FR3017830A1

FR3017830A1 - Procede de recharge d'un stockeur d'energie electrique d'un vehicule automobile

Info

Publication number: FR3017830A1
Application number: FR1451502A
Authority: FR
Inventors: Damien Pierre Sainflou; Rad Sabrine M
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-08-28
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: FR3017830B1

Abstract

Dans ce procédé de recharge d'un véhicule automobile, le véhicule comporte un stockeur (100) d'énergie électrique présentant à ses bornes une première tension (u1) dont la valeur maximale est supérieure à 50 V, un convertisseur (106) de tension et un moyen (108) de connexion électrique, interface utilisateur pour le raccordement à un réseau de distribution électrique extérieur au véhicule, présentant à ses bornes une seconde tension (u2). Le procédé comporte une première étape de recharge consistant à transférer de l'énergie électrique vers le stockeur (100) au moyen du convertisseur (106) et à commander la seconde tension (u2) avec une valeur constante de tension inférieure à 50 V.

Description

PROCEDE DE RECHARGE D'UN STOCKEUR D'ENERGIE ELECTRIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention se rapporte à un procédé de recharge d'un stockeur d'énergie électrique d'un véhicule automobile, ainsi qu'à un véhicule automobile mettant en oeuvre un tel procédé. L'invention appartient au domaine des véhicules dits « plug-in », tels que les véhicules électriques ou hybrides rechargeables. On appelle véhicule « plug-in » un véhicule comportant au moins un stockeur d'énergie électrique, aussi appelé batterie dans la suite du document, pouvant être rechargé via un raccordement à un réseau de distribution d'électricité extérieur à ce véhicule. Ce réseau de distribution est par exemple un réseau électrique domestique fournissant un courant alternatif sous une tension électrique de 110 V ou de 230 V.

Habituellement, une batterie comporte des cellules électrochimiques comprenant tous types de technologies, ou encore des condensateurs (ou capacités électriques). Ces cellules ou condensateurs sont regroupés en un ou plusieurs modules et sont connectés entre eux en série ou en parallèle. Les véhicules plug-in comportent généralement deux batteries : une batterie de servitude et une batterie de traction. La batterie de servitude permet l'alimentation des organes du véhicule consommateurs d'électricité de faible puissance, généralement de l'ordre de quelques centaines de watts. Elle délivre un courant continu et la tension à ses bornes est relativement basse, usuellement 12 V.

La batterie de traction permet d'alimenter une machine électrique pour entraîner des roues motrices du véhicule. Cette batterie délivre un courant continu sous une tension plus élevée, généralement comprise entre 36 et 400 V. On connaît du document EP-A-2 228 882 un procédé pour la recharge d'une batterie de traction et d'une batterie de servitude d'un véhicule sur un réseau de distribution électrique. Un tel procédé de recharge nécessite que l'utilisateur du véhicule manipule une prise présentant à ses bornes un courant alternatif sous une tension électrique supérieure à 60 V, ce qui peut présenter un danger d'électrisation grave pour l'utilisateur du véhicule. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur.

Dans ce but, la présente invention propose un procédé de recharge d'un véhicule automobile dans lequel le véhicule comporte : - un stockeur d'énergie électrique présentant à ses bornes une première tension dont la valeur maximale est supérieure à 50 V ; un convertisseur de tension ; un moyen de connexion électrique, interface utilisateur pour le raccordement à un réseau de distribution électrique extérieur au véhicule, présentant à ses bornes une seconde tension ; le procédé étant remarquable en ce qu'il comporte une première étape de recharge consistant à : - transférer de l'énergie électrique vers le stockeur au moyen du convertisseur de tension ; et - commander la seconde tension avec une valeur constante de tension inférieure à 50 V.

Ainsi, l'invention permet à l'utilisateur de recharger un stockeur d'énergie électrique d'un véhicule en raccordant ce véhicule à un réseau électrique de distribution au moyen d'une prise dont la tension ne présente pas de danger d'électrisation grave pour cet utilisateur. Selon une caractéristique particulière, lors de la première étape, la seconde tension est comprise entre 10 V et 15 V. Selon une caractéristique particulière, le convertisseur applique un courant il aux bornes du stockeur et lors de la première étape, l'intensité de ce premier courant est comprise entre 1 A et 5 A. Selon une caractéristique particulière, le procédé de recharge 25 comporte en outre une deuxième étape de recharge consistant à commander la seconde tension mentionné plus haut avec une valeur constante de tension égale à celle de la première étape. Selon une caractéristique particulière, la première étape précède la deuxième étape. 30 Selon une caractéristique particulière, lors de la deuxième étape le convertisseur est arrêté. Selon une caractéristique particulière, le procédé de recharge comporte en outre une étape d'initialisation de la recharge, précédant la première étape, l'étape d'initialisation comportant une sous-étape consistant 35 à mesurer et comparer à un premier seuil l'état de charge du stockeur.

Selon une caractéristique particulière, l'étape d'initialisation comporte en outre une sous-étape consistant à mesurer et comparer à un deuxième seuil la température du stockeur. L'invention concerne également un dispositif de recharge d'un véhicule automobile, mettant en oeuvre des étapes d'un tel procédé de recharge. Dans le même but, l'invention a aussi pour objet un véhicule automobile comportant un dispositif de recharge tel que brièvement décrit plus haut.

L'invention sera mieux comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple nullement limitatif et en référence aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un dispositif de recharge d'un véhicule mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention, dans un mode particulier de réalisation ; - la figure 2 illustre des étapes d'un procédé de recharge, dans un mode particulier de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 un graphique illustrant l'évolution temporelle des puissances électriques lors de la mise en oeuvre du procédé de recharge de la figure 2. La figure 1 illustre un dispositif de recharge d'un véhicule automobile comportant une prise de recharge 108 et un premier stockeur d'énergie électrique 100, dit batterie de traction.

La prise de recharge 108 permet de connecter le véhicule à un réseau de distribution électrique extérieur au véhicule. La batterie de traction 100 permet d'alimenter une machine électrique (non représentée) par l'intermédiaire d'un onduleur (non représenté) pour entraîner des roues motrices (non représentées) du véhicule. Cette batterie de traction 100, par exemple de technologie lithium-ion, délivre un courant continu. La tension aux bornes de la batterie de traction 100 est supérieure à 36 V, généralement inférieure à 400 V et est par exemple comprise dans une plage de fonctionnement de 180 à 260 V. La valeur maximale de la tension u1 de la batterie de traction 100 est supérieure à 50 V. Un second stockeur d'énergie électrique 102, dit batterie de servitude, est installé dans le véhicule pour l'alimentation d'organes électriques du véhicule consommant une faible puissance. Par exemple, la batterie de servitude 102 est de type L3 / 76 A.h (Ampère.heure). Le niveau d'énergie dans la batterie de servitude 102 peut être surveillé par un estimateur de charge (non illustré). La tension aux bornes de la batterie de servitude 102 varie selon les conditions de roulage du véhicule et est généralement comprise entre 6 et 16 V. Elle est par exemple égale à 12,3 V lorsque la batterie 102 n'est pas sollicitée et est généralement égale à 14,4 V lorsque le véhicule se déplace. Avantageusement, la tension aux bornes de la batterie de servitude 102 est limitée à une valeur maximale de 16 V pour éviter d'endommager les composants électriques des organes alimentés par cette batterie. Par ailleurs, une tension supérieure à 16 V présenterait un risque d'endommagement et d'accélération du vieillissement de cette batterie 102. En variante, la batterie de servitude 102 peut délivrer un courant continu sous une tension proche de 48 V. Un premier convertisseur 106 de tension est installé dans le véhicule pour relier électriquement la batterie de servitude 102 et la batterie de traction 100. Le premier convertisseur 106 permet de transférer de l'énergie entre la batterie de servitude 102 et la batterie de traction 100 et d'adapter la tension entre ces deux batteries. Le premier convertisseur 106 permet d'alimenter la batterie de traction 100 avec une tension ul et un courant i1. La prise 108 est liée électriquement à la batterie de servitude 102 au moyen d'un câble électrique. La tension aux bornes de la prise 108 est donc égale, lors de la recharge, à la tension aux bornes de la batterie de servitude 102, aux pertes électriques en ligne près dans ce câble. Ainsi, le premier convertisseur 106 permet de transférer de l'énergie entre la prise de recharge 108 et la batterie de traction 100. La batterie de traction 100 et le premier convertisseur 106 comportent chacun un calculateur électronique de contrôle.

Par exemple, le calculateur de contrôle de la batterie de traction 100 surveille la tension et/ou l'intensité du courant aux bornes de cette batterie et le calculateur de contrôle du premier convertisseur 106 surveille la tension et/ou l'intensité du courant aux bornes de ce convertisseur. Le calculateur de contrôle du premier convertisseur 106 permet 35 également de commander le transfert de puissance entre la prise de recharge et la batterie de traction 100.

Le premier convertisseur 106 peut fonctionner en mode abaisseur de tension ou en mode élévateur de tension. En mode abaisseur de tension, généralement utilisé lorsque le véhicule se déplace, le transfert de puissance est effectué de la batterie de traction 100 vers la prise de recharge 108. En mode élévateur de tension, le transfert de puissance est effectué de la prise de recharge 108 vers la batterie de traction 100. Le réseau de distribution électrique, extérieur au véhicule, comporte une prise de raccordement 116. Ce réseau de distribution est par exemple un réseau domestique délivrant un courant alternatif de 16 A (Ampère) au 10 maximum, sous une tension de 110 V ou de 230 V. La prise 116 peut être raccordée à la prise de recharge 108, interface utilisateur pour le raccordement du véhicule au réseau de distribution électrique, au moyen d'un câble de recharge 110. Le câble de recharge 110 est muni d'un second convertisseur 104 de tension extérieur au véhicule. Le 15 second convertisseur 104 de tension comporte à ses extrémités des prises électriques 112 et 114. Par mesure de sécurité, le second convertisseur 104 peut comporter une isolation renforcée, sans partie métallique accessible. Le second convertisseur 104 de tension permet de transférer de l'énergie entre la prise 116 du réseau de distribution et la prise de recharge 20 108. Le second convertisseur 104 de tension permet de fournir à la prise 108 du véhicule, un courant continu i2, sous une tension u2, sans échange d'informations avec le véhicule. Le courant i2 délivré par le convertisseur 104 au niveau de la prise 25 108 permet de recharger la batterie de servitude 102 et de fournir au premier convertisseur 106 un courant pour la recharge de la batterie de traction 100. Pour la recharge de la batterie de traction 100 et de la batterie de servitude 102, le câble de recharge 110 est connecté, d'une part, au réseau de distribution électrique par l'intermédiaire de la prise 116 et d'autre part, au 30 véhicule par l'intermédiaire de la prise de recharge 108. Conformément à l'invention, le procédé de recharge limite la valeur de la tension u2 aux bornes de la prise 108 à une valeur maximale de 50 V. Cette tension, délivrée en courant continu, ne présente pas de danger d'électrisation grave pour l'utilisateur du véhicule. 35 Par exemple, la tension u2 est comprise entre 10 V et 15 V. Dans le cas particulier où la batterie de servitude 102 est déchargée, la tension u2 est plus faible. Elle est par exemple comprise entre 6 et 10 V.

En variante, le second convertisseur 104 peut délivrer à la prise 108 un courant alternatif, sous une tension inférieure à 50 V. Cela permet d'assurer la sécurité de l'utilisateur du véhicule en courant alternatif en le préservant des risques d'électrocution.

Afin d'éviter la projection de métal lors d'un débranchement sous charge de la prise électrique 112, le moyen de protection du second convertisseur 104 peut limiter l'intensité du courant i2 à une valeur maximale de 32 A. Pour éviter d'endommager la batterie de servitude 102, le courant i2 dépend de la puissance de recharge du véhicule et ne doit pas dépasser 20% à 25% de l'ampérage capacitaire de cette batterie. Par exemple, pour une batterie de servitude de type L3 / 76 A.h, on peut limiter, par l'intermédiaire du second convertisseur 104, l'intensité du courant i2 à une valeur maximale de 17,3 A.

La puissance nominale appliquée par le second convertisseur 104 aux bornes de la prise 108 est inférieure à 2300 W. Par puissance nominale, on entend la puissance maximale pouvant être délivrée aux bornes de la prise 108 en régime permanent. Avantageusement, une puissance nominale comprise entre 200 W et 20 300 W permet de recharger en 2 à 6 heures (par exemple la nuit) les batteries 100 et 102 du véhicule. L'énergie utile des batteries 100 et 102 est généralement comprise entre 100 et 1000 W.h (Watt.heure). Le second convertisseur 104 peut comporter un moyen de protection, logiciel et/ou matériel, pour limiter la tension à une valeur inférieure à 50 V 25 aux bornes de la prise 108. La figure 2 illustre des étapes d'un procédé de recharge de la batterie de traction 100 et de la batterie de servitude 102. Dans une étape d'initialisation 210 de la recharge, un calculateur appelé superviseur (non illustré) du véhicule vérifie les conditions permettant 30 de débuter sans risque la recharge des batteries du véhicule. Ces conditions d'initialisation de la recharge peuvent par exemple être : - présence de tension aux bornes de la prise de recharge 108 et détection de la connexion de la prise électrique 112 avec la prise de recharge 108 ; 35 - envoi d'un signal de réveil du premier convertisseur 106 et de la batterie de traction 100 par le second convertisseur 104 de tension ; - mesure de l'état de charge de la batterie de traction 100 et vérification que cet état de charge est supérieur à un seuil prédéterminé, par exemple 20% ; - mesure de température de la batterie 100 et vérification qu'elle est inférieure à un seuil prédéterminé de température. Par exemple pour une technologie de batteries au plomb, ce seuil de température est inférieur à 60°C et pour des batteries Lithium-ion il est inférieur à 50°C. Lorsque les conditions de l'étape 210 sont vérifiées, la recharge est activée et le second convertisseur 104 informe le calculateur de la batterie de traction 100 et du premier convertisseur 106 de l'activation de la recharge. Conformément à l'invention, dans une première étape 220 de recharge : - le premier convertisseur 106 est commandé en mode élévateur de tension et transfert de l'énergie électrique vers la batterie de traction 100 ; et - le second convertisseur 104 est commandé avec une tension u2 constante, inférieure à 50 V. L'intensité du courant il appliqué par le premier convertisseur 106 aux bornes de la batterie de traction 100 peut être comprise entre 1 A et 5 A, par exemple égale à 2 A. La valeur de la tension u2 est par exemple comprise entre 10 V et 15 V. Les calculateurs de la batterie de traction 100 et du premier convertisseur 106 sont maintenus actifs durant la recharge. L'alimentation des autres calculateurs du véhicule est coupée pour limiter les risques liés au vieillissement de leurs composants électroniques. En effet, ces composants ont une durée de vie en fonctionnement de l'ordre de 10 000 heures, inférieure à la durée cumulée des recharges du véhicule, de l'ordre de 50 000 heures.

L'alimentation de l'onduleur et par conséquent de la machine électrique de traction, est coupée pour éviter le déplacement du véhicule durant la recharge. Une partie de la puissance de recharge étant utilisée pour recharger la batterie de servitude 102, la puissance maximale du premier convertisseur 106 peut être limitée à 200 W, ce qui est suffisant pour la recharge de la batterie de traction 100.

Lorsque l'état de charge de la batterie de traction 100 atteint un seuil prédéterminé, par exemple 80%, on passe à une deuxième étape 230 de recharge, dans laquelle : - le premier convertisseur 106 est arrêté et l'intensité du courant il est égale à 0 A ; et - le second convertisseur 104 est commandé avec une tension u2 constante, égale à celle de la première étape 220 de recharge. Ainsi, la tension u2 est commandée avec une valeur constante durant les première et deuxième étapes 220 et 230 de recharge.

Lors des étapes 220 et 230 de recharge, lorsque les conditions d'arrêt de la recharge sont vérifiées, on passe à une étape 240 d'arrêt de la recharge. Ces conditions d'arrêt peuvent par exemple être : - détection de la mise en route du véhicule ; - débranchement de la prise électrique 112 ; - durée totale de recharge supérieure à une valeur prédéfinie. La durée de recharge est définie pour que le niveau d'énergie maximum de la batterie de servitude 102 ne soit pas durablement dépassé durant la recharge. Par exemple, pour une batterie de servitude de type L3 / 76 A.h, une durée de recharge égale à 6 heures est bien adaptée.

Dans l'étape 240, le second convertisseur 104 est coupé et la recharge des batteries du véhicule est arrêtée, tous les calculateurs du véhicule sont coupés, puis on retourne à l'étape d'initialisation 210. La figure 3 illustre l'évolution temporelle des puissances électriques lors des étapes du procédé de recharge précédemment décrit.

L'instant tO correspond au début de la première étape 220 de recharge. La puissance se répartit entre les pertes électriques dans le dispositif de recharge, la puissance de recharge de la batterie de traction 100 et la puissance de recharge de la batterie de servitude 104. Lors des étapes 220 et 230 de recharge, les convertisseurs 104 et 106, de même que les batteries 100 et 102, fonctionnent avec une puissance limitée et les pertes électriques sont faibles. Les convertisseurs 104 et 106 ainsi que les batteries 100 et 102 ne nécessitent donc pas d'être refroidis par un système de refroidissement actif pendant toute la recharge, consommateur de puissance.

Par exemple, en considérant une puissance de 150 W dans le premier convertisseur 106 de tension et un rendement de 90%, les pertes électriques sont de l'ordre de 15 W. Ces pertes sont facilement évacuées sous forme de chaleur dans l'air ambiant, par exemple par convection naturelle du convertisseur 106. Pour limiter l'échauffement des convertisseurs 104 et 106, un système de déclassement (en anglais « derating ») peut être intégré aux convertisseurs 104 et 106. Le système de « derating » limite l'intensité du courant dans les convertisseurs lorsque des seuils de température sont atteints. A l'instant t1, on passe à la deuxième étape 230 de recharge, le premier convertisseur 106 est coupé et la puissance de recharge se répartit entre les pertes électriques dans le dispositif et la puissance de recharge de la batterie de servitude 104. Par exemple, la durée de recharge entre les instants tO et t1 est comprise entre 2 et 4 heures. A partir de l'instant t2, on constate que la puissance de recharge de la batterie de servitude 104 diminue progressivement. La réduction de puissance de recharge de la batterie de servitude 104 se fait de façon naturelle, jusqu'à l'instant t3 où on passe à l'étape 240 d'arrêt de la recharge. Par exemple, à l'instant t2 l'intensité du courant i2 est égale à 7 A et diminue progressivement jusqu'à une valeur de 500 mA après 2 heures de recharge avec une tension constante u2 qui peut être comprise entre 10 V et 15 V, par exemple égale à 14,4 V. Ainsi, la mise en oeuvre d'un procédé de recharge d'un stockeur d'énergie électrique d'un véhicule automobile suivant l'invention permet à un utilisateur de ce véhicule de le raccorder à un réseau électrique de distribution au moyen d'une prise électrique dont la tension ne présente pas de danger d'électrisation grave pour cet utilisateur.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de recharge d'un véhicule automobile dans lequel ledit véhicule comporte : - un stockeur (100) d'énergie électrique présentant à ses bornes une première tension (ul) dont la valeur maximale est supérieure à 50 V, - un convertisseur (106) de tension ; - un moyen (108) de connexion électrique, interface utilisateur pour le raccordement à un réseau de distribution électrique extérieur audit véhicule, présentant à ses bornes une seconde tension (u2) ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une première étape (220) de recharge consistant à : - transférer de l'énergie électrique vers ledit stockeur (100) au moyen dudit convertisseur (106) ; et - commander ladite seconde tension (u2) avec une valeur constante de tension inférieure à 50 V.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (220), ladite seconde tension (u2) est comprise entre 10 V et 15 V.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, ledit convertisseur (106) appliquant un premier courant (il ) aux bornes dudit stockeur (100), caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (220), l'intensité dudit premier courant (il ) est comprise entre 1 A et 5 A.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en qu'il comporte en outre une deuxième étape (230) de recharge consistant à commander ladite seconde tension (u2) avec une valeur constante de tension égale à celle de ladite première étape (220).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite première étape (220) précède ladite deuxième étape (230).
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lors de ladite deuxième étape (230) ledit convertisseur (106) est arrêté.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape (210) d'initialisation de la recharge, précédant ladite première étape (220), ladite étape (210) d'initialisation comportant une sous-étape consistant à mesurer et comparer à un premier seuil l'état de charge dudit stockeur (100).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite étape (210) d'initialisation comporte en outre une sous-étape consistant à mesurer et comparer à un deuxième seuil la température dudit stockeur (100).
9. Dispositif de recharge d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre des étapes d'un procédé de recharge selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de recharge selon la revendication 9.10