FR2991107A1

FR2991107A1 - Procede et dispositif de chauffage d'une batterie electrochimique.

Info

Publication number: FR2991107A1
Application number: FR1254828A
Authority: FR
Inventors: Bruno Delobel; Philippe Recouvreur; Caroline Marchal
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-11-29
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: FR2991107B1

Abstract

Procédé de chauffage d'une batterie (1) d'un véhicule automobile, comprenant une étape de régulation de la température de la batterie (1) comportant l'injection dans la batterie (1) d'un courant alternatif capable alternativement de charger et décharger la batterie (1) de sorte que la batterie (1) génère de la chaleur, caractérisé en ce que le courant alternatif possède une fréquence comprise entre 1 Hz et 1000 Hz et préférentiellement entre 10 Hz et 630 Hz.

Description

Procédé et dispositif de chauffage d'une batterie électrochimique. L'invention concerne un procédé de chauffage d'une batterie d'un véhicule automobile, notamment lorsque le véhicule automobile est à l'arrêt. Les performances d'une batterie comme la puissance, l'énergie ou la durabilité, c'est-à-dire la durée de vie et l'autonomie, sont très sensibles à la température d'utilisation de celle-ci. A basse température, la batterie est généralement moins puissante, débite moins d'énergie et est sujette à une dégradation lors de sa charge, alors qu'à haute température, la batterie possède généralement des performances optimales en termes de puissance et d'énergie. Cependant, si la température de la batterie est trop élevée, la durabilité est fortement impactée et dégradée.

Un chauffage de la batterie à une température convenable peut donc permettre de la faire fonctionner avec des performances optimales, et éviter un refroidissement de la batterie après sa charge qui empêcherait l'exploitation de la batterie avec toutes ses capacités. Généralement, le maintien de la température est basé sur l'inertie du pack de batterie, c'est-à-dire sur la capacité du pack de batterie à maintenir sa température. Dans le cas, par exemple, d'un pack de batterie ayant une résistance thermique de 0,27 K/W, après l'arrêt du fonctionnement de la batterie, c'est-à-dire après l'arrêt de la charge ou bien l'arrêt de roulage du véhicule automobile, la température du pack de batterie va passer de 23°C à 10°C, 0°C et - 10°C en des durées respectives de 3h, 7h et 13h, lorsque la température à l'extérieure est de -20°C comme cela est illustré sur la courbe de la figure 1. Le graphique de la figure 1 présente l'évolution temporelle (en heures) de la température d'un tel pack de batterie après l'arrêt de son fonctionnement lorsqu'elle est exposée à une température extérieure de -20°C et qu'aucun système de chauffage de la batterie n'est prévu. La courbe en trait plein représente la température de la batterie et la courbe en pointillé la température extérieure. On remarque dans cet exemple que la température de la batterie descend rapidement dans des températures négatives dans de telles conditions. Pour résoudre ce problème il est possible d'utiliser un chauffage externe qui s'avère généralement coûteux car le système est particulièrement spécifique et uniquement dédié au chauffage des éléments électrochimiques actifs de la batterie. Une autre possibilité consiste à renforcer l'isolation, ce qui ne permet que de ralentir le refroidissement sans l'éviter véritablement. Le document US 6 072 301 décrit un dispositif de chauffage d'une batterie utilisant l'énergie stockée dans la batterie et un circuit RC couplé à la batterie. Cependant, l'efficacité d'un tel dispositif de chauffage reste très limitée. En effet, l'utilisation d'une fréquence de 25 kHz va seulement induire un faible échauffement des parties métalliques et aucun échauffement des éléments électro-chimiquement actifs, source principal d'énergie de la batterie. L'invention se propose donc de fournir un procédé, et un dispositif associé, de chauffage d'une batterie d'un véhicule automobile utilisant de manière plus efficace un courant alternatif injecté dans la batterie, pour chauffer les éléments électrochimiques de la batterie et ainsi maintenir la température du pack de batterie à une température d'utilisation permettant le fonctionnement de la batterie à ses performances optimales. Selon un aspect de l'invention, il est proposé dans un mode de mise en oeuvre, un procédé de chauffage d'une batterie, comprenant l'injection dans la batterie d'un courant alternatif capable alternativement de charger et décharger la batterie de sorte que la batterie génère de la chaleur. Le courant alternatif est préférentiellement un courant alternatif à moyenne nulle. Selon une caractéristique générale de l'invention, le courant alternatif possède une fréquence comprise entre 1 Hz et 1000 Hz et préférentiellement entre 10 Hz et 630 Hz. L'utilisation d'un courant alternatif possédant une fréquence comprise dans une plage de fréquence s'étendant entre 1 Hz et 1000 Hz selon les technologies employées permet d'utiliser seulement la partie capacitive de la batterie pour générer l'échauffement nécessaire pour maintenir la batterie dans des conditions de température et de fonctionnement optimales. De cette manière, il est possible d'éviter ou du moins de réduire le vieillissement de la batterie engendré par l'alternance de charges et de décharges des cellules électrochimiques et d'utiliser une intensité de courant moins importante qu'à des fréquences supérieures. Un courant alternatif avec une fréquence supérieure à 630 Hz génèrera moins voire pas de chaleur au sein de la batterie, et un courant alternatif avec une fréquence inférieure à 10 Hz entraîne de forts risques d'endommagement des cellules électrochimiques et de diminution de la durée de vie des cellules électrochimiques. En effet à des fréquences supérieures à 630 Hz, seules les parties inductives de la batterie, c'est-à-dire les parties métalliques séparant les cellules électrochimiques ou les câbles électriques, contribuent à l'impédance de la batterie. Le rendement de chauffage est alors moins bon, et le courant utilisé doit avoir des intensités plus importantes. A des fréquences inférieures à 10 Hz en revanche, les réactions d'oxydoréduction des électrodes au sein de la batterie peuvent avoir lieu et engendrer une diminution de la durée de vie de la batterie. Le courant alternatif peut avoir une forme d'onde en créneau ou une forme d'onde sinusoïdale. De telles formes d'onde permettent d'obtenir un meilleur rendement pour le chauffage de la batterie, notamment avec une forme d'onde en créneau. Avantageusement, l'étape de régulation de la température de la batterie peut être activée dès que la température de la batterie est inférieure à un seuil de température minimum et être désactivée lorsque la température de la batterie est supérieure à un seuil de température maximum. L'application d'une régulation par hystérésis pour le procédé de chauffage plutôt qu'une régulation continue permet de limiter davantage la consommation électrique pour le maintien de la température de la batterie.

Le procédé peut avantageusement comprendre une étape préalable de couplage de la batterie à un réseau d'alimentation électrique. Selon un autre aspect, il est proposé, dans un mode de réalisation, un dispositif de chauffage d'une batterie d'un véhicule automobile, comprenant des moyens de régulation de la température de la batterie aptes à injecter dans la batterie un courant alternatif capable alternativement de charger et décharger la batterie de sorte que la batterie génère de la chaleur, le courant alternatif possédant une fréquence comprise entre 1 Hz et 1000 Hz et préférentiellement entre 10 Hz et 630 Hz. De préférence, les moyens de régulation génèrent un courant alternatif ayant une forme d'onde en créneau ou une forme d'onde sinusoïdale.

Avantageusement, les moyens de régulations peuvent posséder un module d'activation à hystérésis apte à activer la régulation dès que la température de la batterie est inférieure à un seuil de température minimum et à désactiver la régulation lorsque la température de la batterie est supérieure à un seuil de température maximum, le seuil de température maximum étant supérieur au seuil de température minimum. Les moyens de régulation peuvent avantageusement comprendre un circuit capacitif externe couplé à la batterie du véhicule automobile. Le circuit capacitif externe peut être un circuit RC de type résistif-capacitif, ou des capacités, ou des super-capacités, ce type d'éléments étant spécialement conçu pour échanger de fortes puissances. Dans un autre mode de réalisation, le véhicule automobile peut comprendre un système de charge de la batterie intégré comportant un étage abaisseur de tension et un étage élévateur de tension apte à être couplé entre le réseau d'alimentation et la batterie, et les moyens de régulation peuvent comprendre le système de charge intégré du véhicule automobile et des moyens de redressement de la forme d'onde connectés entre le système de charge intégré et la batterie.

Avantageusement, le dispositif de chauffage peut comprendre des moyens de raccordement de la batterie à un réseau d'alimentation électrique. En raccordant ainsi la batterie à un réseau d'alimentation électrique, il est possible de réinjecter un peu d'énergie dans la batterie à partir du réseau d'alimentation dans le cas où le chauffage de la batterie entraîne une perte importante de l'énergie stockée dans la batterie. D'autres avantages et caractéristiques de l' invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre et d'un mode de réalisation, nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, déjà citée, présente une courbe d'évolution de la température d'une batterie après l'arrêt de son fonctionnement lorsqu'elle est exposée à une température extérieure de -20°C et qu'aucun système de chauffage de la batterie n'est prévu ; - la figure 2 illustre, de manière schématique, un véhicule automobile comprenant un dispositif de chauffage d'une batterie selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 présente des courbes d'évolution du module de l'impédance de la batterie en fonction de la fréquence du courant alternatif délivré à la batterie pour trois températures de la batterie différentes ; - la figure 4 illustre, de manière schématique, un véhicule automobile comprenant un dispositif de chauffage d'une batterie selon un second mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 2 est représenté schématiquement un véhicule automobile comprenant un dispositif de chauffage 20 d'une batterie 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Le véhicule automobile comprend une batterie 1 apte à délivrer de l'énergie électrique au système de traction du véhicule automobile et apte à être rechargée par un réseau d'alimentation 2 lorsque celui-ci est connecté au véhicule automobile.

La batterie 1 comprend une pluralité de cellules électrochimiques constituant des cellules indépendantes de production d'énergie électrique à partir d'une interaction chimique. Dans ce mode de réalisation, le véhicule automobile comprend un dispositif de charge 10 de la batterie 1 comprenant des moyens de raccordement 3 du véhicule automobile au réseau d'alimentation électrique 2, un étage abaisseur de tension 4 et un étage élévateur de tension 5 couplés entre les moyens de raccordement 3 et la batterie 1. Le dispositif de charge 10 permet de produire, à partir d'un réseau d'alimentation électrique, un courant électrique continu de charge de la batterie 1. Le véhicule automobile comprend également un dispositif de chauffage 20 de la batterie 1 comprenant le dispositif de charge 10 et des moyens redresseur de tension 6 raccordés entre le dispositif de charge 10 et la batterie 1. Les moyens redresseur de tension 6 permettent de transformer une partie du courant continu délivré par le dispositif de charge 10 en un courant alternatif permettant alternativement de charger et décharger au moins une partie des cellules électrochimiques de la batterie 1 et ainsi de produire de la chaleur dans la batterie 1 de manière à maintenir la batterie 1 à une température de fonctionnement optimale. Le courant alternatif émis par les moyens redresseur 6 peut avoir une forme d'onde sinusoïdale ou une forme d'onde de créneau.

La fréquence de fonctionnement du courant alternatif généré est comprise dans une plage fréquentielle s'étendant de 1 Hz à 1000 Hz et préférentiellement entre 10 Hz et 630 Hz. La figure 3 illustre l'évolution du module de l'impédance de la batterie en fonction de la fréquence (en Hertz) du courant alternatif délivré à la batterie pour trois températures de la batterie différentes. La courbe en trait plein représente l'évolution fréquentielle pour une température de la batterie de 0°C, la courbe en traits mixtes l'évolution pour une température de 9°C, et la courbe en pointillés l'évolution pour une température de 23°C. On peut voir sur ces courbes que les impédances les plus faibles de la batterie 1 sont obtenues pour des fréquences du courant alternatif délivré à la batterie comprises entre 1 HZ et 1000 Hz et plus particulièrement entre 10 Hz et 630 Hz. Les impédances les plus faibles permettent d'obtenir un meilleur rendement de chauffage de la batterie. Pour des valeurs de fréquences supérieures, la contribution principale de l'impédance est inductive, c'est-à-dire qu'elle est liée aux parties métalliques, telles que les câbles, et non aux éléments actifs des cellules électrochimiques. En effet, les cellules n'ont pas le temps de se charger et de se décharger complètement et ne génèrent alors que peu ou pas de chaleur. Sur la figure 4 est représenté schématiquement un véhicule automobile comprenant un dispositif de chauffage d'une batterie selon un second mode de réalisation de l'invention.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif de chauffage 200 comprend des moyens de raccordement 30 permettant de raccorder le véhicule automobile, et notamment la batterie 1 à un réseau d'alimentation électrique 2, et un circuit capacitif 40 connecté à la batterie 2. Dans ce mode de réalisation, les injections de courant alternatif dans la batterie 2 permettant d'engendrer un chauffage de la batterie sont réalisées par le circuit capacitif 40. Le circuit capacitif 40 peut être composé d'un circuit résistif capacitif RC, ou bien d'un montage de plusieurs capacités, ou même d'une ou plusieurs super-capacités.

La batterie est couplée au réseau d'alimentation électrique dans le cas où le rendement des cycles de charge/décharge de la batterie 1 est inférieur à 100% et plus particulièrement, inférieur à 90%. Le réseau d'alimentation électrique permet ainsi de réinjecter de l'énergie par intermittence à la batterie 1.

Le dispositif de chauffage peut comprendre un module d'activation 50 permettant de réaliser une régulation de chauffage avec un hystérésis, en activant le chauffage de la batterie 1 dès que sa température est inférieure à un seuil de température inférieur, par exemple 20°C, et en désactivant le chauffage seulement lorsque sa température devient supérieure à un seuil de température supérieur, par exemple 23°C. De cette manière, le courant alternatif permettant le chauffage de la batterie n'est délivré que par intermittence ce qui permet de réaliser des économies d'énergie électrique.

L'invention permet ainsi de chauffer une batterie d'un véhicule automobile de manière optimale grâce à l'utilisation de formes et de fréquences de signaux particulièrement efficaces pour chauffer les éléments électrochimiques de la batterie et ainsi maintenir la température de la batterie à une température d'utilisation permettant son fonctionnement à ses performances optimales. L'invention peut être appliquée à tout véhicule comportant une batterie électrochimique et notamment à des véhicules à propulsion électrique ou hybride.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de chauffage d'une batterie (1) d'un véhicule automobile, comprenant une étape de régulation de la température de la batterie (1) comportant l'injection dans la batterie (1) d'un courant alternatif capable alternativement de charger et décharger la batterie (1) de sorte que la batterie (1) génère de la chaleur, caractérisé en ce que le courant alternatif a une fréquence comprise entre 1 Hz et 1000 Hz et préférentiellement entre 10 Hz et 630 Hz.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le courant alternatif comprend une forme d'onde en créneau ou une forme d'onde sinusoïdale.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'étape de régulation de la température de la batterie (1) est activée dès que la température de la batterie (1) est inférieure à un seuil de température minimum et est désactivée lorsque la température de la batterie est supérieure à un seuil de température maximum.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une étape préalable de couplage de la batterie (1) à un réseau d'alimentation électrique (2).
5. Dispositif de chauffage (20, 200) d'une batterie (1) d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de la température de la batterie (1) aptes à injecter dans la batterie un courant alternatif capable alternativement de charger et décharger la batterie (1) de sorte que la batterie (1) génère de la chaleur, le courant alternatif ayant une fréquence comprise entre 1 Hz et 1000 Hz et préférentiellement entre 10 Hz et 630 Hz.
6. Dispositif (20, 200) selon la revendication 5, dans lequel les moyens de régulation génèrent un courant alternatif ayant une forme d'onde en créneau ou une forme d'onde sinusoïdale.
7. Dispositif (20, 200) selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel les moyens de régulation possèdent un module d'activation (50) à hystérésis apte à activer la régulation dès que la température de la batterie (1) est inférieure à un seuil de température minimum et àdésactiver la régulation lorsque la température de la batterie (1) est supérieure à un seuil de température maximum.
8. Dispositif (200) selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel les moyens de régulation comprennent un circuit capacitif (40) externe couplé à la batterie (1) du véhicule automobile.
9. Dispositif (20) selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le véhicule automobile comprend un système de charge (10) de la batterie (1) intégré comportant un étage abaisseur de tension (4) et un étage élévateur de tension (5) apte à être couplé entre un réseau d'alimentation (2) et la batterie (1), et les moyens de régulation comprennent le système de charge (10) intégré du véhicule automobile et des moyens de redressement (6) de la forme d'onde connectés entre le système de charge (10) intégré et la batterie (1).
10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, comprenant des moyens de raccordement (3) de la batterie (1) à un réseau d'alimentation électrique (2).