FR3007222A1 - Systeme de charge sans contact d'une batterie d'un vehicule automobile en mouvement, et procede correspondant - Google Patents

Abstract

Système de charge sans contact d'une batterie (3) d'un véhicule automobile (1) en mouvement, et procédé correspondant, le système comprenant : au moins une bobine primaire (4) disposée dans un tronçon de route (2) empruntable par le véhicule et apte à transférer de l'énergie par induction à une bobine secondaire (5) connectée à la batterie du véhicule automobile, et des moyens de commande (6) de la bobine primaire comportant des moyens de limitation de l'élévation de la température de la bobine primaire aptes à limiter la puissance émise par ladite bobine primaire à partir d'au moins un paramètre mesuré.

Description

Système de charge sans contact d'une batterie d'un véhicule automobile en mouvement, et procédé correspondant L'invention concerne la charge des batteries des véhicules automobiles à traction électrique ou hybride, en particulier la charge sans contact de ces batteries lorsque les véhicules sont en mouvement. On peut disposer dans un tronçon de route des bobines primaires qui sont destinées à alimenter des bobines secondaires disposées dans les véhicules qui roulent sur ces routes. Les véhicules automobiles à traction électrique ou hybride sont munis d'une batterie qui peut alimenter un groupe motopropulseur électrique et qui peut être relié à une bobine secondaire. En fournissant de l'énergie aux bobines secondaires à travers un circuit électronique et donc aux batteries par la route, on peut embarquer une quantité limitée d'énergie dans les batteries du véhicule et on peut donc réduire la taille et le coût de ces batteries. De manière classique, on dispose successivement une pluralité de bobines en cuivre dans des tronçons de route ou également des tronçons de voies rapides telles que des autoroutes. Le nombre de ces bobines doit être particulièrement élevé et l'on utilise donc une grande quantité de cuivre particulièrement coûteux. Par exemple, chaque bobine selon l'art antérieur peut fournir une puissance de l'ordre de 20 kW, et on peut équiper une route avec un ensemble de 2000 bobines. Ces bobines sont toutes commandées par un circuit de commande configuré pour que la bobine n'émette de l'énergie que lorsque le véhicule est disposé au-dessus de la bobine. De l'état de la technique antérieur, on connaît les documents suivants. Le document WO 2010 000495 et le document WO 2010 031593 décrivent l'implantation géométrique et la structure magnétique des bobines qui génèrent le flux magnétique ainsi que l'alimentation électrique de ces bobines.

Le document WO 2011 071344 et le document WO 2011 081400 décrivent une méthode pour commuter la puissance d'une bobine au sol à une autre en optimisant le rendement du transfert d' énergie.

Le document WO 2011 127449 et le document WO 2011 146661 décrivent une stratégie d'interopérabilité entre une base au sol et plusieurs types de véhicules, et un procédé pour piloter la puissance que le sol envoie au véhicule. Ces systèmes et procédés sont dédiés à une recharge statique.

Aucun de ces documents ne concerne la réduction du coût d'une installation. Aussi, ces documents visent une transmission à pleine puissance dans tous les cas de figures. Enfin, le document WO 2012 018268 décrit un dispositif de charge inductive, dont les bobines peuvent comprendre du fil de Litz en aluminium. Toutefois, ce document ne décrit pas de charge dynamique du véhicule, c'est-à-dire pour véhicule en mouvement. Au vu de ce qui précède, l'invention a donc pour but de réduire la masse et le coût des installations de charge, notamment les installations disposées dans des tronçons de route pour la charge des véhicules en mouvement. L'invention a également pour but de limiter la détérioration des installations. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un système de charge sans contact d'une batterie d'un véhicule automobile en mouvement.

Selon une caractéristique générale de cet aspect, le système comprend : au moins une bobine primaire disposée dans un tronçon de route empruntable par le véhicule et apte à transférer de l'énergie par induction à une bobine secondaire connectée à la batterie du véhicule automobile, et des moyens de commande de la bobine primaire comportant des moyens de limitation de l'élévation de la température de la bobine primaire aptes à limiter la puissance émise par ladite bobine primaire à partir d'au moins un paramètre mesuré.

On pourra par exemple choisir un paramètre représentatif de l'élévation de la température telle que la durée d'émission de puissance, c'est-à-dire la durée de fonctionnement de la bobine primaire, ou encore directement la température de la bobine primaire.

Ainsi, on peut utiliser une bobine primaire configurée ou dimensionnée pour être moins robuste que les bobines primaires connues de l'art antérieur, puisqu'on limite l'élévation de la température et donc l'élévation de la résistance et du vieillissement de ses bobines primaires.

Contrairement à l'art antérieur, on ne transmet pas toujours la valeur maximale de puissance autorisée. Les inventeurs ont observé qu'il n'était pas nécessaire de transmettre cette puissance maximale, notamment lorsque le véhicule est à l'arrêt ou lorsque le véhicule roule à faible vitesse. On peut donc limiter la puissance pour pouvoir utiliser des installations moins couteuses tout en permettant la charge des véhicules. Dans une première variante, le paramètre peut être la durée d'émission de puissance de la bobine primaire et les moyens de limitation peuvent comporter une cartographie de la puissance pouvant être émise par la bobine primaire en fonction de la durée d'émission de puissance. Cette cartographie permet de déterminer la puissance qui peut être émise en fonction d'une durée fournie en entrée de cette cartographie. On pourra obtenir cette cartographie par une étape préalable de calibration. Il convient de noter que pour un véhicule qui circule à vitesse élevée, la durée pendant laquelle la bobine primaire est en fonctionnement est courte. On pourra alors émettre une puissance maximale qui pourra ensuite décroître en fonction des données de la cartographie pour ensuite s'arrêter. Aussi, la mesure du temps est particulièrement aisée à mettre en oeuvre. Dans une deuxième variante, le paramètre peut être la température de la bobine primaire, les moyens de limitation comportant des moyens de détermination de la température de la bobine primaire et une cartographie de la puissance pouvant être émise par la bobine primaire en fonction de la température de la bobine primaire. Le système peut comporter des moyens de mesure de la température de la bobine primaire et/ou de la température d'un circuit électronique des moyens de limitation. Les moyens de détermination de la température de la bobine primaire peuvent comporter des moyens de mesure du courant circulant vers la bobine primaire et des moyens d'estimation de ladite température à partir de la valeur mesurée du courant. En utilisant un capteur qui mesure un courant et qui est nécessaire à la commande, on peut estimer simplement l'élévation de la température de la bobine primaire par rapport à la température ambiante, par exemple plus simplement qu'en disposant un capteur de température directement sur la bobine primaire. Le système peut comprendre en outre des moyens de mesure de la température ambiante. On améliore ainsi l'estimation de la température de la bobine primaire, et l'installation d'un capteur de température ambiante est plus simple que l'installation d'un capteur sur la bobine primaire. En particulier, on peut utiliser un capteur de température ambiante pour plusieurs bobines primaires de tronçons de route adjacents. La bobine primaire peut être dimensionnée pour émettre de la puissance nécessaire à un véhicule à l'arrêt.

Ainsi, alors que le véhicule est en mouvement, on utilise une bobine primaire qui n'est pas dimensionnée pour transmettre une puissance correspondant à la vitesse du véhicule mais qui correspond à un transfert d'énergie lorsque le véhicule est à l'arrêt. En d'autres termes, la bobine est sous-dimensionnée mais en utilisant les moyens de limitation de l'élévation de la température qui limite la puissance qui est transférée, on obtient une charge du véhicule avec une installation moins coûteuse, car nécessitant moins de matériaux tels que le cuivre ou de matériaux semi-conducteurs.

Le système peut comprendre en outre des moyens de refroidissement par conduction de la bobine primaire, notamment des moyens de refroidissement par conduction qui ne sont pas munis de moyens de refroidissement par circulation forcée d'un fluide.

La bobine primaire peut comporter de l'aluminium. Alors que dans l'art antérieur on utilise du cuivre pour les charges des véhicules en mouvement, ici on peut utiliser de l'aluminium. En outre, on peut utiliser une bobine massive, c'est-à-dire qui ne comporte pas de fil tressé (fil de Litz) pour améliorer la dissipation thermique. Aussi, l'aluminium est plus facilement recyclable. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de charge sans contact d'une batterie d'un véhicule automobile en mouvement. Selon une caractéristique générale du procédé : on transfère de l'énergie par induction au moyen d'une bobine primaire disposée dans un tronçon de route empruntable par le véhicule vers une bobine secondaire connectée à la batterie du véhicule, et on limite l'élévation de la température de la bobine primaire en limitant la puissance émise par ladite bobine primaire à partir d'au moins un paramètre mesuré. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un véhicule circulant sur une route munie de systèmes selon un mode de réalisation de l' invention, - la figure 2 illustre schématiquement un système selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 illustre schématiquement un système selon un autre mode de réalisation de l'invention, - les figures 4 et 5 sont des cartographies de puissance.

Sur la figure 1, on a représenté un véhicule automobile à traction électrique ou hybride 1 circulant sur une route 2. Le véhicule automobile 1 comprend une batterie d'alimentation 3 pouvant alimenter, notamment à travers un circuit, un groupe motopropulseur électrique du véhicule 1 et la batterie 3 de ce véhicule. Cette batterie 3 peut être chargée par exemple par raccordement d'un câble à un réseau électrique, par freinage régénératif, mais également par charge sans contact. Plus précisément, le véhicule 1 peut être chargé par charge sans contact au moyen de bobines primaires 4, ou boucles, disposées sous la route. Les bobines primaires 4 sont destinées à collaborer avec des bobines secondaires 5 disposées sous le véhicule 1. Lorsque le véhicule 1 circule sur la route, la bobine secondaire 5 est disposée en vis-à-vis des bobines 4 successives.

Sur la figure 1, on a également représenté des moyens de commande 6 pour chaque bobine primaire 4. Ces moyens de commande peuvent comprendre des moyens de limitation de l'élévation de la température de la bobine primaire, qui peut limiter la puissance émise par cette bobine.

Comme on le conçoit, un véhicule qui roule nécessite une puissance qui augmente avec la vitesse du véhicule. Pour être efficace, le système de charge sans contact doit alors fournir une énergie importante au véhicule si ce dernier roule vite. Aussi, lorsque le véhicule roule vite, la durée pendant laquelle les bobines primaires 4 et secondaire 5 se font face est courte. Il est donc nécessaire de transmettre une puissance élevée pendant une durée courte. Toutefois, cette transmission d'une puissance élevée est accompagnée de pertes et donc d'une élévation de température. Les moyens de commande 6 sont donc utilisés pour limiter ces pertes et ces élévations de température. On peut alors utiliser des installations moins onéreuses dont la limitation en puissance permet de prolonger la durée de vie de l'installation, par exemple de plusieurs décennies, tout en fournissant la puissance nécessaire aux véhicules attendue.

Sur la figure 2, on a représenté un exemple de système selon l'invention. Plus précisément, on a représenté deux systèmes adjacents compris dans des tronçons de route adjacents. Dans cette figure 2, un système comporte une bobine primaire 4 et des moyens de commande 6. Les moyens de commande comprennent des moyens de calcul 7, par exemple un microcontrôleur. Les moyens de calcul 7 communiquent avec des moyens de contrôle du courant 8 comprenant des transistors 9. Les transistors 9 peuvent être des transistors bipolaires à grille isolée. On peut commander les transistors 9 pour que les moyens de contrôle du courant 8 délivrent du courant qui circulera dans la bobine primaire 4. Dans la variante représentée sur la figure 2, on mesure la température de la bobine primaire 4. Cette mesure peut-être effectuée au moyen d'un capteur de température 10 disposé au contact de la bobine primaire 4 et d'un capteur de température 11 disposé au contact des transistors 9. Les informations délivrées par les capteurs de température 10 et 11 sont communiquées au moyen de calcul 7 qui peuvent limiter l'élévation de la température de la bobine primaire 4 en limitant la puissance émise par cette bobine en contrôlant le courant qui sera fourni par les moyens de contrôle du courant 8. Les moyens de calcul 7 peuvent notamment comprendre une cartographie ayant pour entrée la température de la bobine primaire 4. Sur la figure 3, on a représenté une variante de l'invention dans laquelle on estime la température de la bobine primaire 4. De ce fait, il n'est pas nécessaire de disposer un capteur de température au contact de la bobine primaire 4. Dans cette variante, les moyens de calcul 12 sont également aptes à estimer la température, au moyen des informations délivrées par un capteur de courant 13 disposé en sortie des moyens de contrôle du courant 8, et éventuellement au moyen d'un capteur de température ambiante 14. On peut noter que le capteur de température 14 peut être commun à plusieurs systèmes, et peut communiquer avec plusieurs moyens de calcul 12. On obtient ainsi une installation nécessitant moins de capteurs, et qui ne nécessite pas de capteur au contact des bobines primaires 4. Dans une autre variante non représentée, des moyens de calcul sont configurés pour déterminer le temps pendant lequel on émet de la puissance, et pour limiter la puissance émise en fonction de ce temps. Sur la figure 4, on a représenté une cartographie, par exemple une cartographie comprise dans des moyens de calcul qui commandent les moyens de contrôle du courant 8 décrits en se référant aux figures 2 et 3.

La cartographie de cette figure 4 a pour entrée la durée d'émission de puissance de la bobine primaire qui est mesurée. En sortie de cette cartographie, on peut lire la puissance limitée qui peut être émise par la bobine primaire. Pendant une première période Ti, on peut émettre une puissance PMAX1 de manière constante. La puissance PMAX1 est la puissance maximale pouvant être émise par une bobine primaire. Pour un véhicule qui circule à grande vitesse, le système peut rester dans la période Ti et émettre la puissance maximale pendant une durée prédéfinie.

Il convient de noter que la vitesse du véhicule peut être estimée par le système de charge sans contact, le passage du véhicule au dessus des boucles primaires étant détecté par exemple par un capteur de présence ou par une détection de variation de l'impédance de la boucle primaire. Ainsi, les moyens de limitation peuvent prendre en considération le temps à partir duquel le véhicule est alimenté par la bobine, le déclenchement de la bobine suivante, ou encore la détection d'une impédance trop faible aux bornes de la bobine. Après la période Ti, la puissance maximale pouvant être émise par la bobine primaire décroît lentement pour atteindre une valeur PMIN1. Pour un véhicule à l'arrêt, on applique donc une puissance élevée PMAX1 pendant une période Ti, puis la puissance décroît pour atteindre la valeur minimale constante PMIN1. Sur la figure 5, on a représenté une cartographie ayant pour entrée la température d'une bobine primaire. Cette cartographie peut être embarquée au sein des moyens de calcul 7 ou 12 décrits en se référant aux figures 2 et 3. Alors que la température augmente, pendant une première portion d'élévation de température T'l, on peut émettre une puissance qui est maximale PMAX2. Après avoir atteint un seuil de température, dans une deuxième portion d'élévation de la température T'2, la puissance maximale pouvant être émise par la bobine primaire peut décroître pour atteindre une valeur PMIN2. Grâce à l'invention, on peut utiliser des bobines primaires qui ne sont normalement pas destinées à être utilisées pour charger continuellement à la puissance requise pour des véhicules en mouvement, mais qui sont dimensionnées pour la puissance moyenne requise pour charger des véhicules à l'arrêt. Par exemple on peut utiliser des bobines destinées à fournir 2 kW alors que dans l'art antérieur on utilise des bobines destinées à fournir 20 kW. On peut également utiliser des matériaux tels que de l'aluminium pour réaliser les bobines, ou encore former des bobines massives, c'est-à-dire qui ne comporte pas de tressage de fils tels que des fils des Litz.

On peut également utiliser des systèmes de dissipation de chaleur, notamment par conduction avec une forte inertie thermique capable de filtrer les variations de température qui pourraient être engendrées par le fonctionnement impulsionnel. Et en limitant la puissance émise, on peut ne pas avoir à utiliser le système de refroidissement par circulation forcée d'un fluide, ces systèmes étant particulièrement complexes et onéreux à installer sur une voie de circulation pour une durée de l'ordre de plusieurs décennies. On obtient donc une réduction du coût de l'installation des systèmes de charge de route tout en permettant la charge des véhicules qui circulent sur cette route. Il convient de noter que l'invention trouve application pour l'alimentation des véhicules électriques tels que les véhicules automobiles mais également pour les véhicules destinés au transport en commun qui ne sont pas alimentés par des caténaires.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Système de charge sans contact d'une batterie (3) d'un véhicule automobile (1) en mouvement, caractérisé par le fait qu'il comprend : au moins une bobine primaire (4) disposée dans un tronçon de route (2) empruntable par le véhicule et apte à transférer de l'énergie par induction à une bobine secondaire (5) connectée à la batterie du véhicule automobile, et des moyens de commande (6) de la bobine primaire comportant des moyens de limitation de l'élévation de la température de la bobine primaire aptes à limiter la puissance émise par ladite bobine primaire à partir d'au moins un paramètre mesuré.
2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit paramètre est la durée d'émission de puissance de la bobine primaire (4) et les moyens de limitation comportent une cartographie de la puissance pouvant être émise par la bobine primaire en fonction de la durée d'émission de puissance.
3. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit paramètre est la température de la bobine primaire (4), les moyens de limitation comportant des moyens de détermination (7, 12) de la température de la bobine primaire et une cartographie de la puissance pouvant être émise par la bobine primaire en fonction de la température de la bobine primaire.
4. 4. Système selon la revendication 3, comportant des moyens de mesure de la température (10) de la bobine primaire et/ou de la température d'un circuit électronique des moyens de limitation (11).
5. 5. Système selon la revendication 3, dans lequel les moyens de détermination de la température de la bobine primaire comportent des moyens de mesure du courant (13) circulant vers la bobine primaire et des moyens d'estimation (12) de ladite température à partir de la valeur mesurée du courant.
6. 6. Système selon la revendication 5, comprenant en outre des moyens de mesure (14) de la température ambiante.
7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la bobine primaire (4) est dimensionnée pour émettre de la puissance nécessaire à un véhicule à l'arrêt.
8. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de refroidissement par conduction de la bobine primaire.
9. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la bobine primaire comporte de l'aluminium.
10. 10. Procédé de charge sans contact d'une batterie d'un véhicule automobile en mouvement, caractérisé en ce que, on transfère de l'énergie par induction au moyen d'une bobine primaire disposée dans un tronçon de route empruntable par le véhicule vers une bobine secondaire connectée à la batterie du véhicule, et on limite l'élévation de la température de la bobine primaire en limitant la puissance émise par ladite bobine primaire à partir d'au moins un paramètre mesuré.