FR3029708A1 - Procede et dispositif de charge d'une batterie d'un vehicule automobile a traction electrique limitant les pertes de charge - Google Patents

Abstract

Selon ce procédé de charge d'une batterie d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique au moyen d'un système de charge comprenant un filtre d'entrée (2), un étage redresseur (3) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation par l'intermédiaire du filtre d'entrée et un étage de sortie onduleur (4) destiné à être raccordé à la batterie, on estime les pertes électriques dans le chargeur à partir du courant fourni par le réseau et du courant de sortie de l'étage redresseur (3), on estime les pertes électriques dans la batterie à partir du courant de charge de la batterie, et l'on détermine une puissance de charge de manière à minimiser les pertes estimées.

Description

1 Procédé et dispositif de charge d'une batterie d'un véhicule automobile à traction électrique limitant les pertes de charge L'invention concerne un procédé et un dispositif de charge d'une batterie et, plus particulièrement, un procédé et un dispositif de charge d'une batterie de traction d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique. Un tel procédé et un tel dispositif peuvent être mis en oeuvre de manière embarquée, en étant intégrés dans un véhicule automobile, ou être mis en oeuvre au sein d'un chargeur séparé. Dans les systèmes de charge de batterie, notamment à haute tension, la puissance électrique du réseau est amenée à la batterie successivement au moyen de deux convertisseurs, à savoir un convertisseur abaisseur de tension (ou « buck ») et un convertisseur élévateur de tension (ou « boost »). Ces deux convertisseurs permettent respectivement d'abaisser et d'élever le rapport de tension entre leurs bornes de sortie et leurs bornes d'entrée, en ouvrant et en fermant successivement une série d'interrupteurs, à une fréquence qui est commandée en fonction du courant de sortie et/ou de la tension de sortie souhaitée. Or, pendant la charge, des pertes électriques peuvent exister dans le chargeur et dans la batterie. Ces pertes sont variables et dépendent de divers paramètres, tels que la puissance d'entrée, la tension et la température de la batterie, ... On cherche donc à optimiser les pertes du chargeur et de la batterie pour diminuer les coûts de la charge et augmenter la durée de vie de la batterie. Dans le document US,5,486,749, il est proposé d'optimiser les pertes de charge. Mais il s'agit de limiter les pertes lorsque l'on charge plusieurs batteries à la fois. On pourra également se référer au document WO 2011 019133 qui propose une optimisation du niveau de charge de la batterie en 3029708 2 fonction de divers paramètres tels que la position du véhicule, son accélération, sa décélération, ... Bien que le système décrit dans ce document permette de réduire les pertes globales du système de charge et d'augmenter la 5 durée de vie de la batterie, il s'agit de maintenir la charge de la batterie à son niveau de charge maximum, ce qui ne permet pas de réduire de manière suffisante les pertes et d'augmenter le rendement. On pourra enfin se référer au document FR 2 943 188 qui décrit un dispositif de charge rapide pour véhicule électrique.

10 Il a été constaté qu'une charge rapide à partir de la plus forte puissance électrique disponible n'est pas forcément celle qui minimise les pertes. En tout état de cause, lorsque la charge la plus rapide n'est pas nécessaire, par exemple lorsqu'on procède à la recharge d'un véhicule pendant la nuit, il peut être utile de diminuer la puissance de 15 charge pour minimiser les pertes globales dans le système de charge. Or, les pertes susceptibles d'apparaître dans le chargeur et dans la batterie ne constituent pas une fonction monotone avec la puissance d'entrée de sorte que la simple diminution de la puissance de charge ne permet pas nécessairement d'optimiser les pertes dans le système de 20 charge. Le but de l'invention est donc de pallier les inconvénients précités et de réduire les pertes susceptibles d'apparaître lors de la charge d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique.

25 L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un procédé de charge d'une batterie d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique au moyen d'un système de charge comprenant un filtre d'entrée, un étage redresseur destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation électrique par l'intermédiaire du 30 filtre d'entrée et un étage de sortie onduleur destiné à être raccordé à la batterie. Selon ce procédé, on estime les pertes électriques dans le chargeur à partir du courant fourni par le réseau et du courant de sortie de l'étage redresseur, on estime les pertes électriques dans la batterie 3029708 3 à partir du courant de charge de la batterie et l'on détermine une puissance de charge de manière à minimiser les pertes estimées. En d'autres termes, la puissance de charge est adaptée pour réduire les pertes qui sont estimées à partir d'une modélisation des 5 éléments entrant dans la constitution du système de charge. Avantageusement, le profil de charge est déterminé à partir d'un algorithme de type récursif minimisant les pertes estimées. On peut estimer les pertes de la charge en estimant les pertes dans le filtre d'entrée et en estimant les pertes dans l'étage redresseur, 10 dans l'étage onduleur, dans une partie des inductances de la machine électrique du véhicule partagées avec l'étage onduleur, et en estimant les pertes dans la batterie. Avantageusement, on estime les pertes dans l'étage redresseur, dans l'étage onduleur et dans lesdites inductances de la machine à 15 partir de la variation du courant de sortie de l'étage redresseur en fonction d'une consigne de courant de charge de la batterie. En ce qui concerne les pertes dans le filtre, on peut les estimer à partir de la variation du carré du courant du réseau. On peut par ailleurs estimer les pertes dans la batterie à partir 20 de la variation du carré du courant de charge de la batterie. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un dispositif de charge d'une batterie d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique, comprenant un filtre d'entrée, un étage redresseur destiné à être raccordé à un réseau 25 d'alimentation électrique par l'intermédiaire du filtre d'entrée et un étage onduleur destiné à être raccordé à la batterie, et comprenant des moyens pour estimer les pertes électriques dans le dispositif de charge à partir du courant fourni par le réseau et d'un courant de neutre, des moyens pour estimer les pertes électriques dans la batterie à partir du 30 courant de charge de la batterie, et des moyens pour déterminer la puissance de charge de manière à minimiser les pertes estimées. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement 3029708 4 à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un dispositif de charge d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention ; 5 - la figure 2 est un schéma illustrant la modélisation du système de charge permettant l'estimation des pertes dans le chargeur et dans la batterie ; - la figure 3 est une courbe montrant l'évolution de la consigne de courant de neutre en fonction de la consigne de courant de charge 10 de la batterie ; - les figures 4a, 4b, 4c et 4d sont des courbes montrant respectivement l'évolution, en fonction du temps, de la puissance de charge, du rendement, de la charge de la batterie et des pertes grâce à un procédé et à un dispositif de charge selon l'invention ; 15 - les figures 5a, 5b, 5c et 5d sont des courbes montrant respectivement l'évolution, en fonction du temps, de la puissance de charge, du rendement, de la charge de la batterie et de la puissance au moyen d'un procédé de charge conventionnel à puissance maximale ; et 20 - la figure 6 est un tableau montrant le gain en énergie consommée lors d'une charge au moyen d'un profil de charge optimisé. On se référera tout d'abord à la figure 1 qui représente de manière schématique un dispositif de charge 1 d'une batterie d'un 25 véhicule automobile à traction électrique à partir d'un réseau d'alimentation ici triphasé, selon un mode de réalisation de l' invention. Le dispositif de recharge 1 comprend un étage de filtrage 2, un étage redresseur abaisseur de tension 3 couplé à l'étage de filtrage 2, 30 et un étage onduleur 4 élévateur de tension couplé à l'étage abaisseur de tension 3 via une machine électrique 5, en l'espèce le moteur électrique de traction du véhicule. Le dispositif 1 est ici, par exemple, destiné à être couplé à une alimentation triphasée. Il comprend trois bornes B1, B2, B3 couplées en 3029708 5 entrée de l'étage de filtrage 2, et aptes à être couplées à un réseau d'alimentation. On notera toutefois qu'en recharge monophasée, seules les entrées B1 et B2 seraient couplées à un réseau d'alimentation monophasé.

5 Chaque borne d'entrée B1, B2 et B3 est couplée à une branche de filtrage de l'étage de filtrage 2. Chaque branche de filtrage comprend deux branches en parallèle, portant l'une une inductance de valeur L2 et l'autre portant en série une inductance de valeur L1 et une résistance de valeur R.

10 Ces deux branches de filtrage sont chacune couplées en sortie en un point respectivement nommé D1, D2, D3 pour chacune des branches de filtrage, à un condensateur de capacité C, les extrémités opposées des condensateurs de capacité C étant reliées entre elle pour former un filtre capacitif en étoile. L'ensemble des résistances de 15 valeurs R, des inductances de valeurs L1 ou L2, et des condensateurs de capacité C constitue un filtre de type RLC à l'entrée de l'abaisseur de tension 3. L'étage abaisseur de tension 3 est couplé à l'étage de filtrage 2 par les points D1, D2 et D3. L'abaisseur de tension 3 comprend trois 20 branches parallèles 6, 7 et 8, portant chacune deux interrupteurs tels que Sin et Sip commandés par une unité de régulation 15 et deux diodes. Chaque entrée D1, D2 ou D3 de l' abaisseur de tension est connectée, respectivement par une branche F1, F2 et F3 à un point de 25 connexion situé entre deux interrupteurs Si. et Si), S2, et Sep ou San et Sap d'une même branche, respectivement 6, 7 et 8. Les extrémités communes des branches 6, 7 et 8 constituent deux bornes de sortie de l'abaisseur de tension 3. L'une des bornes est reliée à la borne « - » de la batterie B ainsi qu'à une première entrée 30 10 de l'étage élévateur de tension 4. L'autre de ces bornes est connectée à une première borne d'une inductance dont l'autre borne est couplée au neutre de la machine électrique 5, dont l'autre borne est connectée à une seconde entrée 10' de l'élévateur de tension 4.

3029708 6 L'étage élévateur de tension 4 comprend ici trois branches parallèles 11, 12 et 13 comprenant chacune une diode D4, D5 et D6 associée à un interrupteur S4, S5 et S6. Ces interrupteurs sont pilotables par l'unité de régulation 15 de manière indépendante. Les 5 interrupteurs S4, S5 et S6 sont situés sur des branches reliant la première entrée 10 de l'élévateur de tension 4 et la borne « + » de la batterie B. Comme on le voit, la batterie B est connectée en parallèle sur les trois branches 11, 12 et 13 de l'étage élévateur de tension.

10 La machine électrique 5 est ici assimilable à trois branches parallèles comprenant chacune une résistance Rtd en série avec une bobine d'inductance Ltd et raccordée entre la diode D4, D5 ou D6 et l'interrupteur pilotable S4, S5 et S6 correspondant des branches respectives 11, 12 et 13.

15 On voit enfin sur la figure 1 que le dispositif de recharge 1 est complété par un organe 16 de mesure du courant de sortie I. de l'étage abaisseur de tension 3. Ce courant I. est désigné dans le cadre de la présente description par le terme de courant de neutre en raison du fait que ce courant arrive au niveau d'une interconnexion en étoile des 20 trois bobinages statoriques de la machine électrique 5, en sortie de l'étage abaisseur 3. Le dispositif de recharge est encore complété par un organe 17 de mesure du courant prélevé sur le réseau. Ces courants de mesure sont délivrés à l'unité de régulation 15 25 pour, notamment, déterminer, comme cela est connu, le rapport cyclique de signaux de commande de commutation des interrupteurs des étages abaisseur et élévateur de tension, constitués par exemple par des transistors. Il s'agit de préférence de transistors permettant une commutation rapide, par exemple des transistors de type IGBT 30 (Insulation Gate Bipolar Transistor). L'unité de régulation assure également une compensation des harmoniques créées lors du fonctionnement de l'étage abaisseur 3 et susceptibles d'être injectées dans le réseau après avoir été amplifiées par le filtre d'entrée 2.

3029708 7 L'unité de régulation procède également à une estimation des pertes électriques qui se produisent dans le chargeur et dans la batterie pour adapter la puissance de charge de manière à diminuer les pertes estimées.

5 Il s'agit en particulier d'utiliser des modèles du chargeur et de la batterie pour déterminer les pertes et, en fonction de ces pertes, appliquer un algorithme d'optimisation pour les minimiser. En référence à la figure 2, et comme cela sera décrit en détail par la suite, les pertes sont modélisées à partir d'un premier étage I 10 modélisant les pertes dans le chargeur à partir de la puissance de charge, d'un deuxième étage II modélisant les pertes dans la batterie à partir du courant de charge Ibatt(t) de la batterie fourni par un troisième étage III de calcul, à partir de la puissance de sortie et de la tension de la batterie.

15 On procède ainsi, en premier lieu, à une modélisation de l'étage de filtrage 2, de l'ensemble comprenant l'étage redresseur 3, l'étage onduleur 4 et la machine 5, et de la batterie. Il a été constaté qu'une modélisation efficace des pertes consiste à faire une caractérisation des pertes pour différents points de 20 fonctionnement, sur banc de test. En ce qui concerne la modélisation de l'étage de filtrage 2, on considère que les pertes dépendent directement de la moyenne quadratique RMS (pour « Root Mean Square ») du courant 19 qui circule dans le filtre. Les pertes de charge dans le filtre pertesf,itNe sont 25 ainsi données par la relation suivante : Pertesf, tre = 0,56051,2 (1) dans laquelle 12 désigne la moyenne quadratique du courant 30 délivré par le réseau. En ce qui concerne la modélisation de l'ensemble comprenant l'étage de filtrage 2, l'étage redresseur 3, l'étage onduleur 4 et la machine électrique 5, ces pertes sont estimées à partir de la moyenne 3029708 8 quadratique du courant de neutre, c'est-à-dire du courant de sortie de l'étage abaisseur de tension 3. On suppose que les pertes dépendent ici de la moyenne quadratique du courant de neutre. En triphasé, par exemple, la 5 moyenne quadratique du courant de neutre est égale ou est très proche de la valeur de consigne. En monophasé, la valeur de consigne est variable mais la modélisation des pertes reste estimée à une valeur constante La valeur de consigne de courant de neutre dépend de la 10 puissance demandée par le chargeur. Cette consigne de courant de neutre est ainsi déterminée en fonction de la puissance pour garantir des marges de fonctionnement suffisantes pour mettre en oeuvre la régulation de puissance. On notera qu'il existe, au sein du chargeur, une cartographie, 15 visible sur la figure 3, donnant l'évolution de la valeur de consigne In 'g du courant de neutre en fonction de la valeur de consigne ibat req du courant de charge de la batterie demandé par le chargeur, c'est-à-dire le rapport entre la puissance demandée et la tension de la batterie. La figure 3 illustre que pour une même puissance demandée, la 20 consigne de courant de neutre diminue quand la tension de la batterie augmente. Le rendement du chargeur s'améliore ainsi pour une puissance donnée. Par exemple, pour une puissance de 43 kW à une tension de 300 volts en début de charge, la consigne de courant de charge de la 25 batterie est à 143 A c'est-à-dire 43 000/300. La consigne du courant de neutre est d'environ 180 A. En fin de charge à 380 volts, la consigne du courant de charge de la batterie sera de 113 A (43 000/380). La consigne de courant de neutre est alors aux environs de 140 A. Comme le courant de neutre est plus faible, il y a moins de pertes en fin de 30 charge. On peut également constater sur la figure 3 que pour des très faibles puissances demandées, c'est-à-dire pour une valeur hat req proche de 0, la valeur de consigne de courant de neutre n'est pas nulle, ce qui explique le mauvais rendement du chargeur à faible puissance.

3029708 9 Lorsque la valeur de consigne du courant de charge de la batterie est définie à un instant donné, on extrait de la cartographie la valeur de consigne du courant de neutre. Comme la dynamique de la régulation de puissance est plus rapide que la dynamique de variation 5 des variables de la batterie, notamment la tension, on suppose qu'à tout instant de l'algorithme d'optimisation de la charge, le courant de neutre est égal à sa valeur de consigne. Au vu de ce qui précède, les pertes dans l'étage redresseur, dans l'étage onduleur et dans la machine électrique, notées Pertes, n, 10 sont données par la relation : Pertes n 0/10/n2 (2) dans laquelle I. est la moyenne quadratique du courant de neutre, par hypothèse égal à sa valeur de consigne obtenue à partir de 15 la valeur de consigne du courant de charge de la batterie ibat req. Enfin, la batterie est modélisée à partir d'un modèle cartographié du type : V baii(t) E 0 - R - I ba'(t) (3) 20 dans laquelle les paramètres E0 et R sont des paramètres extraits d'une cartographie et dépendent de l'état de charge de la batterie et de la température. La température est considérée comme constante. L'état de charge de la batterie est calculé à partir de la relation 25 suivante : SOC(t)=SOC(t0)-100 CN(t) (4) CNO avec : C,(1)- 3600 21 ri /), '(t). dr (5) ° 30 et CNO désigne la capacité nominale de la batterie en ampères.heure, 3029708 10 CN(t) désigne la capacité de la batterie au cours du temps en ampères.heure, t étant une variable de temps, tO désignant un instant initial. On notera que les cartographies donnant les paramètres Eo et R 5 ainsi que la capacité CNo nominale de la batterie sont obtenues par des essais. Au vu de ce qui précède, les pertes provenant de la batterie sont calculées à partir de la relation : 10 Pertes bai, = R - I bats (1)2 (6) A partir des pertes modélisées, on procède à la mise en oeuvre d'un procédé d'optimisation de la charge permettant d'élaborer à chaque instant t une puissance de charge et minimisant les pertes 15 estimées. Il s'agit en d'autres termes de minimiser une fonction correspondant à la somme des pertes estimées dans le chargeur, des pertes estimées dans la batterie et de pertes annexes. On notera que les étapes de modélisation et d'optimisation de 20 la puissance de charge peuvent être mises en oeuvre au moyen de l'unité de régulation 15. Par exemple, les pertes annexes sont évaluées à 150 watts et correspondent aux dépenses énergétiques dans les consommateurs auxiliaires du véhicule, tels que les cartes de contrôle, la planche de 25 bord, ... Pour minimiser cette fonction, on utilise un algorithme de type gradient. La réduction des pertes globales est décomposée en une multitude de réductions élémentaires dont le seul degré de liberté est 30 la puissance de charge à l'instant t. On choisit par exemple d'optimiser la puissance de charge toutes les secondes. Ainsi, pour une charge de deux heures, on associera 7200 optimisations, (soit 3600 x 2) ce qui conduira à la définition d'un profil optimal de charge sur cette durée de charge.

3029708 11 Chaque optimisation est initialisée aléatoirement entre une puissance minimum et une puissance maximum de charge. On posera par exemple : puissance minimum de charge purin = 980 watts ; et 5 puissance maximum de charge p.. = 42 900 watts. On a représenté sur les figures 4a à 4d les résultats obtenus grâce à un procédé selon l'invention. On a représenté sur la figure 4a l'évolution du profil de charge permettant de maximiser le rendement à chaque instant.

10 La figure 4b montre l'évolution du rendement du système global en fonction du temps. La figure 4c montre l'évolution de l'état de charge de la batterie en fonction du temps, et la figure 4d montre l'évolution des pertes dans l'étage de filtrage (courbe A), l'évolution des pertes dans 15 le reste du chargeur (courbe B) et l'évolution des pertes dans la batterie (courbe C). En référence aux figures 5a à 5d, qui correspondent à une charge rapide, c'est-à-dire sur une borne dédiée, et qui montrent respectivement l'évolution de la puissance de charge (figure 5a), du 20 rendement (figure 5b), de l'état de charge (figure 5c), et des pertes (figure 5d) dans l'étage de filtrage (courbe A'), dans le reste du chargeur (courbe B') et dans la batterie (courbe C'), en comparant ces courbes avec celles des figures 4a à 4d, on constate que les pertes sont fortement minimisées et le rendement est considérablement augmenté.

25 En référence à la figure 6, le gain énergétique avec un profil de charge optimisé en fonction des pertes estimées, par rapport à une charge à puissance maximale constante est de l'ordre de 7,7%.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de charge d'une batterie d'un véhicule automobile à traction au moins partiellement électrique au moyen d'un système de charge comprenant un filtre d'entrée (2), un étage redresseur (3) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation par l'intermédiaire du filtre d'entrée et un étage de sortie onduleur (4) destiné à être raccordé à la batterie, caractérisé en ce que l'on estime les pertes électriques dans le chargeur à partir du courant fourni par le réseau et du courant de sortie de l'étage redresseur (3), on estime les pertes électriques dans la batterie à partir du courant de charge de la batterie, et on détermine une puissance de charge de manière à minimiser les pertes estimées.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine la puissance de charge à des instants successifs de manière à élaborer un profil de charge en fonction du temps.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le profil de charge est déterminé à partir d'un algorithme de type récursif minimisant les pertes estimées.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on estime les pertes dans le chargeur en estimant les pertes dans le filtre d'entrée (2), en estimant les pertes dans l'étage redresseur (3), dans l'étage onduleur (4), et dans une partie des inductances de la machine électrique du véhicule partagées avec l'étage onduleur, et en minimisant les pertes dans la batterie.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on estime les pertes dans l'étage redresseur, dans l'étage onduleur et dans lesdites inductances de la machine, à partir de la variation du courant de sortie de l'étage redresseur en fonction d'une consigne de courant de charge de la batterie.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel on estime les pertes dans le filtre à partir de la valeur RMS du courant du réseau. 3029708 13
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel on estime les pertes dans la batterie à partir de la valeur au carré du courant de charge de la batterie.
8. 8. Dispositif de charge d'une batterie d'un véhicule automobile 5 à traction au moins partiellement électrique, comprenant un filtre d'entrée (2), un étage redresseur (3) destiné à être raccordé à un réseau d'alimentation électrique par l'intermédiaire du filtre d'entrée et un étage onduleur (4) destiné à être raccordé à la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (15) pour estimer les 10 pertes électriques dans le dispositif de charge à partir du courant fourni par le réseau et du courant de sortie de l'étage redresseur, des moyens (15) pour estimer les pertes électriques dans la batterie à partir du courant de charge de la batterie, et des moyens pour déterminer la puissance de charge de manière à minimiser les pertes 15 estimées.