FR3094552A1 - Dispositif de charge pour véhicule électrique à dissipation thermique améliorée - Google Patents

Dispositif de charge pour véhicule électrique à dissipation thermique améliorée Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un dispositif de charge pour véhicule électrique destiné à être connecté à un réseau de distribution d’électricité (2), d’une part, et aux bornes d’une batterie (10) d’un véhicule (1) hybride ou électrique, d’autre part, ledit dispositif comprenant deux câbles de charge (61, 62), chacun étant destiné à être connecté à une borne de la batterie (10) pour supporter une intensité de référence Iref permettant la charge du véhicule (1), caractérisé en ce que ce chaque câble de charge (61, 62) comprend au moins deux câbles élémentaires (611, 612, 621, 622), chacun comprenant un conducteur électrique (7) et une couche isolante (8) entourant le conducteur électrique (7). Figure pour l’abrégé : Figure 3

Description

Dispositif de charge pour véhicule électrique à dissipation thermique améliorée
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L’invention concerne le domaine des véhicules électriques ou hybrides. Et elle concerne plus particulièrement la charge de tels véhicules.
L’avènement des véhicules à énergie électrique nécessite le développement de solutions de recharge des batteries de ces véhicules.
Comme illustré sur lafigure 1, pour recharger un véhicule électrique 1, la batterie 10 électrique du véhicule est raccordée au réseau électrique 2 par un ensemble de charge comprenant deux câbles 31, 32, 31’, 32’ et un connecteur 50.
Le connecteur 50 permet de connecter ou déconnecter la recharge électrique du véhicule.
La charge du véhicule s’effectue au moyen soit d’un courant alternatif soit d’un courant continu, les véhicules étant équipés pour être chargés selon l’un ou l’autre des types de courant.
A l’intérieur du véhicule, deux câbles 31, 32 sont raccordés d’une part aux bornes de la batterie 10 du véhicule (un câble 31 pour la borne positive de la batterie et un câble 32 pour la borne négative de la batterie) et d’autre part au connecteur 50. La partie entre le connecteur 50 et la batterie se trouve donc à l’intérieur du véhicule 1.
A l’extérieur du véhicule, deux câbles 31’, 32’ sont raccordés d’une part au connecteur 50 et d’autre part au réseau électrique 2. La partie entre le connecteur 50 et le réseau électrique 2 se trouve donc à l’extérieur du véhicule 1.
Pour la partie extérieure, les deux câbles 31’, 32’ sont de préférence agencés au sein d’une même enveloppe pour former un câble d’alimentation 40.
La partie extérieure et la partie intérieure constituent un ensemble de charge, la partie intérieure constitue un dispositif de charge interne.
Lafigure 2illustre la section d’un câble 31, 32 connecté entre le connecteur 50 et une borne de la batterie 1.
Un tel câble 31, 32 est dénommé câble de référence et comprend un élément conducteur 6 entouré d’une couche isolante 7. L’élément conducteur 6 comprend un diamètre dref, la couche isolante 7 comprend une épaisseur radiale Eref, le câble de référence comprenant un diamètre global Dref.
Un tel câble de référence 31, 32 est dimensionné pour permettre de véhiculer une intensité de référence Iref, sur une borne de la batterie 10. Cette intensité de référence dépend du niveau de charge requis.
Un problème avec un tel ensemble de charge et qu’il permet de recharger la batterie d’un véhicule pendant des durées de plusieurs heures (8h par exemple). De telles durées sont trop longues pour un usage facile de ces véhicules.
Par conséquent, il est nécessaire de diminuer la durée de charge pour atteindre des durées inférieures à l’heure et de préférence inférieures à la demi-heure voire un quart d’heure ou même quelques minutes.
Pour ce faire, le courant électrique doit être augmentée ce qui conduit à un échauffement excessif du système par effet Joule. Pour pallier ce problème d’échauffement excessif il est possible d’augmenter la section des câbles et connecteurs pour minimiser cet effet Joule.
Or pour des raisons de standardisation, les câbles 31 32 31’ 32’ et le connecteur 50 ne peuvent être modifiés. Toutefois, l’ensemble câbles plus connecteur est dimensionné pour une charge longue durée et une augmentation du courant conduit à une élévation importante de la température au niveau du connecteur mais aussi au niveau de la couche isolante des câbles. Pour cela la simple augmentation du courant n’est pas envisageable pour diminuer le temps de charge.
Un des buts de l’invention est de permettre de diminuer le temps de charge d’un véhicule électrique.
A cet effet, l’invention propose, selon un premier aspect, un dispositif de charge pour véhicule électrique destiné à être connecté à un réseau de distribution d’électricité, d’une part, et aux bornes d’une batterie d’un véhicule hybride ou électrique, d’autre part, ledit dispositif comprenant deux câbles de charge, chacun étant destiné à être connecté à une borne de la batterie pour supporter une intensité de référence Iref permettant la charge du véhicule, caractérisé en ce que ce chaque câble de charge comprend au moins deux câbles élémentaires, chacun comprenant un conducteur électrique et une couche isolante entourant le conducteur électrique.
L’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
- chaque câble de charge comprend un nombre x de câble élémentaire tel que la section globale de conducteur électrique x.Sel, avec Sel la section du conducteur électrique d’un câble élémentaire, soit supérieure ou égale à une section Sref d’un conducteur électrique d’un câble de charge de référence.
- chaque câble de charge comprend un nombre x de câble élémentaire tel que la section globale de conducteur électrique x.Sel, avec Sel la section du conducteur électrique d’un câble élémentaire, soit inférieure ou égale à une section Sref d’un conducteur électrique d’un câble de charge de référence.
- l’épaisseur radiale de la couche isolante Eel d’un câble élémentaire, est inférieure ou égale à une épaisseur radiale de référence Eref de la couche isolante d’un câble de charge de référence supportant l’intensité de référence.
- chaque câble élémentaire comprend un élément conducteur de section typiquement 40 mm2ou 50mm2.
- chaque câble élémentaire comprend une couche isolante d’épaisseur radiale comprise entre 1,7 mm et 2,7 mm.
le dispositif comprend un connecteur comprenant une entrée destinée à être connectée à un câble d’alimentation lui-même connecté à un réseau électrique et une sortie depuis laquelle les câbles élémentaires s’étendent.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un ensemble de charge pour véhicule électrique comprenant un dispositif de charge le premier aspect de l’invention et un câble d’alimentation destiné à être connecté à un réseau de distribution d’électricité.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, et qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels, outre les figures 1 et 2 déjà discutées :
la figure 3 illustre un dispositif de charge conforme à l’invention ;
la figure 4 illustre des câbles élémentaires selon l’invention
les figures 5 à 7 illustrent des variations de température dans le dispositif de charge de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Lafigure 3illustre un dispositif de charge d’un véhicule électrique disposé dans la partie intérieure du véhicule qui comprend un connecteur 50. Un tel dispositif de charge comprend deux câbles de charge 61, 62 qui s’étendent de préférence depuis le connecteur 50 vers la batterie 10. Chaque câble de charge doit supporter une intensité de référence Iref qui dépend du temps de charge requis pour la batterie du véhicule. Typiquement pour une batterie de 36kw il faut 10h pour recharger complètement (230Vac x 16Ah).
Chaque câble de charge 61, 62 comprend avantageusement deux câbles élémentaires 611, 612, 621, 622 chacun comprenant un conducteur électrique 8 et une couche isolante 9 entourant le conducteur électrique 8 (voir lafigure 4).
Le conducteur électrique 8 est de constitué par exemple de cuivre, d’un alliage de cuivre, d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium, etc.
La couche isolante 9 est par exemple en matériau plastique, PVC (poly vinyle chlorure sans plomb), XLPE (polyéthylène réticulé), etc.
De manière avantageuse, les câbles élémentaires sont identiques afin d’avoir une répartition homogène de l’intensité, chaque câble élémentaire véhiculant une intensité Iref/x, x étant le nombre de câbles élémentaires. Sur la figure 3 ce nombre x est égal à deux.
Chaque câble élémentaire 611, 612, 621, 622 présente une section élémentaire Sel d’élément conducteur inférieure à une section de référence Sref d’élément conducteur d’un câble de charge de référence comportant un unique élément conducteur (voir la figure 2).
De plus, le diamètre del de l’élément conducteur de chaque câble élémentaire est inférieur au diamètre dref de l’élément conducteur du câble de charge de référence. Il en va de même pour le diamètre externe du câble.
Les câbles élémentaires présentent donc, séparément, des dimensions inférieures à celles d’un câble de charge de référence.
Ainsi, par rapport à la configuration de la figure 2, chaque câble de charge est divisé.
L’exemple présenté ici montre que le câble de charge est divisé en deux mais l’invention s’applique aussi à chaque câble de charge divisé en un nombre de câble élémentaire supérieur. Une telle division permet d’augmenter la dissipation thermique de chaque câble de charge et permet d’améliorer leur souplesse d’installation.
En effet, en répartissant la section nécessaire de conducteur pour transporter Iref dans plusieurs câbles élémentaires, la surface d’échange câble-ambiance est augmentée. De plus, le fait d’avoir plusieurs câbles élémentaires de dimensions inférieures facilite la manipulation des câbles élémentaires au niveau de chaque borne de la batterie et facilite la mise en œuvre des câbles entre la batterie et le connecteur.
Chaque câble de charge comprend un nombre x de câble élémentaire et le câble de charge présente alors une section globale x.Sel de conducteur électrique qui est la somme des sections des éléments conducteurs des câbles élémentaires.
La section d’élément conducteur de chaque câble élémentaire est de préférence 40mm2ou 50 mm2.
Selon un premier mode de réalisation la section globale de conducteur électrique x.Sel est supérieure ou égale à une section Sref d’un conducteur électrique d’un câble de charge de référence dimensionné pour supporter une intensité de Iref (voir la figure 2).
Ce premier mode de réalisation permet de diminuer l’échauffement thermique au niveau de la couche isolante pour une intensité Iref/x.
Selon un deuxième mode de réalisation, la section globale de conducteur électrique x.Sel est inférieure ou égale à une section Sref d’un conducteur électrique d’un câble de charge de référence dimensionné pour supporter une intensité de Iref.
Ce deuxième mode de réalisation permet de diminuer la quantité d’élément conducteur par rapport à un câble de charge de référence
Dans tous les cas, la dissipation thermique est améliorée du fait que le câble de charge comprend plusieurs câbles élémentaires.
De manière complémentaire, afin de favoriser la dissipation thermique l’épaisseur radiale d’isolant Eel de chaque câble élémentaire est inférieure ou égale à une épaisseur radiale de référence Eref de la couche isolante d’un câble de charge de référence supportant l’intensité de référence Iref.
L’épaisseur radiale de la couche isolante de chaque câble élémentaire est comprise entre 1,7 mm et 2,7 mm.
Les dispositifs de charge suivants ont été réalisés et testés.
Exemple 1 : dispositif de charge de référence comprenant un unique élément conducteur :
  • Section d’élément conducteur Sref=95 mm2;
  • Diamètre de l’élément conducteur dref=12,6 mm ;
  • Epaisseur de la couche isolante Eref= 2 mm ;
  • Diamètre total Dref=16,6 mm ;
  • Surface d’échange thermique par mètre linéaire de câble = 52150 mm2.
Exemple 2 : dispositif de charge comprenant deux câbles élémentaires chacun ayant les caractéristiques suivantes
  • Section d’élément conducteur Sel=50 mm2;
  • Diamètre de l’élément conducteur del=9 mm ;
  • Epaisseur de la couche isolante Eel=1,7 mm ;
  • Diamètre total Dref=12,4 mm;
  • Surface d’échange thermique par mètre linéaire de câble =38956 mm2;
  • Surface d’échange thermique du dispositif comprenant deux câbles élémentaires = 77911 mm2soit 1,49 fois supérieure à la surface d’échange obtenue pour l’exemple 1.
Exemple 3 : dispositif de charge comprenant deux câbles élémentaires chacun ayant les caractéristiques suivantes
  • Section d’élément conducteur Sel=40 mm2;
  • Diamètre de l’élément conducteur del=8,2 mm ;
  • Epaisseur de la couche isolante Eel=1,3 mm ;
  • Diamètre total Dref=10,8 mm;
  • Surface d’échange thermique par mètre linéaire de câble =33929 mm2;
  • Surface d’échange thermique du dispositif comprenant deux câbles élémentaires = 67858 mm2soit 1,3 fois supérieure à la surface d’échange obtenue pour l’exemple 1.
En termes de température, les dispositifs ci-dessus ont été soumis à une charge d’une intensité de référence Iref=350A pendant 15 minutes. Dans le dispositif de référence, une intensité de 350 A circule dans l’unique câble de charge tandis que dans les dispositifs de charge selon l’exemple 2 et 3 une intensité de 175 A circule dans chaque câble élémentaire.
Lesfigures 5à7illustrent l’évolution de l’échauffement de la couche isolante au cours du temps (exemple 1 : courbe CI95, exemple 2 : CI50, exemple 3 : CI40), et du connecteur au cours du temps (exemple 1 : courbe EC95, exemple 2 : EC50, exemple 3 : EC40) ainsi que la variation de l’intensité au cours du temps (exemple 1 : courbe I95, exemple 2 : I50, exemple 3 : I40).
On constate donc que l’échauffement maximal au niveau de la couche isolante pour l’exemple 2 (21,5°C) est inférieur à celui pour l’exemple 1 (31,9°C) et à celui pour l’exemple 3 (33,4°C).
On constate que l’échauffement maximal au niveau du connecteur pour l’exemple 2 (38°C) est inférieur à celui pour l’exemple 1 (50°C) et pour l’exemple 3 (50°C).
S’agissant de l’échauffement, on constate ici qu’un compromis est à trouver entre la section d’élément conducteur et la température maximale acceptable.
S’agissant de la dissipation thermique, on constate que les températures de la couche isolante et du connecteur diminuent plus rapidement pour les exemples 2 et 3.
En conséquence, il est parfaitement acceptable d’utiliser le dispositif de charge de l’invention ci-dessus décrit pour charger un véhicule rapidement c’est-à-dire en faisant passer une intensité plus élevée
Ce gain d’intensité est par exemple plus élevé de 22% comme le montre le tableau suivant établi pour un échauffement de 50°C dans le cas d’un câble de 95 mm2et de deux câbles de 50 mm2.
Section mm2 Pmax Câble W/ml R câble Ohms/m Imax câble Adc Nombre de câble Imax charge Adc
95 37,1 1,96 10-4 435 1 435
50 26,1 3,68 10-4 266 2 533

Claims (8)

  1. Dispositif de charge pour véhicule électrique destiné à être connecté à un réseau de distribution d’électricité (2), d’une part, et aux bornes d’une batterie (10) d’un véhicule (1) hybride ou électrique, d’autre part, ledit dispositif comprenant deux câbles de charge (61, 62), chacun étant destiné à être connecté à une borne de la batterie (10) pour supporter une intensité de référence Iref permettant la charge du véhicule (1), caractérisé en ce que ce chaque câble de charge (61, 62) comprend au moins deux câbles élémentaires (611, 612, 621, 622), chacun comprenant un conducteur électrique (7) et une couche isolante (8) entourant le conducteur électrique (7).
  2. Dispositif de charge selon la revendication 1, dans lequel chaque câble de charge comprend un nombre x de câble élémentaire tel que la section globale de conducteur électrique x.Sel, avec Sel la section du conducteur électrique d’un câble élémentaire, soit supérieure ou égale à une section Sref d’un conducteur électrique d’un câble de charge de référence.
  3. Dispositif de charge selon la revendication 1, dans lequel chaque câble de charge comprend un nombre x de câble élémentaire tel que la section globale de conducteur électrique x.Sel, avec Sel la section du conducteur électrique d’un câble élémentaire, soit inférieure ou égale à une section Sref d’un conducteur électrique d’un câble de charge de référence.
  4. Dispositif de charge selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’épaisseur radiale de la couche isolante Eel d’un câble élémentaire, est inférieure ou égale à une épaisseur radiale de référence Eref de la couche isolante d’un câble de charge de référence supportant l’intensité de référence.
  5. Dispositif de charge selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque câble élémentaire comprend un élément conducteur de section typiquement 40 mm2ou 50mm2.
  6. Dispositif de charge selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel chaque câble élémentaire comprend une couche isolante d’épaisseur radiale comprise entre 1,7 mm et 2,7 mm.
  7. Dispositif de charge selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant un connecteur comprenant une entrée destinée à être connectée à un câble d’alimentation lui-même connecté à un réseau électrique et une sortie depuis laquelle les câbles élémentaires s’étendent.
  8. Ensemble de charge pour véhicule électrique comprenant un dispositif de charge selon l’une des revendications précédentes et un câble d’alimentation destiné à être connecté à un réseau de distribution d’électricité.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20150107874A1 (en) * 2012-07-05 2015-04-23 Green ELMF Cables Ltd. Electric cables having self-protective properties and immunity to magnetic interferences
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