FR3102859A1 - Méthode de charge d’une batterie d’accumulateurs par une borne de charge - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne une méthode de charge d’une batterie d’accumulateurs (12) qui équipe un véhicule automobile (10) et qui est connectée électriquement à une borne de charge (20) via au moins un relais (16), comportant des étapes : - de réception de données relatives à l’évolution au cours du temps de la puissance électrique disponible sur la borne de charge et du coût de l’électricité, - de sélection, d’une part, de créneaux horaires pour lesquels la puissance électrique disponible est non nulle, et, d’autre part, d’une puissance électrique de charge pour chaque créneau horaire sélectionné, - de démarrage d’une session de charge de la batterie d’accumulateurs par la borne de charge pendant laquelle la batterie d’accumulateurs est alimentée en courant électrique au cours de chaque créneau horaire sélectionné à la puissance électrique sélectionnée. Selon l’invention, il est prévu, lors de chaque session de charge de la batterie d’accumulateurs, de mettre à jour un indicateur mémorisant le nombre total de cycles de commutation déjà effectués par le relais, et il est prévu, à l’étape de sélection, que les créneaux horaires soient sélectionnés en fonction du nombre total de cycles de commutation mémorisé par ledit indicateur. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Méthode de charge d’une batterie d’accumulateurs par une borne de charge
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne de manière générale la charge des batteries d’accumulateurs des véhicules à propulsion électrique.
L’invention concerne plus spécifiquement une méthode de charge, au moyen d’une borne de charge, d’une batterie d’accumulateurs qui équipe un véhicule automobile.
Elle concerne également un véhicule automobile conçu pour mettre en œuvre cette méthode de charge.
Etat de la technique
Une voiture à propulsion électrique comporte de façon ordinaire une batterie d’accumulateurs de grande capacité, permettant d’alimenter en courant des moteurs électriques prévus pour propulser le véhicule.
Une telle batterie d’accumulateurs doit être régulièrement chargée. Pour cela, une solution consiste à brancher électriquement la voiture à une borne de charge publique.
La norme ISO 15118 a alors été développée pour définir un protocole de communication standard entre une borne de charge et toute voiture qui est susceptible de s’y brancher.
Le protocole utilisé doit alors répondre à trois contraintes majeures. La première contrainte consiste à assurer à l’usager d’avoir sa batterie suffisamment chargée au moment où il souhaite repartir. La seconde contrainte consiste à ne pas surestimer les besoins de l’usager pour ne pas monopoliser inutilement la puissance disponible dans la borne de charge. La troisième contrainte consiste à imposer, après le branchement de la voiture à la borne de charge, un délai assez court à la voiture à l’issu duquel elle devra communiquer à la borne de charge quand et avec quelle puissance électrique elle devra charger la batterie d’accumulateurs de la voiture.
Le protocole utilisé prévoit que la borne de charge transmette, au moment du branchement du véhicule automobile, des informations concernant l’évolution au cours du temps de la puissance électrique disponible sur la borne de charge et du niveau de prix de l’électricité (typiquement, une information de type heure creuse / heure pleine).
Une méthode connue de sélection des créneaux horaires pendant lesquels la borne de charge devra recharger la batterie consiste alors à sélectionner les créneaux horaires en heure creuse les plus proches.
Cette méthode ne permet malheureusement pas d’assurer à l’usager que son véhicule soit prêt à partir à l’heure souhaitée.
Pour remédier à cet inconvénient, une solution décrite dans le document FR1859928 (non encore publié à la date de dépôt de la présente demande de brevet) consiste à demander à l’usager l’heure à laquelle il souhaite repartir et à sélectionner les créneaux horaires qui permettent de recharger suffisamment la batterie, pour un coût le plus réduit possible, dans le délai requis.
L’inconvénient de cette méthode est qu’elle est contraignante pour les relais qui équipent le véhicule et qui sont en charge d’ouvrir et fermer régulièrement le circuit électrique de charge avant et après chaque créneau horaire sélectionné (ou chaque ensemble de créneaux contigus sélectionnés). En effet, les créneaux se trouvant souvent être séparés les uns des autres d’un ou plusieurs créneaux horaires, le nombre d’ouvertures et fermetures que les relais doivent effectuer au cours de chaque session de charge peut s’avérer très élevé. Cette méthode nécessite donc d’utiliser des relais onéreux.
Présentation de l'invention
Afin de remédier à l’inconvénient précité de l’état de la technique, la présente invention propose une méthode pour restreindre ce nombre.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention une méthode de charge d’une batterie d’accumulateurs qui équipe un véhicule automobile et qui est connectée électriquement à une borne de charge via au moins un relais, ledit relais étant adapté à commuter pour ouvrir et fermer le circuit électrique entre la batterie d’accumulateurs et la borne de charge, cette méthode comportant des étapes :
- de réception de données relatives à l’évolution au cours du temps de la puissance électrique disponible sur la borne de charge et du coût de l’électricité,
- de sélection, d’une part, de créneaux horaires pour lesquels la puissance électrique disponible est non nulle, et, d’autre part, d’une puissance électrique de charge pour chaque créneau horaire sélectionné,
- de démarrage d’une session de charge de la batterie d’accumulateurs par la borne de charge pendant laquelle la batterie d’accumulateurs est alimentée en courant électrique au cours de chaque créneau horaire sélectionné à la puissance électrique sélectionnée,
cette méthode étant particulière en ce sens que, lors de chaque session de charge de la batterie d’accumulateurs, il est prévu de mettre à jour un indicateur mémorisant le nombre total de cycles de commutation déjà effectués par le relais, et en ce que, à l’étape de sélection, les créneaux horaires sont sélectionnés en fonction du nombre total de cycles de commutation mémorisé par ledit indicateur.
Ainsi, grâce à l’invention, il est prévu de surveiller dans quelle mesure le relais a déjà été utilisé, et de contraindre la sélection des créneaux horaires de manière à ne pas utiliser le relais plus que ce qu’il ne pourrait supporter.
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la méthode de charge conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- les créneaux horaires sont sélectionnés en fonction d’un paramètre qui est égal à un nombre de cycles de commutation autorisés pendant la session de charge et qui dépend dudit nombre total de cycles de commutation mémorisé par ledit indicateur ;
- le relais étant conçu pour accomplir un nombre cible prédéterminé de cycles de commutation, ledit paramètre est fonction également dudit nombre prédéterminé de cycles de commutation ;
- il est prévu, lors de chaque session de charge de la batterie d’accumulateurs, de mettre à jour un second indicateur mémorisant le nombre total de sessions de charge déjà effectuées par la batterie d’accumulateurs ;
- ledit paramètre est calculé au moyen de la formule mathématique :
nc= (Ncesp– Nc) / ( Ns . (Dv– dv)/dv), où
ncest ledit paramètre,
Ncespest le nombre cible prédéterminé de cycles de commutation,
Nc est le nombre total de cycles de commutation mémorisé par ledit indicateur,
Ns est le nombre total de sessions de charge de la batterie d’accumulateurs déjà effectuées,
Dvest l’espérance de vie du véhicule automobile, et
dvest la durée de vie du véhicule automobile déjà écoulée ;
- pour sélectionner les créneaux horaires, il est prévu des opérations consistant à acquérir un premier ensemble comprenant toutes les combinaisons possibles de commutation du relais au cours d’un intervalle de temps déterminé, calculer le nombre de cycles de commutation pour chacune desdites combinaisons, sélectionner un second ensemble de combinaisons dans lequel chaque combinaison a un nombre de cycles de commutation inférieur ou égal audit paramètre, calculer, pour chaque combinaison, un coût de la charge de la batterie d’accumulateurs si elle était chargée en suivant ladite combinaison, puis sélectionner une première combinaison pour laquelle le coût est le plus faible, les créneaux horaires sélectionnés étant déduit en fonction de la combinaison sélectionnée ;
- il est prévu, après avoir sélectionné la première combinaison, une étape de vérification que ladite première combinaison permet de charger la batterie d’accumulateurs jusqu’à un niveau de charge supérieur à un seuil déterminé, et, si tel n’est pas le cas, une étape au cours de laquelle on sélectionne, dans ledit second ensemble, un troisième ensemble de combinaisons dans lequel ladite première combinaison est exclue, puis on sélectionne, dans ce troisième ensemble, une seconde combinaison qui est celle pour laquelle le coût est le plus faible, les créneaux horaires sélectionnés étant déduit en fonction de la seconde combinaison sélectionnée ;
- pour la sélection du troisième ensemble, on calcule pour chaque combinaison du second ensemble une variable relative à la puissance électrique totale qui pourra être transmise à la batterie d’accumulateurs au cours de la session de charge, puis on exclut les combinaisons pour lesquelles la variable est inférieure ou égale à la variable calculée pour ladite première combinaison ;
- si aucune combinaison ne permet de charger la batterie d’accumulateurs jusqu’à un niveau de charge supérieur audit seuil, il est prévu de sélectionner un nouvel ensemble de combinaisons pour lesquelles le nombre de cycles de commutation est compris entre ledit paramètre et un seuil supérieur audit paramètre, puis les étapes de calcul et de sélection sont répétées en considérant ce nouvel ensemble ;
- au cours de l’étape d’acquisition, on acquiert une heure de départ à laquelle il est prévu que le véhicule automobile soit déconnecté de la borne de charge et ledit intervalle déterminé prend fin à l’heure de départ.
L’invention propose également un véhicule automobile comportant au moins un moteur électrique de propulsion, une batterie d’accumulateurs adaptée à alimenter en courant électrique chaque moteur électrique de propulsion, et un calculateur programmé pour mettre en œuvre une méthode de charge telle que précitée.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Description détaillée de l'invention
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
est une vue schématique d’une borne de charge et d’un véhicule automobile conforme à l’invention ;
est un graphique illustrant un exemple d’évolution au cours du temps du coût de l’électricité disponible à la borne de charge ;
est un graphique illustrant un exemple d’évolution au cours du temps de la puissance électrique disponible à la borne de charge ;
est un tableau illustrant les combinaisons possibles de sélection de créneaux horaires ;
est un graphique illustrant un exemple d’évolution au cours du temps de la puissance électrique pouvant être sélectionnée, qui correspond à l’une des combinaisons illustrées sur la figure 4 ;
est un tableau homologue de celui de la figure 4, illustrant en outre le nombre de cycles de commutation associé à chaque combinaison ;
est un tableau homologue de celui de la figure 6, illustrant en outre l’énergie électrique de charge associée à chaque combinaison et les combinaisons qui sont exclues dans le cadre du procédé conforme à l’invention ;
est un graphique illustrant l’évolution de la puissance maximum que peut recevoir la batterie d’accumulateurs du véhicule représenté sur la figure 1 en fonction de son niveau de charge, ce graphique illustrant également la puissance maximum que la borne de charge peut débiter et la puissance maximum que le chargeur du véhicule automobile peut recevoir ;
est un graphique illustrant un exemple d’évolution au cours du temps du coût de l’électricité disponible auprès de la borne de charge ;
est un graphique illustrant un exemple d’évolution au cours du temps du niveau de charge de la batterie d’accumulateurs du véhicule automobile ;
est un graphique illustrant un exemple d’évolution au cours du temps de la puissance électrique consommée auprès de la borne de charge ; et
est un logigramme illustrant une méthode de charge conforme à l’invention.
Sur la figure 1, on a représenté un véhicule automobile à propulsion électrique.
Il s’agit ici d’une voiture mais il pourrait s’agir d’un autre type de véhicule automobile (moto, camion, bateau…).
Cette voiture est ici qualifiée d’électrique en ce sens qu’elle ne comporte pas de moteur à combustion interne. En variante, il pourrait s’agir d’un véhicule hybride rechargeable.
La voiture électrique 10 comporte classiquement un châssis et des roues. Elle comporte plus spécifiquement ici :
- au moins un moteur électrique 11 permettant de faire avancer la voiture électrique 10,
- une batterie d’accumulateurs (ci-après appelée batterie de traction 12) connectée à chaque moteur électrique 11 pour l’alimenter en courant,
- des appareils auxiliaires 13 consommateurs de courant électrique (climatisation, console multimédia…),
- un chargeur 14,
- des relais 16 adaptés à ouvrir ou fermer le circuit électrique entre la chargeur 14 et la batterie de traction 12, et
- un calculateur 15.
Le chargeur 14 comporte une prise de courant sur laquelle peut être branchée une fiche électrique d’une borne de charge 20.
Il est connecté à la batterie de traction 12 pour assurer sa charge. Il est également connecté ici aux appareils auxiliaires 13 de façon à pouvoir les alimenter en courant lorsque la voiture électrique 10 est branchée à la borne de charge 20.
Les relais 16 s’interposent ici entre le chargeur 14 et la batterie de traction 12. Ils sont donc embarqués dans le véhicule automobile 10. Ils sont conçus pour commuter afin d’ouvrir ou fermer le circuit électrique entre le chargeur 14 et la batterie de traction 12. Le chargeur 14 et la batterie 12 étant connectés en parallèle, il y a deux relais 16 entre la batterie 12 et le chargeur 14, qui commutent ensemble simultanément.
Le calculateur 15 comporte pour sa part un processeur (CPU), une mémoire et différentes interfaces d'entrée et de sortie.
Grâce à ses interfaces d'entrée et de sortie, le calculateur est adapté à recevoir des signaux d'entrée provenant de capteurs ou d’autres appareils. Il est notamment adapté à recevoir le niveau de charge instantané SOC0de la batterie de traction 12.
Il est également adapté à communiquer avec la borne de charge 20 pour recevoir des données relatives à l’évolution au cours du temps t de la puissance électrique disponible P20 sur la borne de charge 20 et du coût C20 de l’électricité.
Le calculateur est aussi adapté à communiquer avec cette même borne de charge 20 pour réserver des créneaux horaires Tide charge du véhicule, en sélectionnant pour chaque créneau horaire Tiune puissance électrique de charge Pi.
Il est enfin adapté à communiquer avec les relais 16 pour commander leur commutation.
Grâce à sa mémoire, le calculateur 15 mémorise des données utilisées dans le cadre du procédé décrit ci-dessous.
Il mémorise notamment une application informatique, constituée de programmes d’ordinateur comprenant des instructions dont l’exécution par le processeur permet la mise en œuvre par le calculateur 15 du procédé de charge illustré sur la figure 14 et décrit ci-après.
Comme le montre cette figure 14, ce procédé de charge comporte de nombreuses étapes pouvant être successivement mises en œuvre, dont certaine peuvent être répétées en boucle.
Ce procédé est spécialement conçu pour permettre la charge de la batterie de traction 12 par la borne de charge 20 à des créneaux horaires Tiqui assurent à l’usager que :
- la batterie de traction 12 de son véhicule électrique 10 sera suffisamment rechargée lorsqu’il en aura besoin,
- le coût de la charge sera réduit, et que
- le profil de charge choisi ne forcera pas les relais 16 à commuter un trop grand nombre de fois, compte tenu de l’espérance de vie restante de ces relais et de celle du véhicule automobile 10.
A ce propos, un « cycle de commutation » des relais 16 sera défini comme une succession de deux commutations de l’ensemble des relais 16.
Les relais 16 étant initialement à l’état ouvert, un cycle de commutation correspondra plus précisément ici à une fermeture suivie d’une ouverture de ces relais.
Une « session de charge » sera ci-après considérée comme recouvrant l’ensemble d’une phase de charge de la batterie de traction 12, depuis le branchement de cette dernière sur la borne de charge 20 jusqu’à son débranchement.
Un « profil de charge » définira les moments pendants lesquels la batterie de traction 12 sera alimentée en courant électrique par la borne de charge 20 au cours du temps pendant la session de charge. Un tel profil de charge est par exemple illustré sur la figure 10.
Ici, le calculateur 15 stocke dans sa mémoire une variable qui correspond au nombre total de cycles de commutation Nc déjà effectués par les relais 16. Cette variable est mise à jour après chaque cycle de commutation ou après chaque session de charge de la batterie.
Il stocke également d’autres variables, dont l’une correspond au nombre total Ns de sessions de charge de la batterie d’accumulateurs 12 déjà effectuées, et dont l’autre correspond à la durée de vie dvdéjà écoulée du véhicule automobile 10.
Enfin, le calculateur 15 stocke deux données invariables qui sont implantées dans sa mémoire lors de sa fabrication et qui correspondent à l’espérance de vie Dvtotale du véhicule automobile 10 et au nombre cible Ncespde cycles de commutation espérés, c’est-à-dire au nombre total de cycles de commutation que les relais 16 sont sensés pouvoir accomplir (compte tenu de son cahier des charges).
La durée de vie dvet l’espérance de vie Dvpeuvent s’exprimer de différentes manières, par exemple en termes de durée ou en termes de kilomètres parcourus par le véhicule automobile. Ils s’expriment quoi qu’il en soit tous les deux de la même manière.
Le procédé de charge est automatiquement initié lors du branchement de la voiture électrique 10 sur la borne de charge 20.
La première étape EA0 de ce procédé consiste à vérifier que la batterie de traction 12 n’est pas excessivement déchargée, ce qui risquerait de provoquer une usure prématurée de cette batterie.
Pour cela, au cours de cette première étape EA0, le calculateur 15 relève le niveau de charge instantané SOC0de la batterie de traction 12. Ce niveau de charge instantané SOC0est ici transmis au calculateur 15 par un processeur tiers qui est en charge du calcul de ce niveau de charge. En variante, il pourrait être calculé par le calculateur 15, en fonction de la tension aux bornes de la batterie de traction 12.
Le calculateur 15 compare ensuite ce niveau de charge instantané SOC0avec un seuil de niveau de charge SOCminprédéterminé et enregistré dans sa mémoire morte. Ce seuil de niveau de charge SOCminest de préférence compris entre 10% et 30%. Il est ici égal à 20%.
Si le niveau de charge instantané SOC0est supérieur ou égal au seuil de niveau de charge SOCmin, ce qui signifie qu’aucun risque d’usure prématurée de la batterie de traction 12 n’est à craindre, le procédé se poursuit en une étape EA1 décrite ci-après.
Dans le cas contraire, le calculateur 15 envoie ou prévoit d’envoyer à la borne de charge 20 une requête pour recharger la batterie de traction 12 aux premiers créneaux horaires disponibles, jusqu’à ce que le niveau de charge instantané SOC0atteigne le seuil de niveau de charge SOCmin. Le procédé se poursuit ensuite sur l’étape EA1.
Ici, on considérera par simplification que le niveau de charge instantané SOC0est supérieur au seuil de niveau de charge SOCmin.
Au cours de la seconde étape EA1, le calculateur 15 acquiert l’heure de départ du véhicule électrique 10, c’est-à-dire l’heure à laquelle ce dernier devrait être déconnecté de la borne de charge 20.
Ici, le calculateur 15 acquiert non seulement cette heure de départ, mais également le niveau de charge cible SOCtque la batterie de traction 12 devra avoir atteint à cette heure là.
Pour cela, le calculateur 15 peut par exemple demander à l’usager, via une interface homme-machine dédiée, l’heure à laquelle il souhaite repartir et le lieu de destination souhaité.
Compte tenu du lieu de destination souhaité, le calculateur 15 sera en mesure de déterminer le niveau de charge cible SOCtque la batterie de traction 12 devra avoir atteint pour permettre à l’usager de parvenir à ce lieu de destination.
En variante, le calculateur 15 peut déterminer automatiquement l’heure à laquelle le véhicule repartira et le lieu de destination, par exemple en détectant que l’usager utilise systématiquement sa voiture électrique 10 pour se rendre à son travail tous les jours de la semaine.
Puis, au cours d’une étape EA2, le calculateur 15 vérifie si le niveau de charge SOC0est supérieur ou égal au niveau de charge cible SOCt.
Si tel est le cas, ce qui signifie qu’il n’est pas nécessaire de recharger la batterie de traction, le calculateur met fin au procédé.
Dans le cas contraire, le procédé se poursuit en une étape EA3 au cours de laquelle le calculateur 15 requiert de la borne de charge 20 des données relatives à l’évolution au cours du temps de la puissance électrique disponible P20 sur la borne de charge 20 et du coût C20 de l’électricité.
Il reçoit par exemple une table illustrant l’évolution au cours du temps de la puissance électrique disponible P20 sur la borne de charge 20. Une telle table est illustrée graphiquement sur la figure 3.
Il reçoit aussi une table illustrant l’évolution au cours du temps du niveau de prix de l’électricité disponible auprès de la borne de charge 20. Une telle table est illustrée graphiquement sur la figure 2. On observe ici que le niveau de prix évolue entre quatre valeurs différentes. Bien entendu, le nombre de niveaux de prix pourra varier d’un fournisseur d’électricité à l’autre.
On considérera ici qu’à un instant donné, le prix de l’électricité est le même quelle que soit la puissance électrique que le véhicule automobile 10 consomme. Dans le cas contraire, par exemple si le coût de l’électricité est d’autant plus élevé que la puissance électrique consommée est grande, le procédé pourra s’appliquer sensiblement de la même façon que décrite ci-après, la différence étant qu’il faudra alors discrétiser chaque intervalle de temps en plusieurs intervalles distincts et consécutifs selon l’axe des puissances, chacun associé à un coût de l’électricité constant.
Les tables reçues par le calculateur 15 représentent ici les évolutions du coût C20 de l’électricité et de la puissance électrique disponible P20 sur 24 heures. En variante, elles pourraient représenter ces évolutions sur une période différente (par exemple jusqu’à l’heure de départ du véhicule).
Une fois reçues par le calculateur 15, ces tables sont ici discrétisées par pas de 15 minutes. Chaque pas de 15 minutes sera ci-après appelé « créneau horaire » et sera référencé Ti, l’indice i correspondant au numéro du créneau horaire considéré (les créneaux étant numérotés dans l’ordre croissant, à partir de 1).
Pour discrétiser ces tables, la valeur la plus grande du coût C20 de l’électricité au sein de chaque pas de 15 minutes est utilisée comme unique valeur du coût C20 de l’électricité durant ce pas de 15 minutes. La valeur la plus petite de la puissance électrique disponible P20 au sein de chaque pas de 15 minutes est par ailleurs utilisée comme unique valeur de puissance électrique disponible P20 durant ce pas de 15 minutes.
Lors de l’étape EA4 suivante, le calculateur 15 lit dans sa mémoire la valeur de la variable qui mémorise le nombre total de cycles de commutation Nc déjà effectués par les relais 16.
Il lit également le nombre cible Ncespde cycles de commutation pour lequel les relais 16 ont été dimensionnés, le nombre total Ns de sessions de charge déjà effectuées, l’espérance de vie Dvdu véhicule automobile 10, et la durée de vie dvdéjà écoulée.
Grâce à ces différentes données, le calculateur 15 est en mesure de calculer la valeur d’un paramètre noté « nc », qui forme un seuil maximum de nombre de cycles de commutation qui ne devra préférentiellement pas être dépassé (sauf s’il n’est pas possible de faire autrement) pendant la session de charge qui débute.
L’intérêt de calculer ce paramètre ncest qu’il va alors être possible de faire en sorte qu’au cours de l’ensemble de la durée de vie du véhicule automobile 10, le nombre total de cycles de commutation Nc effectués par les relais 16 ne dépasse pas le nombre cible Ncesp.
Ce paramètre ncest ici calculé au moyen de la formule mathématique suivante:
A titre d’exemple, on peut considérer que l’espérance de vie Dvdu véhicule étant de 20 ans, sa durée de vie dvdéjà écoulée étant de 1 an, le nombre total de cycles de commutation Nc déjà réalisés étant de 2000 en 500 sessions différentes, et le nombre cible Ncespde 20000, alors la valeur de ce paramètre ncsera de 1,89. On considérera cet exemple dans la suite de cet exposé.
Lors de l’étape suivante EA5, le calculateur 15 réalise une première sélection de créneaux horaires Tipermettant de charger la batterie de traction dans le délai souhaité, en faisant commuter les relais 16 un nombre de fois inférieur ou égal au paramètre nc.
Pour cela, il est prévu de sélectionner astucieusement des créneaux horaires Tiqui précèdent l’heure de départ du véhicule et pour lesquels la puissance électrique disponible P20 est non nulle.
Il est également prévu, comme cela apparaîtra ci-après, de sélectionner pour chaque créneau horaire Tiune puissance électrique de charge Pi.
Pour mettre en œuvre cette étape EA5, le calculateur 15 détermine quelles sont les combinaisons pjpossibles de commutation des relais 16 entre le créneau horaire T1le plus immédiat et le créneau horaire TNprécédent le débranchement prévu du véhicule.
En d’autres termes, le calculateur 15 explore toutes les combinaisons pjpossibles de profils de charge de la batterie de traction 12 pendant un intervalle de temps ΔT compris entre ces deux créneaux horaires T1, TN.
Cet ensemble de combinaisons pjest noté Σ1.
Dans l’exemple illustré sur les figures 2 à 7, on considérera que la session de charge comporte seulement quatre créneaux horaires T1, T2, T3, T4, c’est-à-dire qu’il ne se passera qu’une heure entre le début et la fin de la charge de la batterie de traction 12.
Le nombre de combinaisons pjpossibles, qui est égal à 2N, sera alors de seize. L’indice j utilisé indique alors le numéro de la combinaison considérée.
Sur la figure 4, on a représenté sous la forme d’un tableau ces seize combinaisons pj. Sur cette figure, on a introduit une variable aiqui prend la valeur 0 s’il n’est pas prévu de charger la batterie de traction 12 au cours du créneau horaire Ticorrespondant, et la valeur 1 sinon. A titre illustratif, le profil de charge associé à la combinaison p11est représenté sur la figure 5.
On observe ainsi que les combinaisons pjsont définis par quatre chiffres aiqui, ensemble, forme le nombre « j - 1 » écrit en base binaire.
Le calculateur obtient alors facilement ici un premier ensemble Σ1de seize combinaisons pjpossibles de profils de charge.
Le calculateur va alors calculer le nombre de cycles de commutation Qjnécessaire pour mettre en œuvre le profil de charge correspondant à chacune de ces combinaisons pj.
Plusieurs méthodes sont envisageables. L’une d’entre elles consiste, pour chaque combinaison pj, à introduire une variable a0égale à 0, puis à incrémenter la variable Qjà chaque fois que la variable aiest égale à zéro et que la variable ai+1est égale à un, avec i allant de 0 à 4.
On obtient ainsi le tableau illustré sur la figure 6. On notera ici que ce tableau est donc généré à chaque session de charge. En variante, ce tableau pourrait être stocké dans la mémoire du calculateur.
A ce stade, le calculateur 15 sélectionne, dans le premier ensemble Σ1de combinaisons possibles pj, un second ensemble Σ2dans lequel chaque combinaison pjest associé à un nombre de cycles de commutation Qjqui est inférieur ou égal au paramètre nc.
L’idée est d’exclure de ce second ensemble Σ2les profils de charge requérant un nombre de cycles de commutation supérieur au paramètre nc.
Dans notre exemple, cela revient à ne sélectionner que les combinaisons pjassociées à un nombre de cycles de commutation Qjégal à 0 ou 1 (voir figure 7).
A ce stade, l’idée va être de sélectionner, dans ce second ensemble Σ2, la combinaison pjcorrespondant au cycle de charge le moins onéreux.
Pour cela, au cours d’une étape EA6, le calculateur 15 estime le coût Cjauquel reviendrait la charge pour chacune des combinaisons pjde ce second ensemble Σ2.
Ce calcul est réalisé au moyen de l’équation mathématique suivante :
Dans cette équation :
- m est égal au nombre de créneaux horaires Tide la session de charge (ici m=4),
- ciest le coût C20 de l’électricité pendant le créneau horaire Ticonsidéré,
- δiest la durée d’un créneau horaire, et
- Picorrespond à la puissance électrique qui pourra être transmise à la batterie de traction 12 pendant le créneau horaire Ticonsidéré.
A ce stade, pour simplifier les calculs, on pourra considérer que cette puissance électrique Piest égale à la valeur la plus grande parmi :
- la puissance électrique que la borne de charge 20 peut débiter sur le créneau Ti,
- la puissance maximum que peut recevoir la batterie de traction, compte tenu de ses caractéristiques techniques et de celles du chargeur 14.
Puis, au cours d’une étape EA7, le calculateur 15 estime l’énergie totale Ejque la borne de charge 20 pourrait théoriquement transmettre à la batterie de traction 12 pour chacune des combinaisons pjdu second ensemble Σ2.
Ce calcul est réalisé au moyen de l’équation mathématique suivante :
Le calculateur 15 sélectionne ensuite, dans le second ensemble Σ2, la combinaison pj(ci-après appelée « première combinaison ») pour laquelle le coût Cjest le plus faible.
Cette première combinaison pjest ainsi choisie comme candidate pour définir le profil de charge de la batterie de traction 12.
Avant de confirmer cette candidate, il est prévu que le calculateur 15 vérifie si ce profil de charge permet d’atteindre le niveau de charge cible SOCt.
Pour effectuer cette vérification, il est prévu de calculer le niveau de charge SOCi +1qui sera atteint après chaque créneau horaire Tisélectionné (un créneau horaire étant qualifié de sélectionné si la variable aicorrespondante est égale à 1).
Au cours d’une étape EB1, le calculateur 15 estime la température TCique présentera la batterie de traction 12 au moment du premier des créneaux horaires Tisélectionné (le moment considéré pourra être le début du créneau horaire, ou encore tout autre moment de ce créneau tel que le milieu du créneau horaire).
Cette température TCipourra être estimée à partir d’un modèle mathématique prédéterminé ou d’une cartographie prédéterminée sur banc d’essais.
Ici, le calculateur 15 calcule la température TCià l’aide du modèle mathématique suivant :
où :
- MCp, R, Rthextet Rth(Qm) sont des constantes thermiques dépendant de la chimie de la batterie de traction 12,
- TCextest la température ambiante,
- TCairest la température du système de chauffage/refroidissement de la batterie de traction 12 si celui-ci est activé, et
- I est l’intensité reçue par la batterie de traction 12.
Le calculateur 15 estime ensuite le niveau de charge SOCique la batterie de traction 12 présentera au début du créneau horaire Ti.
A ce stade, on considérera que ce niveau de charge SOCisera égal au niveau de charge instantané SOC0. En variante, il pourrait être différent s’il était prévu d’utiliser la batterie de traction 12 pour alimenter les appareils auxiliaires 13 consommateurs de courant électrique.
Au cours d’une étape EB2, le calculateur 15 calcule la puissance électrique admissible Pmax12 par la batterie de traction 12 pendant le créneau horaire Ti.
Cette puissance électrique admissible Pmax12 est déterminée en fonction de la température TCiet du niveau de charge SOCiestimés précédemment.
Comme le montre la courbe C1 sur la figure 8, cette puissance varie en effet en fonction du niveau de charge SOC de la batterie de traction 12, et elle est d’autant plus faible que le niveau de charge SOC est élevé.
La puissance électrique admissible Pmax12 varie également en fonction de la température de la batterie de traction 12, cette puissance étant d’autant plus faible que la température TCiest élevée.
Pour déterminer la puissance électrique admissible Pmax12, le calculateur 15 stocke dans sa mémoire des tables de valeurs qui permettent, à partir de la température TCiet du niveau de charge SOCiestimés précédemment, de déterminer la puissance électrique admissible Pmax12.
Au cours d’une étape EB3, le calculateur 15 lit dans sa mémoire la puissance électrique maximum admissible Pmax14 par le chargeur 12, qui est une constante prédéterminée représentée sur la figure 8 par la droite C2.
Il lit aussi la puissance électrique disponible P20 à la borne de charge 20 au créneau horaire Tisélectionné, qui est représentée sur la figure 8 par la droite C3.
Il sélectionne alors, parmi les trois puissances Pmax12, Pmax14, P20, celle qui est la plus faible et qui forme donc le maillon limitant la puissance à laquelle il sera possible de charger la batterie de traction 12.
Comme le montre la figure 8, ce maillon limitant ne sera pas le même selon le niveau de charge SOC de la batterie de traction 12 (et selon la température de la batterie).
La puissance électrique Pisélectionnée est alors associée au créneau horaire Ticomme étant la puissance qui sera demandée à la borne de charge 20 pour charger la batterie de traction 12 (et éventuellement aussi pour alimenter les appareils auxiliaires 13).
Au cours d’une étape EC1, Le calculateur 15 détermine ensuite le nouveau niveau de charge SOCi+1que présentera la batterie d’accumulateurs 12 à l’issue du créneau horaire Ti.
La valeur de ce niveau de charge SOCi+1est déduite de la puissance électrique Piqui sera débitée par la borne de charge 20 pendant le créneau horaire Ti. Elle est déduite également de la puissance électrique consommée par les appareils auxiliaires 13 (laquelle puissance sera ci-après considérée nulle, par simplification).
Pour cela, le calculateur 15 commence par déterminer l’énergie électrique Eistockée dans la batterie de traction 12 avant le créneau horaire Tisélectionné.
La valeur de l’énergie électrique Eisera ici déduite du niveau de charge instantané SOC0, au moyen de la formule mathématique suivante :
où :
- Emaxest une constante prédéterminée enregistrée dans la mémoire du calculateur 15, qui correspond à l’énergie électrique maximale que la batterie de traction 12 peut stocker, et
- SOH est l’état de santé de la batterie de traction 12, qui est transmise au calculateur 15 par un calculateur tiers.
Puis, le calculateur 15 détermine l’énergie électrique Ei+1qui sera stockée dans la batterie de traction 12 à l’issue du créneau horaire Tisélectionné, au moyen de la formule mathématique suivante :
avec δt ici égal à 15 minutes.
Le calculateur 15 en déduit le nouveau niveau de charge SOCi+1que présentera la batterie de traction 12 à l’issue du créneau horaire Tisélectionné, au moyen de la formule mathématique suivante :
Ce calcul permet ainsi d’obtenir le niveau de charge que présentera la batterie de traction 12 à l’issue du premier créneau horaire Tisélectionné.
Si le profil de charge correspondant à la première combinaison pjsélectionnée comporte au moins un deuxième créneau horaire (noté Ti’), le procédé se répète à partir de l’étape EB1.
On peut alors décrire brièvement la manière selon laquelle le procédé se répète.
Lorsqu’il répète une première fois l’étape EB1, le calculateur 15 estime la température TCi ’que présentera la batterie de traction 12 au moment du second créneau horaire Ti’, à l’aide du modèle mathématique précité.
Puis, le calculateur 15 estime le niveau de charge SOCi ’que la batterie de traction 12 présentera au début du créneau horaire Ti ’. On considérera ici que ce niveau de charge SOCi ’sera égal au niveau de charge SOCi +1.
Le calculateur 15 calcule ensuite la puissance électrique admissible Pmax12 par la batterie de traction 12 au cours de ce créneau horaire Ti ’, de la même manière qu’expliqué précédemment.
Il en déduit la puissance électrique Pi ’à laquelle il sera possible de charger la batterie de traction 12 au cours de ce créneau horaire Ti ’.
Ainsi peut-il en déduire le nouveau niveau de charge SOCi ’+1que présentera la batterie d’accumulateurs 12 à l’issue du créneau horaire Ti ’.
Ces mêmes étapes EB1 à EC1 sont répétées autant de fois qu’il y a de créneaux horaires sélectionnés, ce qui permet d’obtenir le dernier niveau de charge SOCNqui sera atteint par la batterie de traction à la fin de la session de charge définie par la première combinaison pj.
Une fois ces opérations achevées, au cours d’une étape ED1, le calculateur 15 compare ce dernier niveau de charge SOCNavec le niveau de charge cible SOCt.
S’il est supérieur ou égal au niveau de charge cible SOCt, le calculateur 15 envoie à la borne de charge 20 une requête pour réserver les puissances électriques Pisélectionnées au moment des créneaux horaires Tisélectionnés.
De cette façon, la batterie de traction 12 pourra être chargée par la borne de charge 20 en étant alimentée en courant électrique au cours de chaque créneau horaire Tisélectionné à la puissance électrique Pisélectionnée.
Dans le cas contraire, au cours d’une étape ED2, le calculateur 15 sélectionne, dans le second ensemble Σ2, une seconde combinaison pjproposant un autre cycle de charge de la batterie de traction 12 qui ne soit pas trop contraignant pour les relais 16 et qui permette d’atteindre le niveau de charge cible SOCt.
Cette seconde combinaison pjne va pas ici être choisie aléatoirement dans ce second ensemble Σ2.
Au contraire, le calculateur 15 réduit tout d’abord le nombre de combinaison pjpotentiellement sélectionnables en définissant un troisième ensemble Σ3inclus dans le second ensemble Σ2et dans lequel :
- la première combinaison sélectionnée est exclue, et
- chaque combinaison associée à une énergie Ejinférieure ou égale à celle de la première combinaison est exclue.
De cette façon, le troisième ensemble Σ3ne comporte que des combinaisons permettant d’atteindre un niveau de charge SOCNsupérieur à celui calculé précédemment.
Puis, le calculateur sélectionne, dans ce troisième ensemble Σ3, une seconde combinaison pjqui est celle pour laquelle le coût Cjest le plus faible.
De la même façon qu’expliqué précédemment, en répétant les étapes EB1 à ED1, le calculateur 15 vérifie si cette seconde combinaison pjpermet d’atteindre le niveau de charge cible SOCt.
Si tel est le cas, le calculateur 15 envoie à la borne de charge une requête pour réserver les puissances électriques Pisélectionnées au moment des créneaux horaires sélectionnés.
Dans le cas contraire, il est prévu de redéfinir le troisième ensemble Σ3en excluant la seconde combinaison pj, puis en répétant ces étapes EB1 à ED1 autant de fois que nécessaire pour trouver une combinaison pjqui convienne.
Si au final aucune combinaison ne convient, c’est-à-dire si aucune combinaison pjne permet de charger la batterie de traction 12 jusqu’au niveau de charge cible SOCt, le procédé recommence l’ensemble de ces étapes en considérant cette fois un nouvel ensemble Σ4de combinaisons.
Ce nouvel ensemble peut par exemple être formé des combinaisons pour lesquelles le nombre de cycles de commutation Qjest inférieur ou égal à nc+r, où ncest le paramètre calculé dans la première équation précitée et r est un nombre strictement supérieur à zéro, par exemple égal à 1.
Ici, pour ne pas répéter les calculs inutilement, le nouvel ensemble Σ4comprend uniquement les combinaisons pjpour lesquelles le nombre de cycles de commutation Qjest compris entre nc(exclu) et nc+1 (inclus).
Dans notre exemple, ce nouvel ensemble Σ4comprend les combinaisons barrées sur la figure 7.
Cette répétition de calculs permet généralement de trouver une combinaison qui convient. Si tel ‘est pas le cas, un message est envoyé à l’usager pour lui indiquer que dans le temps imparti, il ne sera pas possible de recharger sa batterie de traction autant que souhaité.
Sur la figure 9, on a représenté un nouvel exemple d’évolution au cours du temps du coût C20 de l’électricité disponible auprès de la borne de charge 20.
Sur la figure 10, on a représenté (de façon concomitante) l’évolution prévue du niveau de charge SOC de la batterie de traction 12 jusqu’à l’heure du départ.
Sur la figure 11, on a représenté (de façon concomitante) les variations au cours du temps de la puissance électrique P réservée à chaque créneau horaire auprès de la borne de charge 20.
On observe sur la figure 10 que dès le début du procédé, il est prévu de charger la batterie de traction 12 jusqu’à atteindre le seuil de niveau de charge au-dessus duquel aucun risque de dégradation prématurée de la batterie de traction 12 n’est plus à craindre.
Il est ensuite prévu que la charge de la batterie se fasse pendant les créneaux horaires auxquels le coût de l’électricité est restreint. Enfin, on observe qu’à l’heure du départ, il est prévu que le niveau de charge de la batterie de traction 12 ait atteint le niveau de charge cible, qui est ici de 60%.
Grâce au procédé décrit, le calculateur 15 est donc en mesure d’envoyer rapidement à la borne de charge 20 une requête dans laquelle se trouvent les créneaux horaires réservés et les puissances électriques demandées à chaque créneau horaire.
A ce stade, on pourra observer que cette méthode repose sur une estimation simplifiée de l’évolution du niveau de charge SOC de la batterie de traction 12, afin de réduire la puissance de calcul nécessaire pour mettre en œuvre le procédé.
Il peut alors arriver que l’estimation soit légèrement erronée.
Pour éviter tout problème de charge, une fois que la charge a débuté, il est préférentiellement prévu de mettre en œuvre une opération de surveillance de l’évolution du niveau de charge SOC de la batterie de traction 12.
Pour cela, le calculateur relève à chaque instant la valeur instantanée du niveau de charge SOC de la batterie de traction 12, puis il compare cette valeur avec celle qui était attendue.
Tant que l’écart entre ces deux valeurs reste inférieur à un seuil prédéterminé, aucune correction n’est entreprise.
En revanche, si cet écart dépasse le seuil, le calculateur réinitialise le procédé décrit ci-dessus, en émettant notamment auprès de la borne de charge une requête pour connaître les nouvelles tables de coût de l’électricité et de puissance disponible auprès de la borne.
Lors de la mise en œuvre du procédé, un coefficient de correction est toutefois ici appliqué au calcul de la puissance électrique admissible Pmax12 par la batterie de traction 12.
La valeur de ce coefficient de correction est de préférence ajustée en fonction de la vitesse avec laquelle la valeur instantanée du niveau de charge a dévié de la valeur attendue du niveau de charge.
Une fois le procédé achevé, le calculateur 15 envoie une nouvelle requête à la borne de charge 20 pour réserver de nouveaux créneaux horaires : on parle de « re-négociation ».
La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.
En particulier, dans le cas où une combinaison pjqui convient est trouvée dans le troisième ensemble Σ3, on pourra toutefois considérer le quatrième ensemble Σ4précité puis rechercher dans ce quatrième ensemble une autre combinaison qui convienne (laquelle sera plus contraignante pour les relais). Dans ce cas, on pourra choisir d’utiliser cette autre combinaison pour définir le profil de charge de la batterie, si cette autre combinaison induit une sensible baisse de coût de la charge.

Claims (10)

  1. Méthode de charge d’une batterie d’accumulateurs (12) qui équipe un véhicule automobile (10) et qui est connectée électriquement à une borne de charge (20) via au moins un relais (16), ledit relais (16) étant adapté à commuter pour ouvrir et fermer le circuit électrique entre la batterie d’accumulateurs (12) et la borne de charge (20), ladite méthode comportant des étapes :
    - de réception de données relatives à l’évolution au cours du temps de la puissance électrique disponible (P20) sur la borne de charge (20) et du coût (C20) de l’électricité,
    - de sélection, d’une part, de créneaux horaires (Ti) pour lesquels la puissance électrique disponible (P20) est non nulle, et, d’autre part, d’une puissance électrique de charge (Pi) pour chaque créneau horaire (Ti) sélectionné,
    - de démarrage d’une session de charge de la batterie d’accumulateurs (12) par la borne de charge (20) pendant laquelle la batterie d’accumulateurs (12) est alimentée en courant électrique au cours de chaque créneau horaire (Ti) sélectionné à la puissance électrique (Pi) sélectionnée,
    caractérisée en ce qu’il est prévu, lors de chaque session de charge de la batterie d’accumulateurs (12), de mettre à jour un indicateur mémorisant le nombre total de cycles de commutation (Nc) déjà effectués par le relais (16), et
    en ce que, à l’étape de sélection, les créneaux horaires (Ti) sont sélectionnés en fonction du nombre total de cycles de commutation (Nc) mémorisé par ledit indicateur.
  2. Méthode de charge selon la revendication précédente, dans laquelle les créneaux horaires (Ti) sont sélectionnés en fonction d’un paramètre (nc) qui est égal à un nombre de cycles de commutation autorisés pendant la session de charge et qui dépend dudit nombre total de cycles de commutation (Nc) mémorisé par ledit indicateur.
  3. Méthode de charge selon la revendication précédente, dans laquelle, le relais (16) étant conçu pour accomplir un nombre cible prédéterminé de cycles de commutation (Ncesp), ledit paramètre (nc) est fonction également dudit nombre prédéterminé de cycles de commutation (Ncesp).
  4. Méthode de charge selon la revendication précédente, dans laquelle il est prévu, lors de chaque session de charge de la batterie d’accumulateurs (12), de mettre à jour un second indicateur mémorisant le nombre total de sessions de charge (Ns) déjà effectuées par la batterie d’accumulateurs (12), et dans laquelle ledit paramètre (nc) est calculé au moyen de la formule mathématique :
    nc= (Ncesp– Nc) / ( Ns . (Dv– dv)/dv), où
    ncest ledit paramètre,
    Ncespest le nombre cible prédéterminé de cycles de commutation,
    Nc est le nombre total de cycles de commutation mémorisé par ledit indicateur,
    Ns est le nombre total de sessions de charge de la batterie d’accumulateurs (12) déjà effectuées,
    Dvest l’espérance de vie du véhicule automobile (10), et
    dvest la durée de vie du véhicule automobile (10) déjà écoulée.
  5. Méthode de charge selon l’une des trois revendications précédentes, dans laquelle, pour sélectionner les créneaux horaires (Ti), il est prévu des opérations consistant à :
    - acquérir un premier ensemble (Σ1) comprenant toutes les combinaisons (pj) possibles de commutation du relais (16) au cours d’un intervalle de temps déterminé (ΔT),
    - calculer le nombre de cycles de commutation (Qj) pour chacune desdites combinaisons (pj),
    - sélectionner un second ensemble (Σ2) de combinaisons dans lequel chaque combinaison (pj) a un nombre de cycles de commutation (Qj) inférieur ou égal audit paramètre (nc),
    - calculer, pour chaque combinaison (pj), un coût (Cj) de la charge de la batterie d’accumulateurs (12) si elle était chargée en suivant ladite combinaison, puis
    - sélectionner une première combinaison (pj) pour laquelle le coût (Cj) est le plus faible,
    les créneaux horaires (Ti) sélectionnés étant déduit en fonction de la combinaison sélectionnée.
  6. Méthode de charge selon la revendication précédente, dans laquelle il est prévu, après avoir sélectionné la première combinaison (pj), une étape de vérification que ladite première combinaison (pj) permet de charger la batterie d’accumulateurs (12) jusqu’à un niveau de charge (SOCN) supérieur à un seuil (SOCt) déterminé, et, si tel n’est pas le cas, une étape au cours de laquelle :
    - on sélectionne, dans ledit second ensemble (Σ2), un troisième ensemble (Σ3) de combinaisons (pj) dans lequel ladite première combinaison est exclue, puis
    - on sélectionne, dans ce troisième ensemble (Σ3), une seconde combinaison (pj) qui est celle pour laquelle le coût (Cj) est le plus faible,
    les créneaux horaires (Ti) sélectionnés étant déduit en fonction de la seconde combinaison sélectionnée.
  7. Méthode de charge selon la revendication précédente, dans laquelle, pour la sélection du troisième ensemble (Σ3), on calcule pour chaque combinaison (pj) du second ensemble (Σ2) une variable relative à la puissance électrique totale qui pourra être transmise à la batterie d’accumulateurs (12) au cours de la session de charge, puis on exclut les combinaisons (pj) pour lesquelles la variable est inférieure ou égale à la variable calculée pour ladite première combinaison.
  8. Méthode de charge selon l’une des deux revendications précédentes, dans laquelle, si aucune combinaison (pj) ne permet de charger la batterie d’accumulateurs (12) jusqu’à un niveau de charge (SOCi) supérieur audit seuil (SOCt), il est prévu de sélectionner un nouvel ensemble (Σ4) de combinaisons (pj) pour lesquelles le nombre de cycles de commutation est compris entre ledit paramètre (nc) et un seuil supérieur audit paramètre, et dans laquelle les étapes de calcul et de sélection sont répétées en considérant ce nouvel ensemble (Σ4).
  9. Méthode de charge selon l’une des revendications 5 à 8, dans laquelle, au cours de l’étape d’acquisition, on acquiert une heure de départ à laquelle il est prévu que le véhicule automobile (10) soit déconnecté de la borne de charge (20) et dans laquelle ledit intervalle déterminé (ΔT) prend fin à l’heure de départ.
  10. Véhicule automobile (10) comportant au moins un moteur électrique (11) de propulsion, et une batterie d’accumulateurs (12) adaptée à alimenter en courant électrique chaque moteur électrique (11), caractérisé en ce qu’il comporte un calculateur (15) programmé pour mettre en œuvre une méthode de charge conforme à l’une des revendications précédentes.
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