FR3015139A1 - Systeme de communication entre un vehicule electrique et sa borne de charge - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'envoi de données d'un consommateur d'un courant électrique vers un fournisseur dudit courant. Le procédé comporte une étape de conversion des données, par le consommateur, en des valeurs d'une consigne de puissance à consommer. Il comporte également une étape de mesure, par le fournisseur, de la puissance effectivement consommée par le consommateur. Il comporte également une étape de conversion, par le fournisseur, des mesures de puissance en lesdites données. Application : véhicules électriques ou hybrides

Description

Système de communication entre un véhicule électrique et sa borne de charge La présente invention concerne un système de communication entre un véhicule électrique et sa borne de charge. Elle s'applique notamment aux véhicules automobiles électriques ou hybrides.
Dans le contexte actuel de consensus autour du réchauffement climatique, la diminution des émissions de dioxyde de carbone (CO2) est un défi majeur auquel sont confrontés les constructeurs automobiles, les 10 normes étant toujours plus exigeantes en la matière. Outre l'amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, qui s'accompagne d'une baisse des émissions de CO2, les véhicules électriques (« EV » d'après la terminologie anglo-saxonne « Electric Vehicle ») et les véhicules hybrides thermique-électrique (« HEV » 15 d'après la terminologie anglo-saxonne « Hybrid Electric Vehicle ») sont aujourd'hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour diminuer les émissions de CO2. Dans la suite de la présente demande, l'expression « véhicules électriques » désigne indifféremment les véhicules électriques et les véhicules hybrides thermique-électrique, y compris les véhicules « plug- 20 in » hybride selon la terminologie anglo-saxonne, c'est-à-dire les véhicules hybrides rechargeables. Comme c'est le cas pour toute nouvelle technologie, la technologie des véhicules électriques est confrontée au problème des coûts, qu'il est nécessaire de considérer si l'on veut permettre l'industrialisation et l'émergence du marché des véhicules électriques. Ainsi, 25 un problème est celui de la baisse du coût du système de communication entre la borne de recharge et le véhicule électrique. En effet, pour recharger une batterie, une borne de recharge doit connaître certaines informations comme les caractéristiques de la batterie et son état de charge par exemple. 30 On connaît par exemple du brevet FR2947129 une méthode et un dispositif de communication entre un véhicule électrique et sa borne de recharge par utilisation de courants porteurs en ligne (CPL). Une telle solution offre certes des performances exceptionnelles en termes de débit d'information transférée, ainsi qu'en robustesse au brouillage. Mais un inconvénient majeur d'une telle solution est qu'elle nécessite un modulateur et un démodulateur dont le coût n'est pas négligeable.
La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients précités, notamment de fournir une méthode de communication à moindre coût entre un véhicule électrique et sa borne de recharge. Pour cela, l'invention s'appuie notamment sur des moyens d'électronique de puissance déjà présents dans les systèmes actuels, qu'elle propose de piloter de manière innovante. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'envoi de données d'un consommateur d'un courant électrique vers un fournisseur dudit courant. Il comporte une étape de conversion des données, par le consommateur, en des valeurs d'une consigne de puissance à consommer. Il comporte également une étape de mesure, par le fournisseur, de la puissance effectivement consommée par le consommateur. Il comporte également une étape de conversion, par le fournisseur, des mesures de puissance en lesdites données. Dans un mode de réalisation avantageux, les données étant une concaténation de bits à 0 et de bits à 1, l'étape de conversion des données par le consommateur peut inclure de traduire les bits à 0 en au moins une première valeur prédéterminée de la consigne de puissance et de traduire les bits à 1 en au moins une deuxième valeur de la consigne de puissance, lesdites première et deuxième valeurs étant distinctes. Dans un mode de réalisation préférentiel, la première valeur de la consigne de puissance peut être une valeur basse et la deuxième valeur de 30 la consigne de puissance peut être une valeur haute, telles que la valeur basse est strictement inférieure à la valeur haute. Par exemple, l'étape de conversion des mesures de puissance par le fournisseur peut inclure de traduire en un bit à 0 les valeurs mesurées qui sont inférieures à un seuil prédéterminé et de traduire en un bit à 1 les 35 valeurs mesurées qui sont supérieures au seuil.
Le seuil peut être égal à la moitié de la somme de la valeur basse et de la valeur haute de la consigne de puissance. Par exemple, les données peuvent inclure une quantité d'énergie, une durée maximale de fourniture d'énergie ou encore une puissance de 5 fourniture préconisée. Mais tous les types de données peuvent être echangées. La présente invention a également pour objet un dispositif de recharge d'une batterie incluant un chargeur qui consomme un courant 10 électrique et une borne de recharge qui fournit ledit courant électrique. Le dispositif comporte des moyens matériels et logiciels pour mettre en oeuvre un tel procédé d'envoi de données du chargeur vers la borne de recharge. La présente invention a enfin pour objet un véhicule électrique ou 15 hybride comportant une batterie de traction (103) apte à être rechargée par un tel dispositif. 20 La présente invention a donc pour principal avantage que, en se passant d'un modulateur et d'un démodulateur dédiés, elle diminue non seulement le coût, mais également l'encombrement, le poids et les risques de défaillance, qui sont autant de paramètres clés dans la conception d'un véhicule. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, par un diagramme d'architecture, un exemple de 30 réalisation selon l'invention ; - les figures 2a, 2b, 2c et 2d, par des graphes, un exemple de chronologie des traitements selon l'invention. 3015 13 9 4 Le but de l'invention est donc de transmettre de l'information depuis un système à recharger quel qu'il soit, notamment un véhicule électrique 10 comportant une batterie de traction 103, vers un système de recharge, par exemple une borne de recharge 11 connectée au véhicule électrique 10 via un câble de charge 14. La borne 11 est quant à elle connectée à un réseau de distribution d'électricité via une connexion 115. Mais il faut bien comprendre que le présent exemple de réalisation n'a été choisi par la demanderesse qu'à titre illustratif et qu'il ne peut en aucun cas être interprété comme limitatif de la portée de l'invention : ainsi, il n'échappera pas à l'homme du métier que la présente invention pourrait s'étendre à tout système comprenant des moyens d'accumulation d'énergie électrique, par exemple une batterie stationnaire installée dans un bâtiment à haute qualité environnementale, en connexion avec tous moyens de production d'électricité, par exemple des moyens de type photovoltaïque ou éolien agencés sur le toit du bâtiment. Typiquement, les informations à transmettre entre le véhicule 10 et sa borne de recharge 11 peuvent inclure la quantité d'énergie nécessaire à la recharge et la durée maximale de recharge. A cette fin, un principe de base de l'invention est qu'un calculateur 102 embarqué dans le véhicule 10 pilote un chargeur 101 lui-aussi embarqué dans le véhicule 10, de manière à transmettre vers la borne de recharge 11 un message contenant les informations, ceci en faisant varier la puissance reçue par le véhicule 10 via le câble de charge 14. Dans la borne 11, le message est traité par un calculateur 114. Dans le présent exemple de réalisation, le chargeur 10 est monodirectionnel : il est capable de charger la batterie 103, mais pas de la décharger. Si le chargeur 10 est d'un type tel qu'il peut fournir une puissance nulle, alors dans ce cas il peut soit charger la batterie 103 à une puissance donnée P_nominale non nulle, soit ne pas la charger du tout, ce qui correspond à une puissance P_faible=0. Mais certains chargeurs, notamment parmi ceux pour véhicules électriques, ne peuvent pas fournir de puissance en-dessous du kilowatt, alors dans ce cas le chargeur 10 peut soit charger à la puissance donnée P_nominale définie précédemment, soit charger à une puissance P_faible très faible mais non nulle. A des fins de réalisme, l'hypothèse est faite dans la suite de la présente demande que le chargeur 10 fait partie de ceux ne pouvant fournir de puissance en-dessous du kilowatt : des valeurs réalistes de P_nominale et P_faible sont alors 2kW (kilowatts) et 1 kW respectivement. La présente invention se fonde d'abord sur l'adaptation automatique de la borne de charge 11 à la demande du chargeur 101. En effet, la borne 11 fournit automatiquement au chargeur 101 la puissance qu'il demande ou, en d'autres termes, la puissance fournie par la borne 11 s'adapte naturellement à une consigne de puissance CP donnée par le chargeur 101. Donc si la borne 11 mesure la puissance qu'elle délivre, elle peut en déduire la consigne de puissance CP donnée par le chargeur 101, ceci sans qu'aucun message transite réellement sur le câble de charge 14. La borne de charge 11 est dotée, par conception, de moyens 111 de mesure de la puissance. En effet, il faut bien que la borne 11 connaisse la quantité d'énergie qu'elle délivre, à des fins de facturation notamment. Pour cela, la borne 11 mesure et mémorise la puissance qu'elle fournit ainsi que la durée pendant laquelle cette puissance est fournie. Le message à transmettre est la concaténation d'informations binaires, c'est-à-dire composé d'une suite de bits à 0 ou à 1. Le calculateur 102 convertit ces bits à 0 ou à 1 en les deux niveaux de puissance P_nominale et P_faible. Par exemple, un bit à 0 peut correspondre à une puissance P_faible, un bit à 1 peut correspondre à une puissance P_nominale.
La présente invention se fonde également sur la possibilité de discrimination entre les valeurs de puissance pour transmettre et recevoir un message : les deux valeurs de puissance 2kW et 1kW sont assez différentes pour être discriminées. Elles sont mesurées par les moyens de mesure 111 de la borne 11. Dans le présent exemple basique de réalisation, le signal de puissance mesuré PM peut être comparé à un seuil S fixé à la moitié de la somme P_nominale + P_faible. Cette comparaison est réalisée par le calculateur 114. Si la puissance mesurée PM est supérieure au seuil S, le système de conversion que constitue le calculateur 114 considère alors avoir reçu un bit à 1. Si la puissance mesurée PM est inférieure ou égale au seuil S, le système de conversion que constitue le calculateur 114 considère alors avoir reçu un bit à 0. Ce niveau logique correspond à un seul bit du message. Les bits ainsi décodés les uns après les autres sont concaténés pour former le message reçus par la borne.
Dans l'ordre chronologique, la figure 2a illustre un exemple de suite de bits à 0 et à 1 envoyés au fil du temps t par le véhicule 10, la figure 2b illustre les valeurs de la consigne de puissance CP correspondante générée au fil du temps t par le calculateur 102, la figure 2c illustre la puissance PM mesurée ensuite par les moyens 111 au fil du temps t et mise en regard du seuil S (les oscillations locales sont dues au bruit de mesure). La figure 2d illustre les bits finalement décodés au fil du temps t par comparaison au seuil S grâce au calculateur 114 dans la borne 11.
Une méthode plus robuste que la comparaison au seuil S peut être d'utiliser une technique de traitement du signal plus élaborée, comme la corrélation avec un signal de référence. De manière plus générale, toutes les techniques utilisées en détection et localisation d'impulsions, par exemple dans le domaine du traitement du signal pour les radars, peuvent être employées.
Ces méthodes connues de l'homme du métier ne sont pas l'objet de la présente invention. Par la suite est détaillé un exemple typique de message à transmettre pour répondre aux besoins du véhicule 10. Il ressort de cet exemple que l'application de l'invention à un véhicule électrique nécessite le transfert de très peu d'information. Ainsi, des informations en vue de redondance peuvent être ajoutées dans le message transmis sans pour autant pénaliser les temps de transmission. A titre d'exemple, un encodage de type ReedSolomon, connu pour être utilisé dans l'encodage des informations contenues sur un disque optique numérique, peut être utilisé pour augmenter la robustesse de la transmission. Ainsi, le véhicule 10 peut par exemple communiquer les informations suivantes à la borne 11 : - quantité d'énergie en wattheure encodée par exemple sur 10 bits : cela permet de couvrir la plage de 0 à 102,4 kWh avec une résolution de 0.1 35 kWh ; - horaires en heures avec une résolution d'un quart d'heure : une profondeur de 72 heures est avantageuse pour gérer des recharges allant du vendredi après-midi au lundi matin (il faut alors 288 valeurs, soit 9 bits, le véhicule 10 codant l'heure de fin de charge en écart par rapport à l'heure de début de charge, c'est-à-dire une durée de recharge) ; - puissance moyenne préférée par le véhicule 10, codée par exemple sur 8 bits avec une résolution de 1kW : cela couvre une plage très étendue de 1 kW à 255 kW, qui englobe les futurs chargeurs étudiés en Allemagne pour les véhicules électriques.
Dans cet exemple comprenant seulement trois informations à transmettre, soit environ 30 bits, même avec un débit très lent de 1 baud (soit 1 bit par seconde), en 30 secondes la borne 11 a reçu le message en intégralité. Ces 30 secondes sont à mettre en regard des heures de charge nécessaires : elles sont négligeables. Dans une variante de l'invention non décrite dans la présente demande, la borne de charge 11 pourrait transférer en retour au véhicule 10 des informations comme l'heure optimale de recharge ou le coût de la recharge. En tout état de cause, ces informations sont donnés à titre d'exemple uniquement, n'importe quelle autre information pouvant être échangée selon le mode de réalisation qui précède. Dans encore une autre variante de l'invention, plusieurs niveaux de puissance pourraient être utilisés pour transférer plus de bits dans une même durée. Par exemple, avec les quatre niveaux de puissance suivants : 1 kW, 2kW, 3kW, 4kW, il serait possible de transférer deux bits. Cette approche à plusieurs niveaux d'une grandeur (tension ou puissance par exemple) est appelée encodage à multiniveau. C'est ce genre d'encodage qui est utilisé dans les mémoires flash en informatique. L'intérêt de cette variante est de réduire le temps nécessaire à la transmission d'un message. L'invention a donc pour principal avantage de détourner judicieusement certains moyens de leur fonction initiale, grâce à un système 35 de pilotage simple réalisé sous forme logicielle : le surcoût en matériel est nul. Il faut noter d'ailleurs noter que, tous les chargeurs étant pilotables, au moins pilotables en « tout ou rien », ils permettent tous de transmettre de l'information selon les principes de l'invention.
Un autre avantage de l'invention est la robustesse de la communication, cette robustesse étant principalement due à deux facteurs : - la durée de la communication, voire même la durée d'un élément d'information : plus cette durée est longue, plus la communication est robuste, sachant que cette durée est flexible et peut être ajustée pour remplir un cahier des charges ; - la facilité avec laquelle la borne 11 peut discriminer deux niveaux de puissance.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé d'envoi de données d'un consommateur d'un courant électrique vers un fournisseur dudit courant, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de conversion des données, par le consommateur, en des valeurs d'une consigne (CP) de puissance à consommer ; - une étape de mesure, par le fournisseur, de la puissance (PM) effectivement consommée par le consommateur ; - une étape de conversion, par le fournisseur, des mesures de puissance (PM) en lesdites données.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, les données étant une concaténation de bits à 0 et de bits à 1, l'étape de conversion des données par le consommateur inclut de traduire les bits à 0 en au moins une première valeur prédéterminée de la consigne de puissance (CP) et de traduire les bits à 1 en au moins une deuxième valeur de la consigne de puissance, lesdites première et deuxième valeurs étant distinctes.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première valeur de la consigne de puissance est une valeur basse (P_faible) et la deuxième valeur de la consigne de puissance est une valeur haute (P_nominale), telles que la valeur basse est strictement inférieure à la valeur haute.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de conversion des mesures de puissance (PM) par le fournisseur inclut de traduire en un bit à 0 les valeurs mesurées qui sont inférieures à un seuil (S) prédéterminé et de traduire en un bit à 1 les valeurs mesurées qui sont supérieures au seuil.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le seuil (S) est égal à la moitié de la somme de la valeur basse (P_faible) et de la valeur haute (P_nominale) de la consigne de puissance (CP). 3015 13 9 10
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les données incluent les informations suivantes : - une quantité d'énergie et/ou ; - une durée maximale de fourniture d'énergie et/ou ; 5 - une puissance de fourniture préconisée.
  7. 7. Dispositif de recharge d'une batterie (103), caractérisé en ce que, le dispositif incluant un chargeur (101) qui consomme un courant électrique et incluant une borne de recharge (11) qui fournit ledit courant électrique, 10 le dispositif comporte en outre des moyens matériels (102, 14, 111) et logiciels pour mettre en oeuvre un procédé d'envoi de données du chargeur vers la borne de recharge selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15
  8. 8. Véhicule électrique ou hybride (10) caractérisé en ce qu'il comporte une batterie de traction (103) apte à être rechargée par un dispositif selon la revendication 7.
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