limitée. En conséquence, il est nécessaire de changer régulièrement l'ensemble de la batterie, ce qui représente des coûts d'entretien et de maintenance relativement importants.
Afin de remédier à ces inconvénients, il a été envisagé une utilisation couplée de différents systèmes de stockage d'énergie électrique tels qu'un système d'accumulateurs électrochimiques couplé à un système de supercondensateurs.
On rappelle ici qu'un supercondensateur est un condensateur réalisé de façon telle qu'il permette d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaires entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques. Ainsi, ces supercondensateurs ont une capacité de stockage d'énergie électrique supérieure aux condensateurs classiques, tout en permettant une restitution de cette énergie plus rapidement qu'une batterie classique. Ainsi, ces deux types de systèmes présentent des caractéristiques complémentaires, l'un permettant de fournir une puissance élevée mais une énergie faible, l'autre permettant de fournir une puissance faible mais une énergie élevée.
Généralement, les deux systèmes de stockage sont reliés entre eux par de simples conducteurs, et ne mettent en oeuvre aucun procédé de répartition de l'énergie électrique entre les deux systèmes. Dans de telles installations couplées, les deux systèmes sont généralement connectés entre eux en parallèle, et l'équilibrage des tensions, imposé par les lois de l'électricité, conduit à des échanges d'énergie naturels, à tout instant, entre les systèmes. En conséquence, la répartition de l'énergie électrique obtenue n'est pas toujours optimale par rapport au mode de fonctionnement du véhicule, et donc aux besoins en énergie à chaque instant. En effet, il peut se produire que le système d'alimentation principal ne soit pas complètement rechargé, alors que le véhicule est dans un mode de fonctionnement tout électrique, au cours duquel une grande quantité d'énergie électrique est nécessaire en même temps. Le système global de stockage d'énergie présente donc des performances moyennes, notamment en termes de disponibilité de l'énergie électrique, et donc de temps de réponse du système à une sollicitation.
L'invention vise à remédier, au moins en partie, à ces inconvénients, en fournissant un procédé de gestion du stockage de l'énergie électrique dans au moins deux dispositifs de stockage électrique. De manière plus précise, l'invention vise à fournir un procédé permettant de répartir efficacement l'énergie électrique entre différents dispositifs de stockage, notamment en fonction des caractéristiques de ces dispositifs, ainsi que d'un mode de fonctionnement du véhicule.
Ainsi, l'invention concerne un procédé de gestion du stockage d'énergie électrique dans un système de stockage comportant un premier et un second dispositifs de stockage reliés par un dispositif convertisseur d'énergie, le second dispositif étant destiné à alimenter un circuit électrique de véhicule automobile. Le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on détermine des paramètres représentatifs d'un mode de fonctionnement du véhicule, - on détermine un objectif de charge du second dispositif, en fonction du mode de fonctionnement du véhicule, et -on pilote le convertisseur d'énergie de manière à autoriser un transfert d'énergie de l'un des dispositifs vers l'autre, de manière à atteindre et à maintenir l'état de charge du second dispositif de stockage au niveau de l'objectif de charge.
Il est à noter que, dans l'ensemble de la description, les termes de transfert d'énergie et échange d'énergie ont la même signification.
Dans une réalisation avantageuse de l'invention, le procédé comprend, en outre, l'étape de déterminer, outre les paramètres représentatifs d'un mode de fonctionnement du véhicule, des paramètres d'état, représentant l'état des dispositifs de stockage, et de piloter le convertisseur en fournissant un signal de commande dépendant de ces paramètres.
Selon les réalisations, les paramètres d'état d'un dispositif de stockage sont compris dans le groupe comprenant : la charge électrique d'un dispositif, la tension électrique aux bornes de ce dispositif, la température de fonctionnement de ce dispositif, et les valeurs des courants électriques circulant 30 dans les conducteurs reliant les dispositifs au convertisseur électrique, ou reliant le second dispositif au circuit à alimenter.
Le circuit à alimenter, quant à lui, comprend le système de traction du véhicule et éventuellement, dans certaines réalisations, tout autre circuit électrique secondaire, notamment permettant l'alimentation de différents organes électriques et/ou électroniques, ou consommateurs installés dans le véhicule. Selon le mode de fonctionnement du véhicule, le système de traction utilise de l'énergie électrique, ou au contraire en produit. En effet, le principe de fonctionnement d'un véhicule hybride est tel que, dans certaines phases de roulage, par exemple une phase de roulage à vitesse élevée avec peu d'accélérations et de décélérations, le système de traction est alimenté par le moteur thermique, qui produit de l'énergie électrique. Dans le cadre de la mise en oeuvre de l'invention dans un tel véhicule, on prévoit la possibilité, au cours des phases de décélération, de récupérer l'énergie électrique produite par le moteur thermique pour une utilisation future. Dans ce cas, il est nécessaire d'être en mesure de stocker cette énergie produite, le cas échéant, et il est donc utile de maintenir le second dispositif de stockage dans un état très peu chargé, afin de permettre une récupération et un stockage d'une grande quantité d'énergie produite. En revanche, lorsqu'un véhicule hybride se trouve en mode de fonctionnement purement électrique, aucune énergie électrique n'est produite par le système de traction, et il n'est donc pas nécessaire de laisser de l'espace de stockage libre dans le second dispositif de stockage d'énergie.
Il apparaît donc que, lors des échanges d'énergie commandés entre les deux dispositifs de stockage, il est nécessaire de tenir compte du mode de fonctionnement du véhicule. Cette prise en compte est effectuée en fixant un objectif de charge du second dispositif qui dépende du mode de fonctionnement, comme précédemment mentionné. Les paramètres représentatifs de l'état de fonctionnement du véhicule peuvent être de différents types, selon les réalisations : - il peut s'agir de paramètres moteur, par exemple le régime moteur, - il peut s'agir de paramètres électriques, tels que le mode de fonctionnement du système électrique du véhicule, ou la prévision des sollicitations énergétiques à venir, - il peut s'agir de paramètres véhicule, résultants de la combinaison de deux ou plusieurs éléments parmi : des paramètres moteur, des contraintes de roulage, et des consignes utilisateur ; un exemple de paramètre véhicule est la vitesse du véhicule.
Les modes de fonctionnement du véhicule sont, dans une réalisation, déterminés en fonction des conditions de roulage, par exemple un mode urbain et un mode extra urbain. Dans une autre réalisation, ils sont déterminés en fonction des caractéristiques du véhicule, par exemple tout électrique ou hybride.
Par ailleurs, dans une réalisation, le procédé comprend l'étape de déterminer, outre les paramètres représentatifs d'un mode de fonctionnement du véhicule, des paramètres d'état, représentant l'état des dispositifs de stockage, et de piloter le convertisseur en fournissant un signal de commande dépendant de ces paramètres.
L'objectif de charge est déterminé de manière à garantir une marge de charge ou de décharge du second dispositif de stockage, compatible avec les exigences de consommation ou de production du système électrique du véhicule.
En effet, le principe de fonctionnement d'un véhicule hybride est tel que, lorsque le véhicule se trouve dans une phase de roulage à vitesse élevée, et avec de faibles variations, typiquement un trajet sur autoroute, le système de traction du véhicule produit de l'énergie électrique. Lors des phases de décélération, on prévoit la possibilité de récupérer l'énergie électrique produite par le moteur thermique pour une utilisation future. En conséquence, dans de telles situations de roulage, il est utile que le second dispositif de stockage, relié au système de traction, ne se trouve pas dans un état de pleine charge, afin de pouvoir stocker l'énergie produite au fur et à mesure.
Ainsi, pour tenir compte de ces contraintes, dans une réalisation, l'objectif de charge est déterminé de la façon suivante : - lorsque le véhicule fonctionne selon un mode urbain, au cours duquel les accélérations et décélérations sont fréquentes, l'objectif de charge est fixé à environ la moitié de la charge maximale du second dispositif, -lorsque le véhicule est en mode de fonctionnement purement électrique, l'objectif de charge est fixé à 100% de la charge maximale du second dispositif, et - lorsque le véhicule fonctionne selon un mode de fonctionnement extra urbain, au cours duquel la vitesse est relativement élevée et varie peu, l'objectif de charge est fixé à 0.
Dans une mise en oeuvre avantageuse de l'invention, en mode urbain, l'objectif de charge est fixé à une valeur comprise entre 45% et 55% de la charge maximale. Dans une mise en oeuvre encore plus avantageuse, l'objectif de charge est fixé à une valeur comprise entre 49% et 51%, typiquement à 50% de la charge maximale du second dispositif de stockage.
Toutefois, le convertisseur de puissance utilisé lors de la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention a une puissance maximale limitée, qui dépend du type de convertisseur. Ainsi, dans certaines réalisations, il est possible que le second dispositif de stockage atteigne un niveau de charge de 0% alors que l'objectif de charge n'est pas fixé à cette valeur. Une telle situation se produit, notamment, lorsque le débit d'énergie électrique fournie au système de traction par le second dispositif de stockage est supérieur au débit que peut fournir le convertisseur. De la même manière, il est possible que le second dispositif de stockage atteigne un niveau de charge de 100%, par exemple lorsque les conditions de fonctionnement du véhicule sont telles que l'énergie électrique est produite trop rapidement ou en trop grande quantité. Une telle situation, de pleine charge ou de déplétion totale, peut également se présenter pour le premier dispositif de stockage. Dans tous les cas, ces situations extrêmes nécessitent une adaptation du mode de fonctionnement du véhicule, afin d'éviter un mauvais fonctionnement ou une panne. A cet effet, dans une réalisation, le procédé comprend les étapes suivantes : - on détermine l'état de charge du premier et/ou second dispositif de stockage, - si cet état est un état de pleine charge ou de déplétion totale, ou un état très proche de l'un de ces états, on transmet un message d'information à un ou plusieurs calculateur(s) électronique(s) installé(s) dans le véhicule.
Ainsi, dans une configuration, on transmet un message d'information à un ou plusieurs calculateur(s) électronique(s) installé(s) dans le véhicule, dès lors que le niveau de charge d'un des dispositifs de stockage est supérieur à 95% de sa charge maximale, ou inférieure à 5%.
Les conséquences d'un état de pleine charge ou de déplétion totale sont quelque peu différentes, selon qu'il s'agisse d'un état du premier ou du second dispositif de stockage. En effet, si le second dispositif de stockage, qui est directement relié au circuit à alimenter, se trouve dans l'une de ces situations extrêmes, il s'ensuit une indisponibilité de l'ensemble du système de stockage, tant pour fournir de l'énergie électrique que pour en recevoir. Il est donc nécessaire d'informer l'ensemble des calculateurs et autres organes électroniques du véhicule qu'ils ne peuvent plus utiliser ou fournir d'énergie électrique pendant une certaine période.
En revanche, s'il s'agit du premier dispositif, les conséquences sont moins gênantes pour le fonctionnement du véhicule, puisque ce dispositif n'est pas utilisé pour alimenter directement un quelconque organe du véhicule, mais uniquement pour échanger de l'énergie avec le second dispositif, de manière à répartir de manière optimale l'énergie électrique entre ces deux dispositifs.
Dans ce cas, il est toutefois nécessaire d'informer les différents calculateurs du véhicule de cette situation, afin d'éviter tout fonctionnement qui pourrait avoir pour conséquence une augmentation de la demande ou de la production et ainsi conduire à une situation de pleine charge ou de déplétion totale du second dispositif.35 L'invention concerne également un système de stockage d'énergie électrique, destiné à être installé dans un véhicule automobile. Ce système est caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier et un second dispositif de stockage d'énergie électrique, - un convertisseur de puissance reliant les dispositifs de stockage, et permettant des transferts d'énergie de l'un à l'autre, - un module de supervision des échanges d'énergie, permettant de déterminer un objectif de charge du second dispositif de stockage et de piloter le convertisseur de puissance en fonction de cet objectif, par l'intermédiaire d'un canal de commande, et - des canaux de cheminement d'information, permettant de relier le module de supervision aux deux dispositifs de stockage.
Afin de permettre des transferts d'énergie, du premier dispositif vers le second ou du second vers le premier, il est nécessaire que le convertisseur de puissance soit réversible. Dans une réalisation, le système comprend en outre un canal de communication permettant de relier le module de supervision à au moins un calculateur installé sur le véhicule, de manière à pouvoir recevoir des informations relatives à l'état de fonctionnement du véhicule. Dans une réalisation, le premier dispositif de stockage dispose d'une puissance faible et d'une énergie importante, et le second dispositif de stockage dispose d'une puissance importante et d'une énergie faible. Dans une réalisation, le premier dispositif de stockage comprend une batterie d'accumulateurs électrochimiques. Dans une réalisation, le second dispositif de stockage comprend une batterie de supercondensateurs.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation particuliers, cette description étant effectuée à titre non limitatif à l'aide de la figure 1, qui montre un système conforme à l'invention, permettant la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention.
Le système montré sur la figure 1 comprend un premier dispositif de stockage d'énergie électrique 1, capable d'emmagasiner une quantité importante d'énergie électrique, ainsi qu'un second dispositif de stockage 2, capable d'échanger une puissance électrique importante. Dans une configuration préférentielle, le premier dispositif de stockage 1 est une batterie d'accumulateurs électrochimiques, et le second dispositif de stockage 2 est une batterie de supercondensateurs. Entre ces deux dispositifs de stockage est installé un convertisseur de tension électrique 3, connecté aux deux dispositifs de stockage 1 et 2, respectivement par l'intermédiaire de conducteurs électriques 5 et 6. Ce convertisseur de tension permet de réaliser des échanges électriques entre les deux dispositifs 1 et 2, via les conducteurs électriques. Le second dispositif de stockage 2 est relié, par l'intermédiaire de conducteurs 4, au circuit électrique 7 à alimenter. Ainsi que mentionné précédemment, ce circuit électrique comprend le système de traction d'un véhicule électrique ou hybride et, éventuellement, tout autre circuit électrique secondaire, notamment permettant l'alimentation de différents organes électroniques installés dans le véhicule.
Le système comprend, en outre, un module de supervision 8 de l'ensemble des éléments du système de stockage. Ce module comprend, notamment, un processeur permettant de recevoir et de traiter un ensemble de données correspondant à des paramètres de fonctionnement du véhicule, ou des paramètres relatifs à l'état des dispositifs de stockage 1 et 2.
Les paramètres relatifs à l'état des dispositifs de stockage sont mesurés à l'aide de capteurs implantés à proximité ou à l'intérieur des dispositifs de stockage 1 et 2 ; les mesures sont transmises au module de supervision 8 via des canaux de cheminement d'information 10 et 11. Le module de supervision 8 pilote le fonctionnement du convertisseur par l'intermédiaire d'un canal de commande 9. Ce canal permet d'envoyer au convertisseur des signaux de commande lui indiquant s'il doit autoriser un transfert d'énergie d'un dispositif de stockage à l'autre et, si oui, dans quel sens et dans quelle mesure ce transfert doit être effectué.
En outre, dans certaines configurations, le système est muni d'un canal de communication 12 et d'un connecteur 13, permettant au module de supervision 8 d'échanger des informations avec d'autres éléments installés dans le véhicule, notamment des calculateurs pilotant les organes électroniques du circuit de bord. Un tel canal de communication est, par exemple, particulièrement utile pour informer les différents calculateurs de l'état de pleine charge ou de l'état de déplétion totale d'un des dispositifs de stockage. Par ailleurs, ce canal de communication 12 permet au module de supervision 8 de recevoir des données représentatives de l'état des différents organes électroniques du véhicule, données qui permettent, notamment, de prévoir les sollicitations à venir en termes de quantité d'énergie électrique.
Le module de supervision 8 permet ainsi la mise en oeuvre d'un procédé de gestion du stockage de l'énergie électrique comportant, dans une réalisation particulière, les étapes suivantes : - dans un premier temps, le module de supervision 8 reçoit, par l'intermédiaire des canaux 10 et 11, des données relatives aux dispositifs de stockage 1 et 2, telles que la charge électrique, la tension électrique ou la température interne de ces dispositifs, ou des données relatives aux conducteurs électriques 4, 5 et 6, telles que la valeur des courants électriques circulant dans ces conducteurs, - le module de supervision 8 reçoit également, par le biais du canal 12, des données concernant l'état de fonctionnement du système électrique du véhicule, telles que la quantité d'énergie électrique disponible dans le système de stockage, un mode de fonctionnement du système électrique du véhicule, ou encore une prévision des sollicitations énergétiques du système de stockage, et - en fonction de l'ensemble de ces paramètres, le module de supervision 8 détermine à tout instant un objectif de charge du second dispositif 2 de stockage, et la puissance électrique à échanger entre les dispositifs de stockage 1 et 2 au moyen du convertisseur 3, afin de contrôler le maintien de cet objectif, pour garantir à tout instant la disponibilité du système de commande. - A partir de cette détermination, le module de supervision émet un signal de commande en direction du convertisseur 3, par l'intermédiaire du canal de commande 9.
De par l'emploi d'un ou plusieurs des éléments précédemment décrits, il est ainsi possible de fournir un procédé de gestion du stockage de l'énergie électrique tel que le second dispositif de stockage, directement relié au circuit du véhicule, ne soit jamais entièrement chargé. Une telle situation permet au second dispositif 2 de stockage d'accepter, via les connecteurs 7, une quantité d'énergie produite par la chaîne de traction, par exemple lors d'une décélération du véhicule. En outre, le maintien dans un état de charge non vide permet d'assurer en permanence la possibilité, pour le second dispositif 2, de fournir de l'énergie électrique au circuit à alimenter, par exemple lors d'une accélération du véhicule au cours de laquelle le système de traction requiert l'apport d'une grande quantité d'énergie sur une courte période.
La présente invention n'est pas limitée aux systèmes disposant uniquement de deux dispositifs de stockage d'énergie électrique. Elle peut également être appliquée à tout système de stockage d'énergie comprenant plusieurs dispositifs de stockage de différents types.
L'invention ici présentée permet ainsi de fournir un procédé et un système permettant une gestion active de la répartition de puissance entre différents dispositifs de stockage d'énergie installé dans un véhicule.
Un tel système permet des économies d'énergie relativement conséquentes par rapport aux dispositifs de stockage connus de coût comparable puisque, du fait de la répartition de l'énergie en fonction du mode de fonctionnement du véhicule, il n'y a aucune perte d'énergie, puisque toute l'énergie produite lors de phases de roulage est stockée en vue d'une utilisation ultérieure. En outre, de par les caractéristiques complémentaires des différents dispositifs de stockage, cette invention permet de fournir un dispositif de stockage capable de fournir et d'accepter à la fois une puissance et une énergie électrique importantes.35

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Procédé de gestion de stockage d'énergie électrique dans un système de stockage comportant un premier (1) et un second (2) dispositifs de stockage reliés par un dispositif (3) convertisseur d'énergie, le second dispositif (2) étant destiné à alimenter un circuit électrique (7) de véhicule automobile, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on détermine des paramètres représentatifs d'un mode de fonctionnement du véhicule, - on détermine un objectif de charge du second dispositif (2), en fonction du mode de fonctionnement du véhicule, et - on pilote le convertisseur d'énergie de manière à autoriser un transfert d'énergie de l'un des dispositifs vers l'autre, de manière à atteindre et à maintenir l'état de charge du second dispositif de stockage au niveau de l'objectif de charge.
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape de déterminer, outre les paramètres représentatifs d'un mode de fonctionnement du véhicule, des paramètres d'état, représentant l'état des dispositifs de stockage (1, 2), et de piloter le convertisseur (3) en fournissant un signal de commande dépendant de ces paramètres.
3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel : - lorsque le véhicule fonctionne selon un mode urbain, au cours desquels les accélérations et décélérations sont fréquentes, l'objectif de charge est fixé à environ la moitié de la charge maximale du second dispositif, - lorsque le véhicule est un véhicule hybride en fonctionnement purement électrique, l'objectif de charge est fixé à 100% de la charge maximale du premier dispositif, et - lorsque le véhicule fonctionne selon un mode de fonctionnement extra urbain, au cours duquel la vitesse est relativement élevée et varie peu, l'objectif de charge est fixé à 0.
4. Procédé selon la revendication 3, comprenant en outre les étapes suivantes : - on détermine l'état de charge du premier (1) et/ou second (2) dispositif(s) de stockage, - si cet état est un état de pleine charge ou de déplétion totale, on transmet un message d'information à tous les calculateurs électroniques installés dans le véhicule.
5. Système de stockage d'énergie électrique, destiné à être installé dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier (1) et un second (2) dispositif de stockage d'énergie électrique, - un convertisseur (3) de puissance reliant les dispositifs de stockage (1,2), et permettant des transferts d'énergie de l'un à l'autre, - un module (8) de supervision des échanges d'énergie, permettant de déterminer un objectif de charge du second dispositif de stockage et de piloter le convertisseur (3) de puissance en fonction de cet objectif, par l'intermédiaire d'un canal de commande (9), et - des canaux de cheminement d'information (10, 11), permettant de relier le module de supervision (8) aux deux dispositifs de stockage,
6. Système selon la revendication 5, comprenant en outre un canal de communication (12) permettant de relier le module de supervision (8) à au moins un calculateur installé sur le véhicule, de manière à pouvoir recevoir des informations relatives à l'état de fonctionnement du véhicule.
7. Système selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le premier dispositif (1) de stockage dispose d'une puissance faible et d'une énergie importante, et le second dispositif (2) de stockage dispose d'une puissance importante et d'une énergie faible.
8. Système selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le premier dispositif (1) de stockage comprend une batterie d'accumulateurs électrochimiques.
9. Système selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel le second dispositif (2) de stockage comprend une batterie de supercondensateurs.
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