FR3092946A1 - Procede de regulation de la tension d’un bus d’un systeme hybride, et dispositif et systeme associe - Google Patents
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Abstract
procédé
de régulation de la tension d’un bus d’un système hybride, et Dispositif et système associé
Un aspect de l’invention concerne un procédé de régulation de la tension
d’un bus d’un système hybride (SY) par une puissance de contrôle
, ledit système comprenant un bus (BU), un élément de stockage principal (SP) connecté sur ledit bus (BUS) et un élément de stockage complémentaire (SC) connecté sur ledit bus (BU) par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC (DC) et fournissant la puissance de contrôle de tension
, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend : une étape (E1) de détermination de la tension de bus
; une étape (E2) de détermination d’un premier paramètre de régulation
à partir de la tension de bus
et d’une tension de bus maximale
; une étape (E2’) de détermination d’un deuxième paramètre de régulation
à partir de la tension de bus
et d’une tension de bus minimale
; une étape (E3) de détermination, à partir du premier paramètre de régulation
et du deuxième paramètre de régulation
, d’une consigne de puissance de contrôle
à fournir par l’élément de stockage complémentaire (SP).
Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2
Description
Le domaine technique de l’invention est celui des systèmes hybrides et des techniques de régulation de la tension de bus des systèmes hybrides. La présente invention concerne un procédé de régulation de la de la tension d’un bus d’un système hybride par une puissance de contrôle et en particulier un procédé dans lequel la régulation s’effectue à partir de deux valeurs définissant un intervalle de tensions acceptables à l’aide de fonctions de contrôle.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Un système hybride est un système qui comprend généralement un bus, un élément de stockage principal connecté sur ledit bus et un élément de stockage complémentaire connecté sur ledit bus par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC. Un système hybride fournit une puissance à une charge en fonction de la demande. Cette puissance peut être puisée dans l’élément de stockage principal ou bien alors dans l’élément de stockage complémentaire par l’intermédiaire du convertisseur DC/DC. La répartition de ces contributions est calculée par un système de régulation qui va choisir de fournir la puissance à partir de l’élément de stockage principal et/ou à partir de l’élément de stockage complémentaire. Pour cela, un asservissement de puissance est implémenté à la stratégie de contrôle de façon à pouvoir commander la valeur de puissance qui passe de l’élément de stockages complémentaire vers le bus à travers du convertisseur DC/DC. Dans cette approche d’asservissement de puissance, le convertisseur DC/DC servira d’élément d’action capable d’extraire de la puissance de l’élément de stockage complémentaire quand la stratégie de contrôle envoie une consigne de puissance.
La répartition de puissance entre élément de stockage principal et élément de stockage complémentaire pour respecter le bilan de puissance doit être faite de sorte à minimiser les pertes totales (i.e. maximiser le rendement). Les caractéristiques des éléments de stockages doivent être prises en compte sur la gestion de la répartition de la puissance. Ainsi, si l’élément de stockage principal est une super capacité, ce dernier doit être responsables de fournir les composantes de hautes fréquences (temps de réponse court et faible contenu énergétique) et l’élément de stockage complémentaire étant quant à lui sollicitées pour fournir les composantes de fréquences plus faibles de façon à rester proche de la zone de meilleur rendement la majorité du temps.
La régulation du système hybride va se faire par une limitation de la tension du bus. De manière générale, cette régulation est effectuée au moyen d’une tension de référence, comme par exemple dans le document CN104701882 A. Une méthode à partir de deux valeurs limites a également été proposée dans le document US20040065489 A mais la prise en compte de ces limites se fait de manière discontinue. Une étude du domaine conduit à l’observation suivante : l’asservissement est toujours effectué à l’aide d’une tension de référence fixe (avec contrôle continu) ou par la prise en compte de limites de tension de façon discontinue (avec des actions du type machine d’état) pour ramener la tension à une valeur de référence calculée. Or, dans les deux cas, les méthodologies de contrôle brident le potentiel d’optimisation du fait de l’utilisation d’une régulation de tension à une référence imposant un comportement dynamique aux autres sources et/ou l’utilisation de limites comme évènements pour effectuer la régulation de sorte à ramener la tension à sa valeur de référence ; l’optimisation n’étant alors pas considérée dans le processus de régulation du système hybride
Il existe donc un besoin d’un procédé qui permettent une souplesse dans l’évolution de la tension de vus tout en assurant une régulation continue de cette tension.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant la régulation de la tension de bus à partir de deux valeurs définissant un intervalle de tensions acceptables à l’aide de fonctions de contrôle.
Un aspect de l’invention concerne un procédé de régulation de la tension d’un bus d’un système hybride par une puissance de contrôle , ledit système comprenant un bus, un élément de stockage principal connecté sur ledit bus et un élément de stockage complémentaire connecté sur ledit bus par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC et fournissant la puissance de contrôle de tension . Le procédé selon un premier aspect de l’invention comprend :
- une étape de détermination de la tension de bus
- une étape de détermination d’un premier paramètre de régulation
- une étape de détermination d’un deuxième paramètre de régulation
- une étape de détermination, à partir du premier paramètre de régulation
Grâce à l’invention, la régulation ne se fait pas à partir d’une tension de bus qu’il faudrait maintenir proche d’une tension de référence mais à partir de deux valeurs de la tension de bus définissant un intervalle à respecter. Cette utilisation d’un intervalle plutôt qu’une valeur de consigne autorise beaucoup de souplesse dans la valeur que peut prendre la tension de bus et par voie de conséquence, beaucoup de souplesse dans l’optimisation lorsque cette dernière est active.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé selon un premier aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Avantageusement, l’élément de stockage complémentaire est associé à au moins un paramètre de fonctionnent et l’étape de détermination d’une consigne de puissance de contrôle fournie par l’élément de stockage complémentaire SP est fonction dudit paramètre de fonctionnement.
Avantageusement, l’élément de stockage complémentaire est associé à au moins un paramètre de fonctionnement et la tension de bus maximale et la tension de bus minimale sont fonctions dudit paramètre de fonctionnement.
Ainsi, il est possible de prendre en compte dans la régulation des paramètres de fonctionnement de l’élément de stockage complémentaire tels que l’état de santé ou bien encore l’état de charge par exemple.
Avantageusement, l’élément de stockage principal est associé à au moins un paramètre de fonctionnement et la tension de bus maximale et la tension de bus minimale sont fonctions dudit paramètre de fonctionnement.
Ainsi, il est possible de prendre en compte dans la régulation des paramètres de fonctionnement de l’élément de stockage principal tels que l’état de santé ou bien encore l’état de charge par exemple.
Avantageusement, l’étape de détermination d’un premier, respectivement deuxième, paramètre de régulation comprend :
- une première sous-étape de détermination de l’écart entre la tension de bus
- une deuxième sous-étape de détermination du premier, respectivement du deuxième, paramètre de régulation à partir dudit écart.
Un second aspect de l’invention concerne un dispositif comportant les moyens pour mettre en œuvre un procédé selon un premier aspect de l’invention.
Un troisième aspect de l’invention concerne un système hybride comprenant un bus, un élément de stockage principal connecté sur ledit bus, un élément de stockage complémentaire connecté sur ledit bus par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC et un dispositif selon un second aspect de l’invention.
Un quatrième aspect de l’invention concerne un programme d'ordinateur comprenant des instructions qui conduisent le dispositif selon un deuxième aspect de l’invention ou un système selon un troisième aspect de l’invention à exécuter les étapes d’un procédé selon un premier aspect de l’invention.
Un cinquième aspect de l’invention concerne un support lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le programme d'ordinateur selon un quatrième aspect de l’invention.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D’ AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L’INVENTION
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
Un premier aspect de l’invention illustré à la figure 1 concerne un procédé 100 de régulation de la de la tension d’un bus d’un système hybride par une puissance de contrôle . Le système hybride SY comporte un bus BU, un élément de stockage principal SP connecté sur ledit bus BU et un élément de stockage complémentaire SC connecté sur ledit bus BU par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC. De plus, l’élément de stockage complémentaire SC fournit la puissance de contrôle de tension . Autrement dit, la tension de bus va être régulée par la puissance de contrôle fournie par l’élément de stockage complémentaire SC. Un tel système hybride SY est illustré à la figue 2. Dans un mode de réalisation, une électronique de contrôle EC commande le convertisseur DC/DC de sorte à ce que ce dernier fournisse la puissance de contrôle de tension. L’électronique de contrôle EC peut également être reliée à un moyen de mesure de la tension de bus . L’élément de stockage principal SP peut être un super condensateur (ou une super capacité), une batterie ou tout autre moyen de stockage réversible. L’élément de stockage complémentaire SC peut être un moyen de stockage réversible ou non réversible. De même, l’élément de stockage complémentaire SC peut être composé d’une pluralité d’unités de stockage réversibles et/ou non réversibles.
Le procédé 100 selon un premier aspect de l’invention comprend une étape E1 de détermination de la tension de bus . On notera que la puissance fournie par l’élément de stockage principal SP est fonction de cette tension de bus au travers de la relation où est le courant fourni par l’élément de stockage principale SP. De plus la puissance de contrôle la puissance de charge demandée et la puissance fournie par l’élément de stockage principale SP sont liées au travers de la formule suivante :
où est la puissance fournie par l’élément de stockage principal SP, est la puissance de contrôle fournie par l’élément de stockage complémentaire SC et est la puissance d’optimisation également fournie par l’élément de stockage complémentaire SC. On comprend donc que la puissance de contrôle détermine la puissance que doit fournir l’élément de stockage principal SP et donc l’évolution de la tension de bus . Autrement dit, l’élément de stockage complémentaire SC permet de réguler la tension sur le bus par l’intermédiaire de la puissance de contrôle . De plus, il permet d’optimiser le fonctionnement du système hybride SY par l’intermédiaire de la puissance d’optimisation . Seule la régulation de la tension de bus sera détaillée, l’optimisation n’étant pas l’objet central de la présente invention. Il est cependant important de noter que l’optimisation est rendue plus efficace par la souplesse que donne la régulation selon la présente invention dans les valeurs que peut prendre la tension de bus . Dans cette configuration, la puissance fournie par l’élément de stockage principal SP est donnée par la relation :
Le procédé 100 selon un premier aspect de l’invention comprend également une étape E2 de détermination d’un premier paramètre de régulation à partir de la tension de bus et d’une tension de bus maximale . Il comprend en outre une étape E2’ de détermination d’un deuxième paramètre de régulation à partir de la tension de bus et d’une tension de bus minimale .
Dans un mode de réalisation, l’étape E2, E2’ de détermination d’un premier, respectivement deuxième, paramètre de régulation comprend une première sous-étape E21, E21’ de détermination de l’écart entre la tension de bus et la tension de bus maximale noté , respectivement la tension de bus minimale noté . Autrement dit, et . Elle comprend également une deuxième sous-étape E22, E22’ de détermination du premier paramètre de régulation , respectivement du deuxième paramètre de régulation , à partir dudit écart.
Dans un mode de réalisation, le paramètre (avec ) est donnée par la formule suivante :
où représente la valeur de la puissance maximale de l’élément de stockage complémentaire SC et la vitesse de réaction du système (par exemple de l’électronique de contrôle EC) par rapport à la différence de tension . De préférence, avec . La réponse associée à la fonction précédente est illustrée à la figure 3, qui montre la valeur du paramètre de régulation (également appelée action de contrôle) en fonction de . Il apparait clairement sur cette figure qu’une forte action de contrôle n’est exercée que lorsque la tension de bus se rapproche d’une valeur de tension à ne pas dépasser ou , cette action de contrôle devenant rapidement faible lorsque la tension de bus s’éloigne de ladite limite, autorisant ainsi un contrôle très souple de la tension de bus .
Cependant, il peut être avantageux dans certains cas d’avoir une réponse plus progressive dans la régulation. Pour cela, dans un mode de réalisation alternatif, le paramètre est une fonction linéaire de l’écart donnée par :
où est la vitesse de réaction de la commande lié à la source complémentaire et est la puissance maximale de la source complémentaire. De préférence et .
Le procédé 100 comprend ensuite une étape E3 de détermination, à partir du premier paramètre de régulation et du deuxième paramètre de régulation , de la consigne de puissance de contrôle à fournir par l’élément de stockage complémentaire. Cette consigne pourra ensuite être prise en compte par l’électronique de contrôle EC puis exécuté par le convertisseur DC/DC. Dans un mode de réalisation, la consigne de puissance de contrôle est égale à .
Comme illustré à la figure 4, il est important de noter que, dans le procédé 100 selon l’invention, la régulation ne se fait pas à partir d’une tension de bus qu’il faudrait maintenir proche d’une tension de référence mais à partir de deux valeurs de la tension de bus définissant un intervalle à respecter. Cette utilisation d’un intervalle plutôt qu’une valeur de consigne autorise beaucoup de souplesse dans la valeur que peut prendre la tension de bus et par voie de conséquence, beaucoup de souplesse dans l’optimisation lorsque cette dernière est active.
Un exemple de réalisation d’un procédé selon un premier aspect de l’invention est illustré aux figures 5 à 11 dans le cas d’un système hybride SY comprenant une super capacité en tant qu’élément de stockage principal SP ainsi qu’un élément de stockage complémentaire SC composé d’une batterie et d’une pile à combustible. Dans un tel système SY, l’optimisation de la consommation énergétique doit prendre en compte le fait que la super capacité possède très peu d’énergie, et sa fonction vise principalement à imposer la tension de bus et répondre à des appels de puissance rapides (haute fréquence). De plus, l’élément de stockage complémentaire SC est utilisé afin de fournir l’énergie du système SY, optimiser la consommation et doit répondre à des temps caractéristiques supérieurs à ceux de l’élément de stockage principal SP. Comme détaillé précédemment, la puissance demandée doit être fournie par l’élément de stockage principal SP (ici la super capacité) et par l’élément de stockage complémentaire SC (ici la batterie et la pile à combustible) de sorte que :
où est la puissance fournie par l’élément de stockage principal SP, est la puissance de contrôle fournie par l’élément de stockage complémentaire SC.
De plus, dans cet exemple de réalisation, la tension de bus minimale est égale à 500 V tandis que la tension de bus maximale est égale à 650 V. En outre, la puissance maximale que peut fournir l’élément de stockage complémentaire SC est égale à 70 kW. En outre, à des fins d’illustrations, la puissance demandé en fonction du temps est supposée évoluer comme illustré à la figure 5 et la fonction de transfert du système est supposée égale à de sorte que la puissance de contrôle au niveau du bus peut être mise sous la forme suivante :
où (dans la suite, sera choisi égal à 1) est la constante de temps associé à l’élément de stockage complémentaire SC, la variable de Laplace et . La constante de temps illustre simplement que la modification de la puissance de contrôle n’est pas instantanée mais au contraire met un certain temps à refléter la consigne déterminée à l’aide d’un procédé selon un premier aspect de l’invention. Dans cet exemple, le paramètre (avec ) est donnée par la formule suivante :
où représente la valeur de la puissance maximale de l’élément de stockage complémentaire SC et la vitesse de réaction du système (par exemple de l’électronique de contrôle EC) par rapport à la différence de tension . De plus, W et V-1. L’évolution de l’action de contrôle en fonction de pour les valeurs de paramètres précédant est illustrée à la figure 6. Lorsque V, la régulation de la tension de bus est quasi nulle. En considérant les paramètres ci-dessus, la fonction de transfert associée à l’élément de stockage complémentaire SC et l’évolution de la puissance demandée illustrée à la figure 5, le procédé 100 de régulation selon un premier aspect de l’invention permet d’obtenir la tension de bus en fonction du temps représentée à la figure 7. Cette figure, montre que le procédé selon un premier aspect de l’invention permet de maintenir la tension de bus entre les deux valeurs limites V et V. Il est également possible de s’intéresser aux corrections apportées par le procédé selon l’invention en regardant l’évolution du paramètre au cours du temps. Cette évolution est illustrée à la figure 8 sur laquelle le paramètre (en bleu) représente la correction associée au respect de la valeur maximale et le paramètre (en rouge) représente la correction associée au respect de la valeur minimale . Comme la tension de bus ne s’approche pas de la limite maximale (voir figure 5), la valeur du paramètre reste proche de zéro. En revanche, la valeur du paramètre varie fortement afin d’empêcher tout dépassement de la valeur minimale . Il est également intéressant de visualiser comment se répartit la puissance fournie sur l’élément de stockage principal SP (i.e la super capacité) et l’élément de stockage complémentaire SC. Cette répartition au cours du temps est illustrée à la figure 9 sur laquelle la courbe noire représente la puissance demandée en fonction du temps, la courbe rouge représente la puissance fournie par l’élément de stockage principal SP (i.e. la super capacité) en fonction du temps et la courbe bleu représente la puissance de contrôle fournie par l’élément de stockage complémentaire SC en fonction du temps. Afin d’avoir une idée plus précise du rôle joué par chaque élément de stockage SP,SC, cette répartition sur une échelle de temps beaucoup plus courte est illustrée à la figure 10. Il est facile de constater que l’élément de stockage principal SP répond instantanément à la demande de puissance , puis le relai est pris par l’élément de stockage complémentaire SC. Cette réponse instantanée n’est permise que par la souplesse de la régulation qui autorise une grande variation de la tension de bus . Au contraire, lorsque la régulation se fait en fonction d’une tension de référence à respecter comme dans l’état de l’art antérieur, le système répond plus lentement comme illustré dans la figure 11. En d’autres mots, dans la solution selon l’état de l’art antérieur, la tension du bus est plus stable (au tour de 575 V) mais l’exploitation réduite de la plage de tension impose le besoin d’une réponse rapide de l’élément de stockage complémentaire SC. Ce type de comportement laisse moins de marge pour l’optimisation de la consommation de l’énergie des éléments de stockages. Cet exemple montre sans ambiguïté comment le procédé selon l’invention permet d’améliorer la régulation de tension de bus et, se faisant, diminue le temps de réaction du système à la demande de puissance tout en autorisant une plus grande souplesse de tension de bus , laissant une marge de manœuvre plus importante dans l’optimisation de la consommation de l’énergie des moyens de stockage.
Dans certains systèmes hybrides, l’élément de stockage complémentaire SC peut être associé à un ou plusieurs paramètres de fonctionnement, par exemple l’état de charge et/ou l’état de santé dans le cas d’une batterie. Afin de prendre en compte ce ou ces paramètres de fonctionnement, dans un mode de réalisation, l’élément de stockage complémentaire est associé à au moins un paramètre de fonctionnent (ex. état de charge et/ou un état de santé). De plus, l’étape de détermination d’une consigne de puissance de contrôle à fournir par l’élément de stockage complémentaire SC est fonction dudit paramètre de fonctionnement. Autrement dit, la puissance de contrôle sera donnée par une équation de la forme :
où est une fonction, est un vecteur représentatif d’au moins un paramètre de fonctionnent et .
De manière alternative ou complémentaire, dans un mode de réalisation, la tension de bus minimale est fonction dudit paramètre de fonctionnement. Plus particulièrement, la tension de bus maximale est fonction du paramètre de fonctionnement de la source complémentaire et d’une tension de référence De même, la tension de bus minimale est fonction du paramètre de fonctionnement de la source complémentaire et d’une tension de référence . Les valeurs des tensions de références et sont généralement définies par l’application ou bien encore par des critères normatifs.
Les deux modes de réalisation précédents peuvent bien entendu être combinés. Autrement dit, et la tension de bus maximale , la tension de bus minimale et l’étape de détermination d’une nouvelle puissance fournie par l’élément de stockage complémentaire sont fonctions du paramètre de fonctionnement de la source complémentaire.
De la même manière, dans certains systèmes hybrides SY, l’élément de stockage principal SP peut être associé à un ou plusieurs paramètres de fonctionnement, par exemple l’état de charge et/ou l’état de santé dans le cas d’une batterie. Afin de prendre en compte cette configuration, dans un mode de réalisation, l’élément de stockage principal SP est associé à au moins un paramètre de fonctionnement et la tension de bus maximale et la tension de bus minimale sont fonctions dudit paramètre de fonctionnement. Plus particulièrement, la tension de bus maximale est fonction du paramètre de fonctionnement de l’élément de stockage principal SP et d’une tension de référence De même, la tension de bus minimale est fonction du paramètre de fonctionnement de l’élément de stockage principal SP et d’une tension de référence .
Afin de mettre en œuvre un procédé 100 selon un premier aspect de l’invention, un deuxième aspect de l’invention concerne un dispositif comportant les moyens pour ladite mise en œuvre. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un moyen de calcul associé à une mémoire, ladite mémoire étant configurée pour stocker les instructions et les données nécessaires à la mise en œuvre d’un procédé selon un premier aspect de l’invention. Ledit moyen de calcul pourra par exemple être intégré à l’électronique de contrôle EC du système hybride SY à réguler. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens pour acquérir la tension de bus . Il comprend également des moyens de communication avec le convertisseur DC/DC du système hybride SY de sorte à communiquer une consigne de puissance de contrôle audit convertisseur DC/DC.
Claims (9)
- Procédé (100) de régulation de la tension
- une étape (E1) de détermination de la tension de bus
- une étape (E2) de détermination d’un premier paramètre de régulation
- une étape (E2’) de détermination d’un deuxième paramètre de régulation
- une étape (E3) de détermination, à partir du premier paramètre de régulation
- une étape (E1) de détermination de la tension de bus
- Procédé (100) selon la revendication précédente caractérisé en ce que l’élément de stockage complémentaire (SC) est associé à au moins un paramètre de fonctionnent et en ce que l’étape (E3) de détermination d’une consigne de puissance de contrôle
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l’élément de stockage complémentaire (SP) est associé à au moins un paramètre de fonctionnement et en ce que la tension de bus maximale
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l’élément de stockage principal (SP) est associé à au moins un paramètre de fonctionnement et en ce que la tension de bus maximale
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l’étape (E2,E2’) de détermination d’un premier, respectivement deuxième, paramètre de régulation comprend :
- une première sous-étape (E21,E21’) de détermination de l’écart entre la tension de bus
- une deuxième sous-étape (E22,E22’) de détermination du premier, respectivement du deuxième, paramètre de régulation à partir dudit écart.
- une première sous-étape (E21,E21’) de détermination de l’écart entre la tension de bus
- Dispositif comportant les moyens pour mettre en œuvre un procédé selon l’une des revendications précédentes.
- Système hybride (SY) comprenant un bus (BU), un élément de stockage principal (SP) connecté sur ledit bus (BU), un élément de stockage complémentaire (SC) connecté sur ledit bus (BU) par l’intermédiaire d’un convertisseur DC/DC (DC) et un dispositif selon la revendication précédente.
- Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé selon l’une des revendications 1 à 5 lorsque ledit programme est exécuté sur par ordinateur.
- Support lisible par ordinateur, sur lequel est enregistré le programme d'ordinateur selon la revendication précédente.
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